[논문]환경하중에 의한 연속철근콘크리트(CRCP) 종방향 철근의 구속정도

남정희; 안상혁

doi:10.7855/ijhe.2014.16.6.095

환경하중에 의한 연속철근콘크리트(CRCP) 종방향 철근의 구속정도
Degree of Restraint(DOR) of Longitudinal Steel at Continuously Reinforced Concrete Pavement(CRCP) Against Environmental Loadings 원문보기

한국도로학회논문집 = International journal of highway engineering, v.16 no.6 = no.68, 2014년, pp.95 - 104

남정희 (한국건설기술연구원 SOC연구소 도로포장연구실) , 안상혁 (한국건설기술연구원 SOC연구소 도로포장연구실)

Abstract ▼ AI-Helper

PURPOSES : The purpose of this study is to evaluate the degree of restraint (DOR) of longitudinal steel at continuously reinforced concrete pavement (CRCP) against environmental loadings. METHODS : To measure the longitudinal steel strain, 3-electrical resistance and self-temperature compensation gauges were installed to CRCP test section (thickness = 250mm, steel ratio = 0.7%) and continuously measured 10 min. intervals during 259 days. In order to properly analyze the steel strains first, temperature compensation process has been conducted. Secondly, measured steel strains were divided into 12 phases with different events such as before paving, during concrete hardening, and after first cracking, etc. RESULTS : Thermal strain rate (TSR) concept is defined as the linear strain variations with temperature changes and restraints rate of longitudinal steel against environmental loadings (especially thermal loading) with different cases is defined as degree of restraint(DOR). New concept of DOR could be indirect indicator of crack width behaviors of CRCP. CONCLUSIONS : Before paving, DOR of longitudinal steel is almost same at the coefficient of thermal expansion of steel ($12.44m/m/^{\circ}C$) because of no restraint boundary condition. After concrete pouring, DOR is gradually changed into -1 due to concrete stiffness developing with hydration. After first cracking at crack induced area, values of DOR are around -3~-5. The negative DOR stands for the crack width behavior instead of steel strain behavior. During winter season, DOR reached to -5.77 as the highest, but spring this values gradually reduced as -1.7 as the lowest. Based on this observation, we can presume crack width decreased over time within the time frame of this study. This finding is not consistent with the current theory on crack width variations over time, so further study is necessary to identify the causes of crack width reducing. One of the reasons could be related to concrete stress re-distribution and stress relaxation.

주제어

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 국내에서 시험시공된 CRCP 구간을 대상으로 종방향 철근의 장기거동을 연속계측하고, 계측결과를 정밀분석하여 균열폭 거동을 간접적으로 지수화 할 수 있는 철근구속정도(Degree of Restraint, DOR)라는 개념을 새로이 제시하고자 한다. 또한 제시된 철근구속정도를 바탕으로 환경하중에 따른 CRCP 종방향 철근의 장기거동을 명확하게 분석하고자 한다.
또한 제시된 철근구속정도를 바탕으로 환경하중에 따른 CRCP 종방향 철근의 장기거동을 명확하게 분석하고자 한다.

가설 설정

종방향 철근의 DOR을 계측하기 위하여 A, B구간에서 동일하게 철근변형을 계측하였으나 본 고에서는 A구간의 259일 장기계측 결과만을 대상으로 분석을 수행하였다. 계측기간 동안에는 공사차량 이외의 차량통행은 제한되었으므로, 환경하중으로만 CRCP거동이 계측되었다고 가정하였다.
그러나 TSRcase II의 경우는 온도변화에 따라 실제 철근의 거동이 거의 없는 경우를 나타내며 이때 TSR의 기울기는 0m/m/℃을 나타내게 된다. 이 같은 경우는 콘크리트가 타설된 직후, 콘크리트의 강성(stiffness)이 점차로 증가되면서 철근의 거동을 구속하게 되고, 마침내 온도가 변화하더라도 철근이 움직이지 못하는 경우가 발생될 수도 있는 상황을 가정한 것이다. 또 다른 예는 콘크리트의 경화가 진전되는 동시에, 환경하중에 의해서 CRCP가 구속됨에 따라 양생초기에 콘크리트의 응력이 강도를 넘어서는 시점에서 CRCP에 균열이 발생되는 경우이다.
이는 균열발생부위에서 시간에 따라 균열폭이 서서히 감소되는 경향을 간접적으로 표시하는 지표라고 판단된다. 이 같은 균열폭 감소현상을 원인으로는 CRCP의 특성상 균열이 지속적으로 발생되고, 발생된 균열로 인해 콘크리트 응력이 재분배(stress re-distribution)되고 이에 따라 응력완화(stress release) 현상이 원인 중에 하나일 것이라고 추정해 본다. 현재의 단계에서 명확하게 균열폭 감소원인을 이해하고 설명하기에는 많은 가정이 필요할 것이고 추가적인 연구의 수행이 필요하다고 판단된다.

제안 방법

1. 환경하중에 의해 선형적으로 변화되는 종방향 철근의 변형률의 기울기를 Thermal Strain Rate(TSR)로 정의하고, 구속이 없는 상태의 TSR 기본값(일반적으로 재료의 열팽창계수, COTE)과 현장 계측된 TSR값의 상대적 변화를 Degree of Restraint(DOR)로 정의하고 균열폭 거동의 간접적인 지수로 제안하였다.
CRCP 시공 전 종방향 철근의 DOR를 분석하기 위해서 공사 10일 전부터 철근 게이지의 변형률 및 철근의 온도를 계측하였다. 종방향 철근의 경우 철근의 연속성을 확보하기 위해 엇갈림 배치를 통해 겹이음을 철근 지름의 25배(500mm) 이상 연결하였다.
CRCP 종방향 철근 거동에서 중요한 균열폭 거동을 명확하게 이해하기 위해 국내에서 시험시공된 CRCP 구간을 대상으로 종방향 철근의 거동을 장기계측하고, 계측 결과를 정밀분석하여 균열폭 거동을 간접적으로 지수화할 수 있는 철근구속정도(Degree of Restraint)라는 개념을 새로이 제시하였다. 또한 제시된 철근 구속정도를 바탕으로 환경하중에 따른 CRCP 종방향 철근의 장기거동을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
8과 같이 Phase(단계)를 특정현상(event) 발생시기를 기준으로 구분하였다. Phase Ⅰ의 경우는 콘크리트 타설 전 종방향 철근의 거동을 나타내고 있으며, phase Ⅱ의 경우는 콘크리트가 타설되고 균열유도장치 상부로 첫 번째 균열(2.257days)이 발생되기 직전까지의 종방향 철근의 DOR을 분석하였다. Phase Ⅰ과 Phase Ⅱ사이는 콘크리트가 타설되고 초기 setting이 진행되기 직전까지의 시기로 철근 데이터의 안정화가 이루어지지 않아 분석에서 제외시켰다.
Phase Ⅰ과 Phase Ⅱ사이는 콘크리트가 타설되고 초기 setting이 진행되기 직전까지의 시기로 철근 데이터의 안정화가 이루어지지 않아 분석에서 제외시켰다. Phase Ⅲ의 경우는 균열유도장치에서 약 5440mm에서 추가균열(4.069days)이 발생되기 전까지 종방향 철근의 거동을 분석하였다. 이와 같이 259일 동안의 거동을 12단계로 구분하였으며, 구분시기 및 특정현상에 대해서 Table 2에 정리하였다.
069days에 발생되었다. Phase Ⅳ의 경우는 두 번째 균열이 발생된 시점부터 시공 후 14일간의 기간을 분석하였다. Fig.
계측기간 동안 종방향 철근의 DOR 분석을 용의하게 하기 위해서 Fig. 8과 같이 Phase(단계)를 특정현상(event) 발생시기를 기준으로 구분하였다. Phase Ⅰ의 경우는 콘크리트 타설 전 종방향 철근의 거동을 나타내고 있으며, phase Ⅱ의 경우는 콘크리트가 타설되고 균열유도장치 상부로 첫 번째 균열(2.
균열위치를 미리 확보하기 위하여 균열유도장치(crack inducer)를‘L’자형으로 제작하였으며, 실제로 시공 이틀 후에 균열유도장치 상부에 균열이 성공적으로 유도되었다.
데이터 계측은 Campbell Scientific사에서 제조한 16 채널의 CR-1000을 사용하였으며, 10분 간격으로 모니터링을 수행하였다. 균열위치를 미리 확보하기 위하여 균열유도장치(crack inducer)를‘L’자형으로 제작하였으며, 실제로 시공 이틀 후에 균열유도장치 상부에 균열이 성공적으로 유도되었다.
위치에 따른 각 게이지의 표시(naming)은 Table 1에 정리하였다. 또한 변형률게이지의 온도보정을 하기위하여 게이지 설치위치에 서머커플(thermocouple)을 이용하여 온도를 계측하였다.
CRCP 종방향 철근 거동에서 중요한 균열폭 거동을 명확하게 이해하기 위해 국내에서 시험시공된 CRCP 구간을 대상으로 종방향 철근의 거동을 장기계측하고, 계측 결과를 정밀분석하여 균열폭 거동을 간접적으로 지수화할 수 있는 철근구속정도(Degree of Restraint)라는 개념을 새로이 제시하였다. 또한 제시된 철근 구속정도를 바탕으로 환경하중에 따른 CRCP 종방향 철근의 장기거동을 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
시간에 따른 종방향 철근의 DOR을 효과적으로 분석하기 위하여 철근변형률 게이지를 Fig. 6에서 보는 바와 균열유도장치 위치에 2개, 균열에서 약 450mm 떨어진 부분에 1개 설치하였다. 위치에 따른 각 게이지의 표시(naming)은 Table 1에 정리하였다.
실제 시공은 CRCP의 두께 변화에 대한 영향력을 비교하기위해 두 개 구간(A 구간 : 두께=250mm, 연장=100m, B 구간 : 두께=200mm, 연장=100m)으로 구분하여 시공하였으며, 철근비는 FHWA(1990)의 권장사항을 적용하여 0.7%로 동일하게 설계하였다.
종방향 철근의 DOR 분석을 위해 2013년 9월부터 연속적으로 259일 동안 계측된 결과를 phase별로 12 단계로 나누었고, 계산되어진 TSR를 Eq. (1)에 적용시켜 각 phase별 DOR 값을 Table 3에 정리하였고, 시간축에 따른 DOR의 변화경향을 Fig.
CRCP의 종방향 철근 DOR 분석을 정밀하게 하기 위해에서 게이지 제작회사에서 제시한 온도보정 프로세스(Kyowa Electronic Instruments, 2005) 및 Finke 등(1978)의 연구결과를 참조로 하여 온도보정을 수행하였다. 철근변형률 및 철근위치의 온도를 2013년 9월부터 2014년 6월까지 연속적으로 259일 동안 성공적으로 계측하였다. CRCP 시공위치가 동두천 관내임을 고려할 때 온도변화는 국내의 동절기를 모사하였다고 간주할 수 있으며, Fig.
실제 미국 각 주별 시방서를 분석해 보면 겹이음 길이는 종방향 철근 직경의 25~35배 수준을 유지하고 있다. 콘크리트 타설전 종방향 철근의 자중, 겹이음, 체어(chair) 등의 구속에 의한 구속력을 평가하기 위해서 Fig. 9과 같이 플로팅(plotting)을 통해 TSR 값을 계산하였다. Fig.
CRCP의 종방향 철근(HD-19)은 전체 포장두께의 중심부에 설치되었다. 횡방향 철근(HD-16)은 1200mm간격으로 설치하였고, 세로줄눈부에 설치한 타이바(tie bar)는 횡방향 철근 사이에 HD-16을 1200mm 간격으 로 배치하였다.

대상 데이터

Fig. 5에서와 같이 종방향 철근의 변형을 측정하기 위하여 국내에서 일반적으로 사용되고 있는 전기저항식(electrical resistance) 변형률 게이지인 자체온도보정게이지(self-temperature compensation gauge)를 사용하였으며, 사용 게이지의 열팽창계수는 11.8×10-6m/m/℃이고 게이지 상수 2.11인 값을 사용하였다.
7%로 동일하게 설계하였다. 종방향 철근의 DOR을 계측하기 위하여 A, B구간에서 동일하게 철근변형을 계측하였으나 본 고에서는 A구간의 259일 장기계측 결과만을 대상으로 분석을 수행하였다. 계측기간 동안에는 공사차량 이외의 차량통행은 제한되었으므로, 환경하중으로만 CRCP거동이 계측되었다고 가정하였다.

이론/모형

CRCP의 종방향 철근 DOR 분석을 정밀하게 하기 위해에서 게이지 제작회사에서 제시한 온도보정 프로세스(Kyowa Electronic Instruments, 2005) 및 Finke 등(1978)의 연구결과를 참조로 하여 온도보정을 수행하였다. 철근변형률 및 철근위치의 온도를 2013년 9월부터 2014년 6월까지 연속적으로 259일 동안 성공적으로 계측하였다.

성능/효과

2. 콘크리트가 타설 전 종방향 철근의 TSR 값은 철근의 열팽창계수(COTE; 12.44×10-6m/m/℃)와 유사한 11.21×10-6m/m/℃값을 보였으며, 이는 콘크리트 타설 전 종방향 철근은 거의 구속을 받지 않는다는 것을 보여주는 지표이며, 이는 DOR 값‘0’으로 표현 됨을 알 수 있다.
3. 콘크리트가 타설된 후 경화됨에 따라 종방향 철근은 서서히 구속을 받게 되며, 온도변화에 따라 움직임이 없는 TSR 값‘0m/m/℃’를 나타내며, 이는 구속이 시작되는 시점으로 DOR 값은‘-1’의 범위를 갖게 된다.
4. 균열유도장치 상부에 유도균열이 발생된 직후, 종방향 철근의 변형은 급격하게 증가되고, 이에 따라 철근의 거동은 균열폭 거동으로 전환하게 된다. 따라서 TSR 값은 -29.
5. 약 150일 간의 동절기 기간동안 S-C1960 위치의 TSR 값은 최대 -59.34×10-6m/m/℃값을 가지며, 이에 따른 DOR 값은 -5.77까지 상승하게 된다.
6. 시공 후 200일이 지난 2014년 3월부터 6월까지 종방향 철근의 거동 시 TSR 값은 -8.69×10-6m/m/℃ 로 균열발생 이후 가장 낮은 값을 나타내고, 이때 DOR 값은 -1.7을 보인다.
7. 균열폭 감소원인으로는 CRCP의 특성상 균열이 지속적으로 발생되고, 이로 인해 콘크리트 응력의 재분배, 응력완화현상이 원인 중에 하나일 것이라 추정해본다.
철근변형률 및 철근위치의 온도를 2013년 9월부터 2014년 6월까지 연속적으로 259일 동안 성공적으로 계측하였다. CRCP 시공위치가 동두천 관내임을 고려할 때 온도변화는 국내의 동절기를 모사하였다고 간주할 수 있으며, Fig. 7에서와 같이 9월의 기온과, 익년 6월의 기온이 유사함을 볼 때 환경하중에 의한 종방향 철근의 DOR를 분석하기 좋은 실험조건이라고 할 수 있 다. 균열유도장치 부위에 설치된 S-C1960과 SC6538은 첫 번째 균열(2.
균열유도장치위에 설치된 게이지인 S-C1960과 SC6538의 DOR을 비교해 보면, 균열발생 전인 phase Ⅰ에서는 거의 유사한 거동을 보인다. 첫 번째 균열이 발생된 직후에도 동일한 균열폭 거동(-DOR 거동)을 보이고 있으나, 구속정도의 크기는 시간이 지남에 따라 S-C6538이 S-C1960보다 65% 더 크게 나타났다. 이는 동일한 균열폭 거동을 보이나, 슬래브 단부에서 1960mm 떨어진 S-C1960 보다 6538mm 떨어진 SC6538(슬래브 폭 중심부위)에서 응력을 많이 받는 일반적인 슬래브 거동을 타당하게 대변한다고 할 수 있다.
콘크리트가 경화됨에 따라 강도는 점진적으로 증가되나 이와 동시에 대기온도 및 콘크리트 온도의 지속적인 하강으로 콘크리트가 부담해야 되는 응력이 늘어나고 마침내 시공 이틀 후 새벽(2.257day)에 균열이 균열유도장치 부위에 발생되었으며 콘크리트와 철근이 함께 받던 응력을 철근이 모두 저항하게 됨에 따라 인장변형이 급격하게 증가되는 현상이 발생되었다.
14에서 보이는 전체적인 경향은 확실히 TSR 값이 낮아지는 것을 알 수 있다. 특히 동일한 온도범위를 포함하고 있는 phase Ⅳ와 phase ⅩⅡ를 비교할 경우 명확한 기울기 차이가 보이며 이를 정량화하기 위해 제시된 TSR 값은 타당한 지표라 할 수 있을 것이다.

후속연구

그러나 시간이 지남에 따라 콘크리트의 건조수축 및 컬링 응력의 증가에 따라 균열폭이 증가되고 이는 TSR의 증가로 표현되는 일반적인 M-E 설계법 예측경향과 상이한 계측결과를 설명하기는 쉽지 않다. 다만 CRCP의 특성상 추가적인 균열발생으로 콘크리트 응력이 재분배(stress re-distribution)되고 이에 따라 응력완화(stress release) 현상에 기인된 결과일 수도 있다는 개념적인 추정은 가능할 것이다.
현재의 단계에서 시간이 지남에 따라 명확하게 균열폭 감소원인을 설명하기에는 많은 가정 및 추가적인 연구의 수행이 필요할 것이다. 다만, 본 연구를 통해 CRCP 종방향 철근의 장기계측을 통해 귀납적 방법으로 DOR이 감소되는 경향을 모니터링 했으며, 앞으로도 추가적인 계측 및 DOR분석을 통해 CRCP 균열폭 거동을 명확하게 이해하기 위한 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.
이 같은 균열폭 감소현상을 원인으로는 CRCP의 특성상 균열이 지속적으로 발생되고, 발생된 균열로 인해 콘크리트 응력이 재분배(stress re-distribution)되고 이에 따라 응력완화(stress release) 현상이 원인 중에 하나일 것이라고 추정해 본다. 현재의 단계에서 명확하게 균열폭 감소원인을 이해하고 설명하기에는 많은 가정이 필요할 것이고 추가적인 연구의 수행이 필요하다고 판단된다.
현재의 단계에서 시간이 지남에 따라 명확하게 균열폭 감소원인을 설명하기에는 많은 가정 및 추가적인 연구의 수행이 필요할 것이다. 다만, 본 연구를 통해 CRCP 종방향 철근의 장기계측을 통해 귀납적 방법으로 DOR이 감소되는 경향을 모니터링 했으며, 앞으로도 추가적인 계측 및 DOR분석을 통해 CRCP 균열폭 거동을 명확하게 이해하기 위한 연구를 지속적으로 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Thermal Strain Rate란 무엇인가?	1. 환경하중에 의해 선형적으로 변화되는 종방향 철근의 변형률의 기울기를 Thermal Strain Rate(TSR)로 정의하고, 구속이 없는 상태의 TSR 기본값(일반적으 로 재료의 열팽창계수, COTE)과 현장 계측된 TSR 값의 상대적 변화를 Degree of Restraint(DOR)로 정의하고 균열폭 거동의 간접적인 지수로 제안하였다.
	연속 철근콘크리트포장의 종방향 철근을 설계하기 위하여 고려해야 할 요소로 무엇이 있는가?	일반적으로 AASHTO-86/93 설계기준에 따라 연속 철근콘크리트포장(Continuously Reinforced Concrete Pavement; 이하 CRCP)의 종방향 철근을 설계하기 위해서는 균열간격(crack spacing), 최대균 열폭(crack width), 최대철근응력(steel stress) 등을 검토해야 한다(AASHTO 86/93). 균열간격의 경우 잠 재적 펀치아웃(punchout)과 스폴링(spalling)을 최소 화하기 위해서 1.
	연속 철근콘크리트포장의 종방향 철근을 설계할 때 균열폭 거동이 왜 가장 검토하기 어려운가?	이와 같은 다양한 설계 검토사항 중 가장 검토하기 어 려운 항목이 바로 균열폭 거동이다. 실질적으로 균열폭 거동은 균열발생시기 및 균열발생위치 등에 따라 크기가 다양하며, 동일한 균열이라도 계측위치별, 관찰자별 다양 한 균열폭이 계측될 수 있어 균열폭 거동을 정량화 하기 는 매우 어렵다(Moon 등, 2008). 또한 균열폭 거동은 콘 크리트의 인장강도, 콘크리트의 열팽창계수, 건조수축계 수, 철근의 직경, 철근의 열팽창계수 등과 관계가 있으 며, 환경하중 측면에서는 대기온도 및 습도의 변화, 구속 조건으로는 하부지반의 마찰계수 등과 관련이 있다. 따라 서 이 같은 다양한 변수에 대한 영향을 역학적-경험적 (Mechanistic-Empirical, M-E)으로 반영한 M-E 설 계법의 경우는, 역학적 구조해석과 경험적인 공용성 모델 을 바탕으로 CRCP의 균열폭 거동을 추정할 수 있는 장 점을 가진 설계법으로 평가되고 있다(NCHRP, 2004).

참고문헌 (10)

AASHTO (1993). AASHTO Guide for Design of Pavement Structures, America Association of State and Highway Transportation Officials. Washington., D.C.
FHWA (1990). Continuously Reinforced Concrete Pavement, Technical Advisory, T 5080.14, Federal Highway Administraion, D.C.
Finke, T.E., & Heberling, T.G. (1978). Determination of thermalexpansion characteristics of metals using strain gages. Experimental Mechanics, pp.155-158.
Kohler, E.R (2005) Experimental Mechanics of Crack Width in Full-Scale Sections of Continuously Reinforced Concrete Pavements, Doctoral Dissertation, Univerisyt of Illinois at Urbana-Champaign, IL
Kyowa Electronic Instruments (2005). What's a strain gage. KYOWA Electronic Instruments Co., LTD.
McCullough, B.F., Abou-Ay yash, A., Hudson, W.R., and Randall, J.P. (1975) Desvign of Continuously Reinforced Concrete Pavement for highways, Final Report, Research Project NCHRP 1-15, Prepared for Transportation Research Board, National Cooperative Highway Research Program, National Academy of Sciences.
Nam, J.H.,(2005) Early-age Behavior of CRCP and Its Implications for Long-Term Performance, Doctoral Dissertation, The University of Texas at Austin, Austin, Texas
Nam, J.H., Kim,D.H, Choi, S.C, and Won, M.C. (2007) Variation of Crack Width over time in Continuously Reinforced Concrete Pavement, Transportation Research Record, Vol.2037, 2007 Rigid and Flexible Pavement Design
NCHRP (2004). Guide for Mechanistic-Mepirical Design of New and Rehabilitated Pavement Structures, Final Report, 1-37A, AASHTO Guide for Design of Pavement Structures, Transportation Research Board, National Research Council.
Won, M.C., Choi, S.C, and Nam, J.H. (2008) Behavior and Performance of Continuously Reinforced Concrete Pavement, 9th International Conference on Concrete Pavements, International Society for Concrete Pavements

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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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