현재까지 발표된 크기효과법칙은 보통중량 콘크리트에 기반하고 있어 파괴특성이 다른 경량골재 콘크리트에서는 그 활용성이 의문시되고 있다. 따라서 이 연구에서는 콘크리트의 기건단위질량이 압축강도의 크기효과에 미치는 영향을 예측할 수 있는 모델을 개발하고 기존 연구결과들을 모아 데이터베이스화하였다. 그리고 비선형 파괴역학에 근거한 Ba${\check{z}}$ant와 Kim and Eo의 예측모델 및 이 연구에서 제안한 식에 대한 실험상수들을 결정한 후, 상호 비교 분석하였다. 그 결과, 콘크리트의 기건단위질량을 고려한 본 연구의 예측모델이 Ba${\check{z}}$ant와 Kim and Eo의 예측모델보다 경량골재 콘크리트에 대한 실험결과를 더 잘 예측하고 있음을 알 수 있었다.
현재까지 발표된 크기효과법칙은 보통중량 콘크리트에 기반하고 있어 파괴특성이 다른 경량골재 콘크리트에서는 그 활용성이 의문시되고 있다. 따라서 이 연구에서는 콘크리트의 기건단위질량이 압축강도의 크기효과에 미치는 영향을 예측할 수 있는 모델을 개발하고 기존 연구결과들을 모아 데이터베이스화하였다. 그리고 비선형 파괴역학에 근거한 Ba${\check{z}}$ant와 Kim and Eo의 예측모델 및 이 연구에서 제안한 식에 대한 실험상수들을 결정한 후, 상호 비교 분석하였다. 그 결과, 콘크리트의 기건단위질량을 고려한 본 연구의 예측모델이 Ba${\check{z}}$ant와 Kim and Eo의 예측모델보다 경량골재 콘크리트에 대한 실험결과를 더 잘 예측하고 있음을 알 수 있었다.
Since the size effect law announced currently has been based on the normal weight concrete, for light weight concrete having different fracture characteristics, its application is questionable. Accordingly, in this study, a model equation to predict the effect of dried unit weight of the concrete on...
Since the size effect law announced currently has been based on the normal weight concrete, for light weight concrete having different fracture characteristics, its application is questionable. Accordingly, in this study, a model equation to predict the effect of dried unit weight of the concrete on size effect of its compressive strength was developed and a database using existing research results was created. After determining the experimental constants of prediction models of Ba${\check{z}}$ant based on nonlinear fracture mechanics, Kim and Eo, and this study using the database, their results are mutually compared. Finally, it was found that the prediction model of this study considered dried unit weight of concrete predicted well the test results for light weight concrete than that of the models of Ba${\check{z}}$ant and Kim and Eo.
Since the size effect law announced currently has been based on the normal weight concrete, for light weight concrete having different fracture characteristics, its application is questionable. Accordingly, in this study, a model equation to predict the effect of dried unit weight of the concrete on size effect of its compressive strength was developed and a database using existing research results was created. After determining the experimental constants of prediction models of Ba${\check{z}}$ant based on nonlinear fracture mechanics, Kim and Eo, and this study using the database, their results are mutually compared. Finally, it was found that the prediction model of this study considered dried unit weight of concrete predicted well the test results for light weight concrete than that of the models of Ba${\check{z}}$ant and Kim and Eo.
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문제 정의
본 연구의 목적은 콘크리트의 기건단위질량을 고려하여 압축강도의 크기효과에 대한 예측모델을 개발하는 것이다. 이를 위해 비선형 파괴역학에 기반한 Bažant5)와 Kim and Eo7)의 예측모델들을 분석하여 콘크리트의 기건단위 질량을 고려한 압축강도의 크기효과에 대한 예측모델을 제시하였다.
이 연구에서는 콘크리트의 기건단위질량을 고려한 압축강도의 크기효과에 대한 예측모델의 개발하고 기존 연구결과를 데이터베이스화하여 몇몇 연구자들의 연구결과와 비교․분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
2-4) Weibull은 Griffith의 가정을 도입하여 선형탄성 파괴역학에 근거한 통계적 접근 방법에 의해 최초로 크기효과법칙(size effect law)을 제시하였다.5) 그러나 콘크리트의 파괴는 미세균열영역의 발달과 함께 주균열이 서서히 발생되면서 일어난다.6) 이는 선형탄성 파괴역학의 가정과 모순되며 이를 해결하기 위해 비선형 파괴역학이 도입되었다.
① 콘크리트의 파괴가 일어날 때 소요되는 총에너지 해방량은 균열길이의 함수이고, 균열진행영역의 면적에 비례한다.
③ 콘크리트의 균열진행영역의 면적은 압축강도와 콘크리트의 기건단위질량에 반비례한다.
a)에 비례한다는 것이다. 균열진행영역의 면적은 균열길이와 균열 폭(nda)의 곱으로 계산되며, 균열의 폭은 균열의 진행양상을 분석하여 굵은골재 최대치수에 비례한다고 가정했다. 그러나 Bažant의 크기효과 모델은 공시체의 크기가 증가함에 따라 압축강도가 지속적으로 감소하여 Fig.
이 모델의 기본가정은 콘크리트 공시체의 균열진전에 필요한 에너지는 균열길이(a)와 균열진행영역의 면적(ndaa)에 비례한다는 것이다. 균열진행영역의 면적은 균열길이와 균열 폭(nda)의 곱으로 계산되며, 균열의 폭은 균열의 진행양상을 분석하여 굵은골재 최대치수에 비례한다고 가정했다.
제안 방법
2) 이에 이 연구에서는 비선형 파괴역학에 기반한 Bažant 와 Kim and Eo의 예측모델들을 분석하고 콘크리트의 기건단위질량을 고려한 압축강도의 크기효과에 대한 예측모델을 제시하였다.
이를 통해 최초 균열을 발생시키는데 필요한 응력으로 생각할 수 있는 상수항을 도입하였다. 또한 콘크리트의 제조를 위해 사용되는 굵은골재의 최대치수는 20~70 mm로 굵은골재의 최대치수가 미세균열영역의 폭에 미치는 영향이 크기 않음으로 굵은골재 최대치수의 영향을 무시하였다. Kim and Eo의 크기효과 모델은 Fig.
이 연구에서 제안된 예측모델은 기건단위질량을 포함한 d(ρc /ρ0)를 주요 변수로 포함하고 있다.
이 연구에서는 콘크리트의 크기효과에 대한 기존연구 결과들1,2,13-18)을 데이터베이스로 구축하였다. 데이터베이스에서 정보가 제공되지 않은 공시체들의 기건단위질량은 제시된 배합표를 이용하여 ACI3188)에 제시된 기건단위질량 예측모델에 의해 계산하였다.
본 연구의 목적은 콘크리트의 기건단위질량을 고려하여 압축강도의 크기효과에 대한 예측모델을 개발하는 것이다. 이를 위해 비선형 파괴역학에 기반한 Bažant5)와 Kim and Eo7)의 예측모델들을 분석하여 콘크리트의 기건단위 질량을 고려한 압축강도의 크기효과에 대한 예측모델을 제시하였다. 또한 예측모델의 정확성을 평가하기 위해 기존 연구결과들을 데이터베이스화하여 이 연구에서 제시한 모델을 Bažant5)와 Kim and Eo7)의 모델과 비교하였다.
)는 상수가 아니라 a/d의 함수임을 보였다. 이를 통해 최초 균열을 발생시키는데 필요한 응력으로 생각할 수 있는 상수항을 도입하였다. 또한 콘크리트의 제조를 위해 사용되는 굵은골재의 최대치수는 20~70 mm로 굵은골재의 최대치수가 미세균열영역의 폭에 미치는 영향이 크기 않음으로 굵은골재 최대치수의 영향을 무시하였다.
대상 데이터
4에 나타내었다. 데이터베이스는 보통중량 콘크리트 1449개, 경량골재 콘크리트 251개로 총 1700개가 수집되었다. 데이터베이스의 압축강도 범위는 6.
데이터처리
3) 기존의 연구결과들을 이용해 데이터베이스를 구축했으며 이에 대한 비선형 회귀분석을 통해 기존 예측모델들과 제안된 모델에 대한 실험상수들을 결정했다. 이로부터 콘크리트의 기건단위질량을 고려한 본 연구의 예측모델이 Bažant와 Kim and Eo의 예측 모델보다 실험결과를 잘 예측하고 있음을 알 수 있었다.
이를 위해 비선형 파괴역학에 기반한 Bažant5)와 Kim and Eo7)의 예측모델들을 분석하여 콘크리트의 기건단위 질량을 고려한 압축강도의 크기효과에 대한 예측모델을 제시하였다. 또한 예측모델의 정확성을 평가하기 위해 기존 연구결과들을 데이터베이스화하여 이 연구에서 제시한 모델을 Bažant5)와 Kim and Eo7)의 모델과 비교하였다.
이론/모형
을 데이터베이스로 구축하였다. 데이터베이스에서 정보가 제공되지 않은 공시체들의 기건단위질량은 제시된 배합표를 이용하여 ACI3188)에 제시된 기건단위질량 예측모델에 의해 계산하였다. 구축된 데이터베이스의 주요변수들의 분포를 Fig.
성능/효과
4) 콘크리트 압축강도의 크기효과에 대한 통계적 분석 결과 본 연구의 예측모델은 Bažant와 Kim and Eo의 예측모델보다 변동계수와 에러계수가 더 작았다. 또한, 본 연구의 예측모델을 통해 경량골재 콘크리트에서 굵은 골재의 최대치수가 압축강도에 미치는 영향은 미미함을 확인했다.
이는 경량골재 콘크리트에 대한 데이터의 수가 보통중량 콘크리트보다 적었기 때문으로 판단된다. 공시체의 크기를 제외한 모든 변수를 실험상수로 제시하고 있는 Kim and Eo의 예측모델은 공시체 크기가 200 mm 이하에서 형상비가 작을수록 더 넓은 분포를 보였다. 이는 형상비가 작을수록 단부구속의 영향이 더 민감하게 나타나기 때문으로 판단된다.
데이터베이스는 보통중량 콘크리트 1449개, 경량골재 콘크리트 251개로 총 1700개가 수집되었다. 데이터베이스의 압축강도 범위는 6.6~128 MPa이며, 압축강도 40 MPa 이하가 약 67%를 차지하였다. 공시체의 크기는 보통중량 콘크리트에서 37.
4) 콘크리트 압축강도의 크기효과에 대한 통계적 분석 결과 본 연구의 예측모델은 Bažant와 Kim and Eo의 예측모델보다 변동계수와 에러계수가 더 작았다. 또한, 본 연구의 예측모델을 통해 경량골재 콘크리트에서 굵은 골재의 최대치수가 압축강도에 미치는 영향은 미미함을 확인했다.
0 이하인 공시체의 fck(d)/fck는 그 이상의 공시체보다 높았으며, 본 연구결과의 예측모델은 이를 잘 반영하고 있었다. 본 연구의 예측모델은 실험결과에 대한 예측값의 평균으로 보통중량 콘크리트와 경량골재 콘크리트에서 동일하게 1.010이었으며, 에러계수는 경량골재 콘크리트의 경우 보통 중량콘크리트보다 더 낮았다. 이는 콘크리트의 기건단위질량을 고려함으로써 콘크리트의 파괴진행영역에서의 경량골재의 영향을 잘 고려하였기 때문으로 판단된다.
2에 나타낸 바와 같이 콘크리트의 기건단위질량이 콘크리트 파괴영역의 폭을 결정하기 때문으로 판단된다. 이 그림으로부터 콘크리트의 기건단위질량을 고려한 본 연구의 예측모델이 Bažant와 Kim and Eo의 예측모델보다 실험결과를 더 잘 예측하고 있음을 알 수 있다.
3) 기존의 연구결과들을 이용해 데이터베이스를 구축했으며 이에 대한 비선형 회귀분석을 통해 기존 예측모델들과 제안된 모델에 대한 실험상수들을 결정했다. 이로부터 콘크리트의 기건단위질량을 고려한 본 연구의 예측모델이 Bažant와 Kim and Eo의 예측 모델보다 실험결과를 잘 예측하고 있음을 알 수 있었다.
콘크리트의 기건단위질량인 1650±50 kg/m3에서 콘크리트 공시체의 크기가 300 mm일 때 fck(d)/fck는 평균 0.82정도였지만 기건단위질량이 2350±50 kg/m3에서 콘크리트 공시체의 크기가 300 mm일 때의 fck(d)/fck는 평균 0.87로 1.06배 높았다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
크기효과법칙이 파괴특성이 다른 경량골재 콘크리트에서는 그 활용성이 의문시되고 있는 이유는 무엇인가?
현재까지 발표된 크기효과법칙은 보통중량 콘크리트에 기반하고 있어 파괴특성이 다른 경량골재 콘크리트에서는 그 활용성이 의문시되고 있다. 따라서 이 연구에서는 콘크리트의 기건단위질량이 압축강도의 크기효과에 미치는 영향을 예측할 수 있는 모델을 개발하고 기존 연구결과들을 모아 데이터베이스화하였다.
콘크리트의 크기효과의 특징은 무엇인가?
콘크리트의 크기효과는 Gonnerman1)의 실험에 의해 최초로 증명되었으며, 이후 다양한 경우에 대한 실험을 통해 콘크리트의 크기효과가 콘크리트 공시체의 단면형태, 크기, 형상비 및 굵은골재의 최대치수 등에 영향 받음이 확인되었다.2-4) Weibull은 Griffith의 가정을 도입하여 선형탄성 파괴역학에 근거한 통계적 접근 방법에 의해 최초로 크기효과법칙(size effect law)을 제시하였다.
콘크리트의 파괴가 선형탄성 파괴 역학의 가정과 모순되는 것을 해결하기 위해 도입된 것은 무엇인가?
5) 그러나 콘크리트의 파괴는 미세균열영역의 발달과 함께 주균열이 서서히 발생되면서 일어난다.6) 이는 선형탄성 파괴 역학의 가정과 모순되며 이를 해결하기 위해 비선형 파괴역학이 도입되었다. Bažant5)는 비선형 파괴역학에 기반 하여 기하학적으로 유사한 공시체에 대한 크기효과법칙을 제안하였다.
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