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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 PSC Box 거더의 단부 균열을 방지하기 위하여 균열 원인을 규명하고자 한다.
제안 방법
- PSC 거더 정착구 부근의 철근 배근 측정을 위해 철근레이더 NJJ-85A를 이용하였으며, Fig. 7에 나타낸 1구역과 2구역에서 수직, 수평방향으로 철근을 측정하였다. 측정결과와 배근도를 비교한 결과는 Table 4와 Fig.
- icamscope 전자 현미경을 이용하여 40배율로 균열폭을 측정하였다. 측정위치는 Fig.
- 거더의 수화열 측정을 위해 Fig. 9에 나타낸 바와 같이, 수화열이 가장 높을 것으로 예측되는 단부 중앙부와 온도변화가 가장 심할 것으로 예측되는 벽체 외측부에 온도게이지를 설치하였다. 측정 장비는 K社의 UCAM20PC를 사용하였으며, 측정시간은 1시간 단위로 측정하였으며, 총 72시간을 측정하였다.
- 시공이 완료된 거더 중 균열이 가장 심한 거더의 균열을 육안으로 검토하여 균열도를 Fig. 2와 같이 작성하였다.
- 이로 인하여 자기충전성을 갖는 고유동 콘크리트를 계획함으로써 타설 인력의 숙련도에 좌우되지 않고, 다짐작업을 생략할 수 있으며, 관련 작업의 효율화와 구조물 품질의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 고유동 콘크리트를 사용하게 된다. 이러한 고유동 콘크리트는 현대개념에 부응하는 양호한 시공성을 확보할 수 있다는 점 이외에 많은 단위시멘트량 등 분체량의 증가에 따라 수화열, 건조수축 및 자기수축 등에 의한 균열이 문제로 대두되기도 한다.
- 9에 나타낸 바와 같이, 수화열이 가장 높을 것으로 예측되는 단부 중앙부와 온도변화가 가장 심할 것으로 예측되는 벽체 외측부에 온도게이지를 설치하였다. 측정 장비는 K社의 UCAM20PC를 사용하였으며, 측정시간은 1시간 단위로 측정하였으며, 총 72시간을 측정하였다. 거더의 증기양생 온도는 1시간까지 24℃까지 올렸으며, 3시간 동안 약 26℃를 유지하였다.
대상 데이터
- 12~Fig. 13에 나타낸 바와 같이 외부의 경우 절점 6102는 단부 표면에서 1 m, 절점 1418은 3 m 떨어진 2곳을 선정하였고, 내부의 경우 단부 중심에서 절점 6048은 1 m, 절점 189는 2 m 떨어진 2곳을 선정하였다.
- 수치해석은 Fig. 11에 나타낸 바와 같이 7596개의 절점과 5710개의 3차원 솔리드 요소로 모델링하여 수행하였다. 시간에 따른 응력이력 검토 위치는 Fig.
데이터처리
- 대상 거더의 수화열 해석은 범용 구조해석 프로그램인 Midas Civil을 이용하였으며, 콘크리트의 재료특성과 해석조건은 Table 6에 나타낸 바와 같다.
이론/모형
- 균열의 깊이는 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 Pundit plus를 이용하여 Fig. 6의 위치에서 초음파 전달속도법에 의하여 측정하였다. Table 3은 균열깊이와 폭을 측정한 결과로 가장 심각한 균열의 경우 72 mm까지 발생한 것으로 나타났다.
성능/효과
- (1) 균열이 발생된 거더는 구조적 원인에 의한 것은 아니며, 비구조적인 원인에 의한 것으로 판단된다.
- (2) 고유동 콘크리트를 사용한 매스콘크리트의 경우 부재의 크기와 단위 분체량에 의한 수화열 및 건조수축의 증가로 단부 측벽면의 균열지수가 0.57로 나타나, 균열발생 가능성이 높은 것으로 나타났다. 또한, 단부 중앙부와 정착구 면의 균열지수는 각각 20과 1.
- (3) 고유동 콘크리트를 사용하는 PSC거더의 배합설계 시 슬럼프 플로우는 600±50 mm 이상으로 조정하는 것이 바람직한 것으로 판단되며, 슬럼프 플로우 조절은 적절한 방법을 통하여 실시하여야 하며, 배합설계 된 단위수량 이상을 첨가할 경우 건조수축 등을 유발할 수 있으므로 이에 대한 주의가 필요하다.
- (4) 증기양생에 의한 보온성 확보와 습윤상태 유지를 유지함으로써 대단면에서 주로 발생하는 부등건조수축, 표면부 건조수축 및 자기수축에 의한 균열 발생을 억제할 수 있다.
- 균열발생 가능성을 평가하는 균열지수 (Icr=인장응력/콘크리트인장강도)는 콘크리트의 인장강도의 평가기준에 따라 다소 상이하게 평가되며, 구조물에 배근되는 철근량에 따라 동일한 구조물이라도 균열 갯수, 폭 등이 차이가 있을 수 있으나, 콘크리트 표준시방서에서 제안하는 인장강도 평가기준에 따라 균열지수를 평가한 결과, Table 11에 나타낸 바와 같이 단부 측벽면의 균열지수가 0.57로 나타나 균열발생 가능성이 높은 것으로 나타났다. 또한 단부 중앙부와 정착구 면의 균열지수는 각각 20과 1.
- 한편, 고로슬래그 미분말을 혼입한 경우의 자기수축의 지연이 발생하는 이유는 낮은 외기온도에 의해 수화온도가 약 10시간 지연되어 나타나기 때문이라 판단된다. 따라서 증기양생하는 매스 콘크리트의 수화열에 의한 구속응력과 고유동 콘크리트의 자기수축 및 부등 건조수축에 의한 인장응력이 균열발생을 가속화한 것으로 판단된다.
- 또한 고유동 콘크리트에 사용된 분체량이 일본토목학회 규정에는 만족하는 것으로 나타났다. 일반적으로 분체계 고유동 콘크리트는 소요의 점성을 확보하기 위하여 최소한의 분체량이 필요하지만, 소요 점성을 만족하는 분체량 이상을 사용함으로써 과도한 강도 발현 및 이에 따른 수화열이 증가되었다.
- 7℃로 유사한 결과를 얻어, 수치해석의 신뢰성을 확인할 수 있었다. 이로부터 내‧외부 온도 차를 20℃ 이하로 유지할 경우 균열지수는 1.0이상으로 나타나, 양생시 온도는 내외부 온도차의 관리가 주요 사항이며, 이를 20℃ 이내로 관리하는 것이 바람직함을 알 수 있었다.
- 10은 거더 단부의 중심부와 벽체부 그리고 증기양생 온도와 외기 온도를 나타낸 것이다. 타설 완료 후부터 약 10시간까지는 수화열이 서서히 증가하다가 10시간 후부터 급격히 증가하는 것으로 나타났다
후속연구
- 한편, 본 연구에서 다루는 균열은 콘크리트구조설계기준(2007)중 사용성 및 내구성편에 명시된 구조균열 폭인 0.3 mm 이하의 미세균열로 구조적인 문제점은 없으며, 콘크리트의 구조물에서는 균열의 발생은 불가피한 현상이라는 측면에서는 큰 문제가 없으나, PSC 거더의 정착구 부근에는 큰 응력을 받게 되므로, 강선의 긴장 이전에 발생한 균열에 대해서는 그 유해성을 검토할 필요가 있고, 발주자 및 사용자가 심리적 불안을 느낄 수 있기 때문에 이에 대한 관리가 필요하다.
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