이 연구는 초대형 매스 구조물인 지하식 LNG 저장탱크의 바닥슬래브 및 측벽에 타설되는 매스 콘크리트의 재료특성, 배합조건, 양생조건 및 콘크리트의 타설시기와 초기온도, 외기온 등을 고려한 온도응력 해석 결과를 기술하였다. 해석 결과를 토대로 유해한 균열의 발생 가능성을 예측하고, 이를 방지하기 위한 방안을 제시하였다. 이 연구에서는 콘크리트의 단열온도 상승시험을 통하여 수화열 관리에 유리하다고 평가된 2종류(벨라이트 시멘트+석회석 미분말)의 최적배합조건을 선정하였다. 온도응력 해석의 결과에 따르면, 바닥슬래브 2단을 제외한 대부분의 분할타설 블록에서 관통균열지수가 1.2이상을 만족하였다. 바닥슬래브 2단의 경우 균열방지 대책으로 선행냉각 방안을 제시하였으며, 콘크리트의 초기온도를 $25^{\circ}C$ 범위에서 관리할 경우에는 대부분의 타설블록에서 관통균열지수 1.2이상을 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 바닥슬래브의 경우, 표면균열지수가 1.2이상이기 때문에 양생조건을 준수하면 표면균열을 제어할 수 있으며, 측벽의 경우에도 표면균열지수가 1.0이상을 만족하기 때문에 균열의 수 및 폭을 제어할 수 있는 것으로 나타났다.
이 연구는 초대형 매스 구조물인 지하식 LNG 저장탱크의 바닥슬래브 및 측벽에 타설되는 매스 콘크리트의 재료특성, 배합조건, 양생조건 및 콘크리트의 타설시기와 초기온도, 외기온 등을 고려한 온도응력 해석 결과를 기술하였다. 해석 결과를 토대로 유해한 균열의 발생 가능성을 예측하고, 이를 방지하기 위한 방안을 제시하였다. 이 연구에서는 콘크리트의 단열온도 상승시험을 통하여 수화열 관리에 유리하다고 평가된 2종류(벨라이트 시멘트+석회석 미분말)의 최적배합조건을 선정하였다. 온도응력 해석의 결과에 따르면, 바닥슬래브 2단을 제외한 대부분의 분할타설 블록에서 관통균열지수가 1.2이상을 만족하였다. 바닥슬래브 2단의 경우 균열방지 대책으로 선행냉각 방안을 제시하였으며, 콘크리트의 초기온도를 $25^{\circ}C$ 범위에서 관리할 경우에는 대부분의 타설블록에서 관통균열지수 1.2이상을 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 바닥슬래브의 경우, 표면균열지수가 1.2이상이기 때문에 양생조건을 준수하면 표면균열을 제어할 수 있으며, 측벽의 경우에도 표면균열지수가 1.0이상을 만족하기 때문에 균열의 수 및 폭을 제어할 수 있는 것으로 나타났다.
In this study, thermal stress analysis are carried out considering material properties, curing condition, ambient temperature, and casting date of the mass concrete placed in bottom slab and side wall of the in-ground type LNG tank as a super massive structure. Also, based on the numerical results, ...
In this study, thermal stress analysis are carried out considering material properties, curing condition, ambient temperature, and casting date of the mass concrete placed in bottom slab and side wall of the in-ground type LNG tank as a super massive structure. Also, based on the numerical results, cracking possibility is predicted and counter measures to prevent the cracking are proposed. For the tasks, two optimum mix proportions were selected. From the results of the thermal stress analysis, the through crack index of 1.2 was satisfied for separately caste concrete lots except for the bottom slab caste in 2 separate sequences. For the double caste bottom slab, it is necessary introduce counter measures such as pre-cooling prior to the site construction. Also, another crack preventive measure is to lower the initial casting temperature by $25^{\circ}C$ or less to satisfy 1.2 through crack index criterion. In the $1^{st}$ and $2^{nd}$ caste bottom slab, the surface crack index was over 1.2. Therefore, the surface cracks can be controlled by implementing the curing conditions proposed in this study. Since the side wall's surface crack index was over 1.0, it is safe to assume that the counter preventive measures can control width and number of cracks.
In this study, thermal stress analysis are carried out considering material properties, curing condition, ambient temperature, and casting date of the mass concrete placed in bottom slab and side wall of the in-ground type LNG tank as a super massive structure. Also, based on the numerical results, cracking possibility is predicted and counter measures to prevent the cracking are proposed. For the tasks, two optimum mix proportions were selected. From the results of the thermal stress analysis, the through crack index of 1.2 was satisfied for separately caste concrete lots except for the bottom slab caste in 2 separate sequences. For the double caste bottom slab, it is necessary introduce counter measures such as pre-cooling prior to the site construction. Also, another crack preventive measure is to lower the initial casting temperature by $25^{\circ}C$ or less to satisfy 1.2 through crack index criterion. In the $1^{st}$ and $2^{nd}$ caste bottom slab, the surface crack index was over 1.2. Therefore, the surface cracks can be controlled by implementing the curing conditions proposed in this study. Since the side wall's surface crack index was over 1.0, it is safe to assume that the counter preventive measures can control width and number of cracks.
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문제 정의
이 연구에서는 지하식 LNG 저장탱크의 바닥슬래브와 측벽에 사용되는 매스 콘크리트의 온도균열 대책의 일환으로 저열 포틀랜드 시멘트에 석회석 미분말을 치환하는 콘크리트의 배합설계 및 양생, 온도조건 등의 현장조건을 대상으로 온도응력 해석을 실시하였으며, 해석 결과를 토대로 온도균열 제어를 위한 매스 콘크리트의 현장 최적화 방안을 제시하고자 한다.
가설 설정
콘크리트는 실제 현장에서의 태양복사열, 물의 증발, 바람, 단열재료 및 습윤양생을 위한 분사 등과 같은 여러 가지의 요인에 영향을 받지만, 수시로 이러한 요인들이 변동되기 때문에 이들의 영향을 정확하게 기술하기는 어렵다. 따라서, 실제 현장에서 콘크리트를 타설하는 동안에 양생조건이 변하지 않는다는 가정하에서 인위적인 양생조건을 고려하였다.19)
열전달 해석에서는 바닥슬래브, 측벽(5Lot까지), 지반, 지하연속벽, 파일캡 슬래브 및 자갈층을 대상으로 모델링 하였다. 바닥슬래브와 측벽 사이에 설치된 시트는 분리가 가능하기 때문에, 온도응력 해석에서 측벽은 바닥슬래브에 구속되지 않는다는 것을 가정하여 바닥슬래브와 측벽을 각각 모델링 하였다.
바닥슬래브와 측벽 하부에 있는 강관파일과 지반 및 파일캡 슬래브는 응력해석에 있어서 선형 스프링으로 대체하였다. 지하연속벽과 측벽의 접합부는 전단키(shear key)로 연결되어 있기 때문에 지하연속벽과 측벽은 구속되지 않는 것으로 가정하였다. 측벽은 구속된 전단키의 기능과 온도감소 등에 의하여 방사상으로 수축을 받지만, 수축의 효과가 무시할 수 있을 정도로 크지 않기 때문에 측벽과 지하연속벽은 분리하여 생각할 수 있다.
제안 방법
바닥슬래브와 측벽 하부에 있는 강관파일과 지반 및 파일캡 슬래브는 응력해석에 있어서 선형 스프링으로 대체하였다. 지하연속벽과 측벽의 접합부는 전단키(shear key)로 연결되어 있기 때문에 지하연속벽과 측벽은 구속되지 않는 것으로 가정하였다.
열전달 해석에서는 바닥슬래브, 측벽(5Lot까지), 지반, 지하연속벽, 파일캡 슬래브 및 자갈층을 대상으로 모델링 하였다. 바닥슬래브와 측벽 사이에 설치된 시트는 분리가 가능하기 때문에, 온도응력 해석에서 측벽은 바닥슬래브에 구속되지 않는다는 것을 가정하여 바닥슬래브와 측벽을 각각 모델링 하였다.
이 연구에서는 측벽에서 표면균열지수의 관리기준을 안전값을 고려하여 1.0이상으로 제안한다. 관통균열을 방지하기 위한 균열지수가 1.
대상 데이터
여기서, 시멘트는 저열 포틀랜드 시멘트(belite cement), 결합재는 석회석 미분말(LSP, limestone powder)을 사용하였다. Table 1에 제시된 콘크리트의 배합조건에서 단열온도 상승시험, 재령별 압축강도와 인장강도, 탄성계수 및 경제성 등을 고려한 바닥슬래브 및 측벽 콘크리트의 최적배합조건은 Table 2와 같다.
이론/모형
2차원 유한요소법(FEM)에 의한 해석요소는 열전달 해석에서 시간에 따른 시멘트의 수화열, 표면 열전달, 외 기온 및 온도응력 해석에서 시간에 따른 탄성계수와 인장강도 등이 사용되었다.11)
또한 γ값은 단열온도 상승시험의 측정 결과에서 콘크리트의 타설온도를 고려하여 적용하였다. 열전도율, 비열, 확산계수 등과 같은 콘크리트의 열적특성 값은 JSCE12) 및 KCI13) 기준과 시공사례2,6) 등을 고려하여 적용하였다. 콘크리트의 역학적 특성은 최적배합조건의 실험 결과를 적용하였으며, 크리프의 영향을 고려한 유효탄성계수는 식 (3)에 의하여 산정하였다.
3 kcal/kg℃의 범위로 산정하였다. 특히, 크리프계수는 JSCE12) 및 시공사례2,6) 등을 고려하여 보간법으로 상수값을 정하였다.
성능/효과
2) 초대형 매스 콘크리트 구조물인 바닥 슬래브와 측벽에 타설되는 콘크리트의 관리기준으로 관통균열에 대한 최소균열지수는 1.2이상으로 제시하였으나, 표면균열은 콘크리트의 내구성에 치명적인 원인이 되지 않기 때문에 어느 정도 허용하는 것으로 제시하였다.
3) 온도응력 해석 결과에 따르면, 바닥슬래브 2단을 제외한 대부분의 단계에서 관통균열지수가 1.2이상을 만족하였기 때문에, 관통균열은 제어할 수 있을 것으로 사료된다.
4) 바닥슬래브 2단의 경우, 관통균열지수가 1.2보다 적고 균열발생 확률도 35% 정도로 나타났기 때문에, 이를 방지하기 위한 방안으로 선행냉각 방식을 통한 콘크리트의 초기온도를 25℃ 이하로 관리하는 방안으로 제시하였으며, 이때의 관통균열지수는 1.2 이상을 만족하는 것으로 나타났다.
5) 바닥슬래브의 경우, 표면균열지수가 1.2이상이기 때문에 양생조건을 준수하면 표면균열을 제어할 수 있는 것으로 나타났다. 측벽의 경우에도 표면균열지수가 1.
2이상을 만족하였다. 따라서 이 연구에서 제시한 양생조건을 확보할 수 있다면, 표면균열은 제어할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 측벽에 있어서도 표면균열에 대한 최소균열지수가 대부분 1.
바닥슬래브에 있어서, 표면균열에 대한 최소균열지수는 전체 부재에서 1.2이상을 만족하였다. 따라서 이 연구에서 제시한 양생조건을 확보할 수 있다면, 표면균열은 제어할 수 있는 것으로 나타났다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지하식 LNG 저장탱크의 구조물은 어떻게 구성되는가?
현재, 급증하고 있는 액화천연가스(이하, LNG)의 수요에 대응하기 위한 방안으로 LNG 저장탱크가 인천, 평택, 통영 및 삼척 인수기지에서 건설 또는 가동 중에 있으며, 그 용량도 10만 kl에서 14만 및 20만 kl급의 대용량으로 증가되어 왔다.1)특히, 지하식 LNG 저장탱크의 구조물은 지하연속벽, 파일캡 슬래브, 그리고 본체인 바닥 슬래브와 측벽 및 지붕으로 구성되어 있는데, 대부분 초대형 구조물에 속하기 때문에 수화열에 의한 온도균열의 제어대책이 매우 중요한 요인으로 대두되고 있다.2)
국내 액화천연가스의 수요에 대응하기 위한 방안은 무엇이 있는가?
현재, 급증하고 있는 액화천연가스(이하, LNG)의 수요에 대응하기 위한 방안으로 LNG 저장탱크가 인천, 평택, 통영 및 삼척 인수기지에서 건설 또는 가동 중에 있으며, 그 용량도 10만 kl에서 14만 및 20만 kl급의 대용량으로 증가되어 왔다.1)특히, 지하식 LNG 저장탱크의 구조물은 지하연속벽, 파일캡 슬래브, 그리고 본체인 바닥 슬래브와 측벽 및 지붕으로 구성되어 있는데, 대부분 초대형 구조물에 속하기 때문에 수화열에 의한 온도균열의 제어대책이 매우 중요한 요인으로 대두되고 있다.
지하식 LNG 저장탱크는 파일캡 슬래브 공사 후 어떤 공사를 진행하는가?
지하식 LNG 저장탱크는 토압 및 지하수압을 견딜 수 있는 지하연속벽(slurry wall) 구조물을 미리 시공한 후에 탱크내부의 굴착작업과 탱크하부의 파일캡 슬래브(pile cap slab) 공사를 선행하게 된다. 뒤이어 본체인 바닥슬래브(bottom slab) 및 측벽(side wall)을 순차적으로 시공한 후에 탱크내부의 바닥에서 지붕(roof) 구조체를 조립한 후 공기부양(air raising)으로 지상까지 인양하여 측벽의 상부에 고정하고 마지막으로 보냉재와 멤브레인을 설치하게 된다.5)특히, 지하식 LNG 저장탱크의 본체 구조물인 바닥슬래브 및 측벽의 두께가 각각 9.
참고문헌 (19)
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JSCE, Specification for Design and Construction of Concrete Structures (Construction part)-Mass Concrete, 1996, pp. 173-193.
KCI(Korea Concrete Institute), Concrete Standard Specifications, Korea Concrete Institute, 2003, pp. 142-157.
ACI(American Concrete Institute) Committee 207., "Effect of Restraint, Volume Change, and Reinforcement on Cracking of Mass Concrete," ACI Manual of Concrete Practice Part 1, 1994, 207.2R.
Yoon, D. Y., Song, H. S., and Min, C. S., "Finite Element Analysis on Hydration Heat of Concrete under the Influence of Reinforcing Steel Bars," International Journal of Concrete Structure and Materials (Korea Concrete Institute), Vol. 19 No. 1E, 2007, pp. 33-39.
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靑木 茂, "地下連續壁におけるコンクリ―トの品質評價に關する硏究," 東北大學校, 工學部 建設材料硏究室, 博士學位論文, 1997, 149 pp.
Kim, J. K. and Muhammad, N. A., "Thermal Stress Simulation of Mass Concrete using Thermal Stress Device," 한국콘크리트학회 봄 학술대회 논문집, 18권, 1호, 2006, pp. 474-477.
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