[논문]건조수축에 따른 균열 방지를 위한 콘크리트 슬래브의 정량적 줄눈 간격 산정

이수진; 이회근; 이승훈; 원종필

doi:10.4334/jkci.2011.23.3.289

건조수축에 따른 균열 방지를 위한 콘크리트 슬래브의 정량적 줄눈 간격 산정
Quantitative Estimation of Joint Spacing for Concrete Slab to Prevent Cracking of Drying Shrinkage 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.23 no.3, 2011년, pp.289 - 294

이수진 (건국대학교 사회환경시스템공학과) , 이회근 (삼성물산(주) 건설부문 기술연구센터 기반기술연구소) , 이승훈 (삼성물산(주) 건설부문 기술연구센터 기반기술연구소) , 원종필 (건국대학교 사회환경시스템공학과)

초록
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콘크리트 슬래브의 수축으로 인해 발생하는 응력에 의한 무분별한 균열을 억제하기 위해 줄눈을 설치한다. 그러나 설치된 줄눈의 간격은 구체적인 산출 근거나 정량적인 기준 없이 경험적으로 나누어지고 있다. 따라서 이 연구에서는 콘크리트 슬래브의 수축 응력에 의한 변형량을 측정하고 이에 따른 정량적인 평가 기준을 제시하고자 한다. 노출된 환경 조건은 온도 $15^{\circ}C$, 상대습도 60%를 적용하였다. 건조수축 실험은 현재 슬래브 설계에 많이 사용되는 설계 강도 30 MPa 및 40 MPa 배합을 사용하였고 그 결과를 기존 건조수축 모델에 적용하였다. 그 결과 ACI 209R 모델에 가장 일치하는 것으로 나타났으며 이를 바탕으로 콘크리트 슬래브의 정량적인 줄눈 간격을 산정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The installation of joint is to prevent random cracking due to drying shrinkage stress of concrete slab. However contraction joint spacing is empirically implemented into slab constructions without detail calculation based on quantitative criteria. In this study, shrinkage strain of concrete due to concrete shrinkage stress was measured to suggest joint spacing based on the study results. The test environmental conditions were applied temperature of $15^{\circ}C$ and relative humidity of 60%. The design compressive strength used was 30 MPa and 40 MPa, which are currently used in concrete slab designs. The drying shrinkage test result was applied to drying shrinkage models (ACI 209R, CEB MC 90, B3, GL 2000 and Sakata). The results showed that the most appropriate model was ACI 209R model. Based on the research findings, quantitative contraction joint spacing locations were calculated.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

¹⁹⁾ 실제 1999년 이전에는 국내에서도 사용되었으나 개정된 콘크리트구조설계 기준에서는 CEB MC 90 모델의 규정을 따르고 있다. CEB MC 90 모델도 경험적인 모델로 유럽을 중심으로 실시한 실험 결과를 바탕으로 정립되었다. ACI 209R 모델과 그 개념이 유사하며 양생 기간 및 조건, 평균 상대 습도, 부재의 크기를 고려한다.
이와 같이 앞서 언급된 지반위에 놓인 콘크리트 슬래브의 줄눈 간격 규정은 모두 구체적인 산출 근거 없이 경험적으로 나누어진 기준이다. 따라서 이 연구에서는 2000~2009년 서울지역 연평균 온도 및 습도를 기준으로 한 환경 인자에 노출된 콘크리트 슬래브의 건조수축 시험을 실시하여 국내 실정에 맞는 줄눈 간격의 정량적인 산정을 제시하고자 한다.
따라서 이 연구에서는 국내의 환경 조건을 적용하여 건조수축 시험을 실시하였다. 또한 이를 통해 콘크리트 건조수축의 정량적인 줄눈 간격을 산정하고자 한다.

가설 설정

24) 기준 시험체의 일반적인 수축량은 780 × 10–6 정도이고12) 이 연구에서는 실제 재령 56일의 실험 결과값을 적용하였고 이를 수렴한 수축량으로 가정하였으며 설계 강도 30 MPa은 376 × 10-6, 40 MPa은 590 × 10-6을 적용하였다.
⁶⁾ 지반위에 놓인 슬래브(slabs on grade)의 경우 노상과 접해있어 콘크리트의 건조수축 뿐만 아니라 노상의 강도, 마찰 계수, 연속성, 시공 방법 및 품질과 재하되는 하중의 크기 및 위치 등에 의한 영향도 함께 받는다. 그러나 이러한 인자들에 의한 노상의 변형은 슬래브의 컬링으로 인한 응력에 비해 상대적으로 자유롭다고 가정하고 있다. 이로 인해 지반위에 놓인 무근 콘크리트 슬래브의 건조수축에 의한 영향만을 고려하고 최대 줄눈 간격을 슬래브 두께(mm)의 24~36배로 나누고 있다.
3과 같다. 지면과 접해있는 콘크리트 슬래브(slabs on ground)의 경우 외부에 노출되어 있는 윗면과 달리 아랫면은 일정한 상대습도를 유지하고 있다고 가정한다. 따라서 구속없이 자유 수축이 발생하는 슬래브 윗면은 체적-단면적비를 고려하지 않고 노출된 환경에 대한 보정계수만을 적용한다.

제안 방법

또한 Table 4는 미국 PCA에서 제시하는 플레인 콘크리트 슬래브의 줄눈 간격으로 슬래브 두께의 24~36배를 한 값이다.²⁵⁾ 경험적으로 많이 사용되는 값과 비교를 위해 슬럼프 127 mm와 슬래브 두께 175 mm를 동일하게 하였고 굵은골재 최대치수는 25 mm를 적용하였다. 그 결과 계산된 값은 각각 5.
3) 실험 결과와 유사한 ACI 209R 모델의 보정 계수를 실제 실험값에 적용하여 최대 줄눈 간격을 산정하였다. 그 결과 현재 경험적으로 적용되고 있는 줄눈 간격과 유사한 값이 나타났으며 이는 PCA에서 제시하는 줄눈 간격과도 유사한 값으로 나타났다.
건조수축 실험을 통해 얻은 결과를 바탕으로 ACI 209R 모델의 보정 계수를 적용하여 줄눈 간격을 산정하였는데 이를 위한 흐름도는 Fig. 3과 같다. 지면과 접해있는 콘크리트 슬래브(slabs on ground)의 경우 외부에 노출되어 있는 윗면과 달리 아랫면은 일정한 상대습도를 유지하고 있다고 가정한다.
이 연구에서는 국내 연평균 기온에 노출된 설계강도 30 MPa, 40 MPa의 콘크리트의 건조수축 실험을 실시하였고 그 결과를 기존의 모델과 비교하였다. 그 중 가장 유사한 경향을 나타내는 모델을 선정하고 이를 바탕으로 콘크리트 슬래브의 최대 줄눈 간격을 산정하였다.
그러나 이 모델들에 의해 예측된 건조수축량은 국내 실정과는 달라 실제 실험값에 비해 높거나 낮게 예측되는 경우가 많다. 따라서 이 연구에서는 국내의 환경 조건을 적용하여 건조수축 시험을 실시하였다. 또한 이를 통해 콘크리트 건조수축의 정량적인 줄눈 간격을 산정하고자 한다.
굳지 않은 콘크리트의 슬럼프는 180 mm, 공기량은 4%로 고정하였다. 목표 슬럼프와 공기량을 확보하기 위하여 폴리카본산계의 고유동화제를 첨가하였으며 소요의 공기량 확보를 위해 공기 연행제를 사용하였다. 실험에 사용된 배합비는 Table 2에 나타내었다.
이때 매립형 변형률 게이지는 시험편 상하부의 불균등 건조수축을 방지하기 위해 시험편의 정중앙에 설치하였다. 배합별로 2개씩 2회 반복하여 시험편을 제작하였다. 측정은 타설 직후 실시하였으며 초기 24시간 동안의 콘크리트의 수축 또는 팽창을 살펴본 후 재령 1일 이후 재령 5일, 7일의 건조수축량을 측정하였다.
이 연구에서는 국내 연평균 기온에 노출된 설계강도 30 MPa, 40 MPa의 콘크리트의 건조수축 실험을 실시하였고 그 결과를 기존의 모델과 비교하였다. 그 중 가장 유사한 경향을 나타내는 모델을 선정하고 이를 바탕으로 콘크리트 슬래브의 최대 줄눈 간격을 산정하였다.
콘크리트 슬래브에 발생하는 균열은 심각한 구조적 문제를 야기할 수도 있으며 외관의 손상은 물론 균열로 인해 철근이 대기나 습기에 노출될 경우 부식을 유발하여 내구성의 저하를 야기하기도 한다. 이에 슬래브 내부의 수축으로 인한 응력의 크기를 적정값으로 제안하기 위해 최대 건조수축에 도달하지 않는 범위 내에서 줄눈을 설치하여 슬래브 내의 인장응력의 크기를 제어한다.²⁾ 그러나 구조적으로 줄눈 자체가 취약부가 되어 콘크리트 슬래브의 조기 파손의 원인이 된다.
배합별로 2개씩 2회 반복하여 시험편을 제작하였다. 측정은 타설 직후 실시하였으며 초기 24시간 동안의 콘크리트의 수축 또는 팽창을 살펴본 후 재령 1일 이후 재령 5일, 7일의 건조수축량을 측정하였다. 재령 7일 이후에는 7일 간격으로 재령 56일까지 측정하였다.
콘크리트 건조수축 실험은 KS F 2424 규정에 따라 100 × 100 × 400 mm의 각주형 시험체을 사용하였고 시험편 내부에 매립된 변형률 게이지는 일본 T사의 PMFL-60-2LT를 이용하여 변형률 값을 자동 측정하였다.

대상 데이터

이 연구에 적용된 외기 조건은 2000~2009년 서울 지역의 연평균 기온 및 습도 중 가장 많은 빈도수를 나타낸 환경 조건으로 하였다. 하절기 및 동절기를 제외하고 가장 많은 빈도수를 나타낸 외기 조건은 온도 15 ℃, 상대습도 60%이다.
콘크리트 슬래브의 건조 수축량을 측정하기 위해 실제 현장에서 가장 많이 적용되고 있는 설계 강도 30 MPa 및 40 MPa을 사용하였다. 굳지 않은 콘크리트의 슬럼프는 180 mm, 공기량은 4%로 고정하였다.

데이터처리

또한 설계 강도별 건조수축 실험 결과를 가장 일반적으로 사용되는 기존의 모델과 비교하여 나타내었다. 설계 강도에 대한 건조수축 예측값의 경우 ACI 209R 모델의 경우 단위 시멘트량을, CEB MC 90 모델, B3, GL 2000 모델의 경우 재령 28일의 평균 압축강도를, Sakata 모델은 단위 수량을 최대 영향 인자로 적용하고 있다.

성능/효과

1) 국내 서울 지역 연평균 기온 중 가장 많은 빈도수를 나타낸 온도 15 ℃, 상대습도 60%에 노출된 콘크리트 시험편의 재령별 건조수축 결과 설계 강도 40 MPa의 시험편이 30 MPa의 건조수축보다 크게 나타났다. 이는 단위 시멘트량이 증가함으써 직접적으로 수축에 관여하는 시멘트 페이스트의 체적이 상대적으로 많아지고 이로 인해 수축이 크게 나타나기 때문이다.
2) 설계 강도별 건조수축 실험 결과를 ACI 209R 모델, CEB MC 90 모델, B3 모델, GL 200모델 그리고 Sakata 모델과 비교한 결과 Sakata 모델을 제외한 나머지 모델은 실제 실험값에 비해 과소평가되는 경향으로 나타났다. 그러나 실제 실험값은 ACI 209R 모델 예측값과 동일한 경향을 나타냈으며 특히 설계강도 30 MPa의 경우 ACI 209R 모델과 거의 일치하는 경향으로 나타났다.
계산한 결과 설계강도 30 MPa의 경우 슬래브 두께 180 mm를 적용하였을 때 최대 줄눈 간격은 5.10 m, 설계강도 40 MPa은 5.04 m로 나타났다. 계산된 값은 현재 경험적으로 나누고 있는 줄눈 간격과 유사한 값이다.
²⁵⁾ 경험적으로 많이 사용되는 값과 비교를 위해 슬럼프 127 mm와 슬래브 두께 175 mm를 동일하게 하였고 굵은골재 최대치수는 25 mm를 적용하였다. 그 결과 계산된 값은 각각 5.38 m와 5.29 m이고 PCA에서 제시한 값은 5.25 m로 유사하게 나타났다. 이와 같이 슬래브 두께 및 굵은 골재의 최대 치수를 고려하여 경험적으로 줄눈 간격을 나누던 종래의 방법을 정량적인 식의 정립을 통해 정확한 값을 구할 수 있다.
3) 실험 결과와 유사한 ACI 209R 모델의 보정 계수를 실제 실험값에 적용하여 최대 줄눈 간격을 산정하였다. 그 결과 현재 경험적으로 적용되고 있는 줄눈 간격과 유사한 값이 나타났으며 이는 PCA에서 제시하는 줄눈 간격과도 유사한 값으로 나타났다. 이로 인해 경험적으로 줄눈 간격을 나눠오던 종래의 방법을 정량적인 수식으로 정립하여 정확하게 산정할 수 있다.
2) 설계 강도별 건조수축 실험 결과를 ACI 209R 모델, CEB MC 90 모델, B3 모델, GL 200모델 그리고 Sakata 모델과 비교한 결과 Sakata 모델을 제외한 나머지 모델은 실제 실험값에 비해 과소평가되는 경향으로 나타났다. 그러나 실제 실험값은 ACI 209R 모델 예측값과 동일한 경향을 나타냈으며 특히 설계강도 30 MPa의 경우 ACI 209R 모델과 거의 일치하는 경향으로 나타났다.
¹⁷⁾그러나 모델을 통해 예측된 건조수축이 발생하는 경향 및 그 값이 실제 실험 값과 가장 유사하다. 따라서 예측된 최종 수축량이 작고 빠른 시간내 수렴에 가까운 경향을 가지는 CEB MC 90 모델에 비해 더 적합하다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트 구조물에 발생하는 균열의 내부 요인에는 무엇이 있는가?	콘크리트 구조물에 발생하는 균열의 내부 요인은 건조 수축, 수화열, 이상 응결, 알칼리-골재 반응 등이고 외부 요인은 과 하중, 외부의 온도 변화, 동결 융해, 부등 침하 등이 있다. 이와 같은 균열 발생 요인 중 건조수축이나 온도 변화에 의한 균열 발생은 전체 균열의 90%이상을 차지하고 있다.
	콘크리트 슬래브는 언제부터 건조되기 시작하는가?	콘크리트 슬래브는 타설 후 외부와 접하면서 건조되기 시작한다. 건조가 시작된 외부의 콘크리트는 수축하는 반면 그 내부는 수분을 가지고 있어 외부의 수축 작용을 구속하게 된다.
	수축 거동을 미리 파악하여 이로 인한 균열을 방지하는 것이 콘크리트 구조물의 건조수축을 예측하는 가장 큰 목적인 이유는 무엇인가?	콘크리트 구조물에 발생하는 균열의 내부 요인은 건조 수축, 수화열, 이상 응결, 알칼리-골재 반응 등이고 외부 요인은 과 하중, 외부의 온도 변화, 동결 융해, 부등 침하 등이 있다. 이와 같은 균열 발생 요인 중 건조수축이나 온도 변화에 의한 균열 발생은 전체 균열의 90%이상을 차지하고 있다. 따라서 콘크리트 구조물의 건조수축을 예측하는 가장 큰 목적은 수축 거동을 미리 파악하여 이로 인한 균열을 방지하기 위함이다.

참고문헌 (28)

한국콘크리트학회, 최신콘크리트공학, 기문당, 2005, 844 pp.
이홍재, "팽창줄눈 간격의 이론적 산정," 중앙대학교 건설대학원 석사논문, 1999.
한국콘크리트학회, 콘크리트구조설계기준 해설, 기문당, 2008, 523 pp.
한국도로공사, 도로설계요령, 2002.
국토해양부, 도로설계편람, 2000.
ACI 224.3R-95, Joints in Concrete Construction, American Concrete Institute, ACI Committee 224, pp. 2-3.
ACI 360R-06, Design of Slabs-on-Ground, ACI Committee 360, pp. 23-28.
ACPA, Design and Construction of Joints for Concrete Streets, American Concrete Pavement Association, 1992, IS061.01P, pp. 1-12.
ACI 302.1R-96, Guide for Concrete Floor and Slab Construction, ACI Committee 302, 10 pp.
Bogemconcrete.com/Concrete-tips, Concrete Parking Area Construction.
Bazant Z. P., "Prediction of Concrete Creep and Shrinkage: Past, Present and Future," Nuclear Engineering and Design, Vol. 203, 2001, pp. 27-38.

상세보기
ACI 209R-92, Prediction of Creep, Shrinkage, and Temperature Effects in Concrete Structure, American Concrete Institute, ACI Committee 209, 6 pp.
CEB-FIP Model Code 1990, Comite Euro International Du Beton, 1991, 57 pp.
Bazant, Z. P. and Kim, J. K., "Improved Prediction Model for Time-Dependent Deformations of Concrete : Part 1-Shrinkage," Materials and Structures, Vol. 24, 1991, pp. 327-345.

상세보기
Gardner, N. J. and Lockman, M. J., "Design Provisions for Drying Shrinkage and Creep of Normal Strength Concrete," ACI Materials Journal, Vol. 98, No. 2, 2001, pp. 159-167.

상세보기
Sakata, K., "Prediction of Concrete Creep and Shrinkage, Creep and Shrinkage of Concrete," Proceedings of the 5th International RILEM Symposium, London, UK, 1993, pp. 649-654.
ACI 209.2R-08, Guide for Modeling and Calculating Shrinkage Shrinkage and Creep in Hardened Concrete, ACI Committee 209, 16 pp.
McDonald, D. B. and Roper, H., Accuracy of Prediction Model for Shrinkage of Concrete, ACI Material Journal, Vol. 90, 1993, pp. 265-271.
Akthem, Al-M. and Lam, J. P., "Statistical Evaluation of Shrinkage and Creep Models," ACI Material Journal, Vol. 102, No. 3, 2005, pp. 170-176.
전쌍순, 박태균, 황택진, 엄장섭, 진치섭, "콘크리트 크리 프와 건조수축의 CEB-FIP 모델코드와 ACI 코드의 비교," 부산대학교 생산기술연구소논문집, 61권, 2002, pp. 63-73.
Bazant, Z. P. and Li, G. H., "Unbiased Statistical Comparison of Creep and Shrinkage Prediction Models," ACI Material Journal, Vol. 105, No. 6, 2008, pp. 610-622.
ACI 308-81, Standard Practice for Curing Concrete, ACI Manual of Concrete Practice, Part 2, ACI Committee 308, 2001.
Bazant, Z. P. and Xi, Y., "New Test Method to Separate Microcracking from Drying Creep: Curvature Creep at Equal Bending Moment and Various Axial Forces, Creep and Shrinkage of Concrete," Proceeding of the Fifth International RILEM Symposium, 1993, pp. 77-82.
Miltenberger, M. A. and Attiogbe, E. K., "Shrinkage-Based Analysis for Control Joint Spacing in Slab on Ground," ACI Structural Journal, Vol. 99, No. 3, 2002, pp. 352-359.
Tarr, S. M. and Farny, J. A., Concrete Floors on Ground, Portland Cement Association, 4th Edition, 2008, pp. 91-109.
Merril, W. S., "Prevention and Control of Cracking in Reinforced Concrete Building," Engineering News-Record, Vol. 131, No. 23, 1943, pp. 91-93.
Fintel, M., Joints in Building, Handbook of Concrete Engineering, New York, Van Nostrand Reinhold Company, 1974, pp. 94-110.
Wood, R. H., "Joints in Sanitary Engineering Structures," Concrete International, Vol. 3, No. 4, 1981, pp. 53-66.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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