[논문]수축저감제 혼입에 따른 전력구 박스구조물의 건조수축균열 저감

우상균; 김기중; 이윤

doi:10.11112/jksmi.2016.20.5.102

문제 정의

따라서 본 연구에서는 개발된 균열저감 콘크리트를 이용한 전력구 및 시험체 등을 제작하여 균열저감에 따른 거동과 효과를 규명하기 위한 실증시험 및 수축저감제 유무에 따른 시공조건을 고려한 건조수축량 산정 수치해석을 수행하여 수축 저감제 혼입에 따른 수축균열 저감효과를 검증하였다.
본 연구에서 제작된 실험체는 실제 전력구 현장에 적용되고 있는 실제 규모의 전력구를 제작함으로써 수축량 산정 수치해석 기법의 신뢰성을 확보하고 전력구 균열저감 효과의 비교 및 분석, 기준 제공을 위한 실험체 확보, 수축저감제에 대한 현장 적용성 검증을 목적으로 한다.
본 연구에서는 전력구 콘크리트 배합의 수축량 산정을 위 해 기준이 되는 건조수축 시험체를 모델링하여 건조수축량을 해석적으로 평가할 수 있도록 하였다. 수축량 산정에 기준이 되는 시험체는 각주형 시험체이며 기본 환경 조건은 외기습 도 60%의 완전 자유 구속조건이다.
본 연구의 목적은 실제 전력구 현장에 적용되고 있는 실제 규모의 전력구를 제작함으로서 균열거동 모델의 특성 분석 결과의 신뢰성을 확보하고 전력구 균열저감 효과 비교 및 분 석, 기준 제공을 위한 시험체 확보 및 수축저감제에 대한 현장 적용(배합 및 시공)기법 검증과 균열저감 및 일반 콘크리트 전력구 실증 시험체의 건조수축 균열 패턴 특성 건조수축 변형률 발생패턴과 역학적 특성 등의 비교를 통한 균열저감효과 실증을 목적으로 하고 있으며 균열저감 콘크리트의 수축량 산정을 위한 수치해석 기법을 통해 실증시험과 비교 검토를 수행하였다.

제안 방법

균열저감 콘크리트 전력구는 SR, 일반콘크리트 전력구는 PL이다. 7 m씩 5 구간으로 나누어 진행하였으며 전력구 위치를 나타내는 기초는 (BS), 좌벽(LW), 우벽(RW), 상부(TS)로 나타내었다.
본 수치해석에서는 전력구 일반 콘크리트 배합 및 균열저감 배합을 적용한 전력구 콘크리트에 대한 수축량 산정을 위 해 타설길이 35 m 전력구에 대한 2단 타설을 고려하여 구조물을 모델링하였다. 기본 노출조건은 전력구 실증시험체가 타 설되어 계측되고 있는 평균 외기습도인 45%이며, 전력구 설계강도인 27 MPa의 일반 배합 및 균열저감 콘크리트 배합을 적용하였다. 해석시간과 대칭성을 고려하여 전력구 콘크리트의 전체 시험체를 1/2 모델링하였으며, 대칭조건에 부합하여 해석시 변위구속 조건을 부여하였다.
노출 59일 후 시험체의 전체 수축변형률은 일반배합 콘크리트의 경우 약 650 με으로 나타났으며, 균열저감 콘크리트의 경우 약 350 με으로 나타났다. 본 과업으로부터 기준 건조수 축 시험체에 대한 건조수축량 산정 해석 기법을 개발하였으며, 해석 결과를 통해 개발된 해석기법을 검증하였다.
본 수치해석에서는 전력구 일반 콘크리트 배합 및 균열저감 배합을 적용한 전력구 콘크리트에 대한 수축량 산정을 위 해 타설길이 35 m 전력구에 대한 2단 타설을 고려하여 구조물을 모델링하였다. 기본 노출조건은 전력구 실증시험체가 타 설되어 계측되고 있는 평균 외기습도인 45%이며, 전력구 설계강도인 27 MPa의 일반 배합 및 균열저감 콘크리트 배합을 적용하였다.
따라서 최대 균열폭 뿐만 아니라 균열이 전 구간에 걸친 균열폭의 분포에 유의하여야 한다. 실증시험체 균열조사에 대한 방법은 균열폭의 측정, 변동 균열의 측정, 균열진행성, 균열 길이와 형태, 균열부 기록 등으로 분류 수행하였다.
측점 분할은 실증시험체 진행 방향으로 위치 표시하였고 설계도면에서의 표기 방식을 참고하여 현장에서 해당 위치를 표시하고, 위치 표시는 현장에서 쉽게 식별할 수 있도록 관리하였다. 실증시험체 측점 분할 간격은 현장에서 균열 조사 시 좌우로 확인 가능한 거리인 7.0 m로 결정하고 면밀한 조사를 위해 1.0 m 간격으로 세분화 하였으며 균열저감 콘크리트 전력구 실증시험체와 일반 콘크리트 전력구 실증시험체 균열 조사 후 분석 작업은 각각의 실증시험체에 대하여 총 5개 구 간으로 구성하였다. 표면 오염이나 습기 등이 있는 경우 이를 제거하고 스프레이, 매직, 유성 펜 등으로 표시하며 석필, 분필 등으로 표시하였다.
7과 같은 전력구 박스형 단면을 해석대 상 구조물로 설정하였다. 이 연구에서 부등건조수축해석은 Fig. 7과 같이 개착식 전력구 타설부의 대표단면에 대하여 수행하였으며, 이에 대한 메쉬모델링은 Fig. 11과 같다.
해석시간과 대칭성을 고려하여 전력구 콘크리트의 전체 시험체를 1/2 모델링하였으며, 대칭조건에 부합하여 해석시 변위구속 조건을 부여하였다. 전력구의 시공조건은 1 단 바닥슬래브타설 후 9일 경에 전력구 벽체와 상부슬래브가 타설되는 것으로 고려하였으며, 외기로의 수분건조가 시작되는 거푸집제거는 타설 후 5일로 고려하였다.
수축저감제를 적용한 균열저감 콘크리트를 이용한 전력구 시험체를 제작하여 균열저감에 따른 거동과 효과를 규명하고 수축저감제 기반의 균열저감 특성을 분석하기 위해서는 시공의 표준성, 균등성, 동시성 등이 중요하다. 콘크리트 균열 발생의 주요한 인자로는 단위수량 또는 물-시멘트비, 양생조건 및 시간, 골재량, 부재의 크기 및 두게, 환경요인 및 건조기간 등이 있으며, 이와 같은 인자들이 균열저감 콘크리트 전력구 실증시험체와 일반 콘크리트 전력구 실증시험체에 대하여 동 일하게 적용될 수 있도록 제작하였다. 따라서 균열저감 콘크리트 및 일반 콘크리트 전력구 실증시험체에 배합설계(수축 저감제 혼입)를 제외하고 표준화된 시공법에 따라 균등한 환경조건에서 동시에 타설 및 양생의 시공을 완료하는 경우, 수축저감제 적용에 따른 초기 건조수축 균열의 특성 규명이 가능하다.
2는 균열저감 콘크리트 전력구 실험체(SR)와 일반 콘크리트 전력구 실험체(PL)의 제작과정을 시공순서에 맞게 그림으로 나타낸 것이다. 콘크리트 표준시방서(한국콘크리트학회), 건축공사 표준시방서(국토해양부), 배전공사 표준작업 절차서(대한 전기협회), 지중전력구 품질관리절차서(한국전기안전공사)의 시공기준을 준수하며 제작하였다.
12는 본 해석에서 수행한 건조수축 시험체의 모델링 및 구속조건을 나타내고 있다. 해석 시간의 효율을 위해 전체 시험체를 1/8 모델링하였으며, 대칭조건에 부합하여 해석시 변위구속 조건을 부여하였다.
기본 노출조건은 전력구 실증시험체가 타 설되어 계측되고 있는 평균 외기습도인 45%이며, 전력구 설계강도인 27 MPa의 일반 배합 및 균열저감 콘크리트 배합을 적용하였다. 해석시간과 대칭성을 고려하여 전력구 콘크리트의 전체 시험체를 1/2 모델링하였으며, 대칭조건에 부합하여 해석시 변위구속 조건을 부여하였다. 전력구의 시공조건은 1 단 바닥슬래브타설 후 9일 경에 전력구 벽체와 상부슬래브가 타설되는 것으로 고려하였으며, 외기로의 수분건조가 시작되는 거푸집제거는 타설 후 5일로 고려하였다.

대상 데이터

건조수축저감에 따른 거동과 효과 규명을 위한 균열저감 콘크리트 실증시험체는 균열저감 콘크리트 전력구와 일반 콘크리트 전력구로서 다음 그림 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 2.8 × 2.9 m(W × H) 실제 전력구 크기와 같이 제작되었다.
수축량 산정에 기준이 되는 시험체는 각주형 시험체이며 기본 환경 조건은 외기습 도 60%의 완전 자유 구속조건이다. 본 해석에서는 기존 전력구 설계강도인 27 MPa의 콘크리트 배합을 적용하였다.

이론/모형

실증시험체 균열 조사 기준은 콘크리트구조물 유지관리 매 뉴얼(한국콘크리트학회), 안전점검 및 정밀안전진단 세부지 침,균열조사요령(한국시설안전공단),(한국구조물진단공 학),(한국구조물진단학회)에 준수하여 조사하였다.

성능/효과

1) 본 연구에서 개발된 균열저감 콘크리트를 이용한 전력구 실증시험체 등을 제작 후 균열 조사를 집계한 결과 일반 콘크리트 전력구(PL)에서는 외부균열 13.17 m, 내부균열 20.52 m, 망상형 균열 11.875 m2으로 발행했고 균열저감 콘크리트 전력구(SR)에서는 외부균열 4.04 m, 내부균열 2.82 m, 망상형 균열 2.403 m2으로 발생했다. 균열저감 콘크리트 전력구 모델이 일반 콘크리트 전력구 모델에 비해 현저히 적은 균열이 발생한 것으로 나타났다.
2) 본 연구로부터 건조수축 시험체에 대한 건조수축량을 산정에 대한 해석 기법을 개발하였으며, 실제 전력구 타설 실험을 통해 종방향 및 횡방향 균열발생 가능성을 입증 하였다.
3) 건조수축량 산정 해석 기법을 통해 표준 건조수축 시험체의 일반배합 콘크리트의 경우 약 650 με으로 나타났으며, 균열저감 콘크리트의 경우 약 350 με으로 나타났다.
4) 전력구 실증시험체 건조수축량 수치해석 결과, 균열저감 콘크리트 배합의 경우 종방향 및 횡방향 응력에 있어 일반 배합에 비해 40~50%정도의 현저한 감소를 보이며, 이에 따라 균열저감 콘크리트를 전력구에 적용하였을 경우 현 저한 균열감소 효과를 보일 것으로 예측된다. 모든 조건에 있어 종방향 응력이 횡방향 응력에 비해 약간 큰것으로 나타났으나, 그 차이가 그리 크지 않아 실제 전력구에 균열이 발생한다면 횡방향 및 종방향 균열이 모두 발생할 수 있을 것으로 판단된다.
균열저감 콘크리트의 경우는 최대 인장응력이 예측되는 인장강도를 초과하지만 그 차이가 그리 크지 않아 일반배합에 비해 균열발생 가능성과 균열발생량이 현저히 작은 것으로 사료된다. 결과적으로 상부슬래브의 모 서리, 상면, 하면, 헌치부의 종방향응력은 여섯 지점 모두 인장강도를 초과하는 것으로 나타나 횡방향 응력의 발생가능성 이 높으며, 슬래브 상면과 하면의 횡방향 응력도 인장강도를 초과하므로 상부슬래브의 종방향 균열을 예측할 수 있다. 전력구 전체의 종방향 변형률을 비교해보면, 일반배합의 경우 전력구 벽체 전반에 걸쳐 타설 후 60일 경 110 με정도의 압축 변형률을 보이며, 균열저감배합의 경우 60 με정도의 압축변 형률을 보이는 것으로 나타나, 최소부재크기가 30 cm를 초과하는 전력구 벽체 및 슬래브의 경우 부등건조수축에 의한 부등 수축현상에 있어 균열저감효과가 매우 큰것으로 판단된다.
403 m2으로 발생했다. 균열저감 콘크리트 전력구 모델이 일반 콘크리트 전력구 모델에 비해 현저히 적은 균열이 발생한 것으로 나타났다.
노출 59일 후 시험체의 전체 수축변형률은 일반배합 콘크리트의 경우 약 650 με으로 나타났으며, 균열저감 콘크리트의 경우 약 350 με으로 나타났다.
모든 조건에 있어 종방향 응력이 횡방향 응력에 비해 약간 큰것으로 나타났으나, 그 차이가 그리 크지 않아 실제 전력구에 균열이 발생한다면 횡방향 및 종방향 균열이 모두 발생할 수 있을 것으로 판단된다.
16은 약한 구속조건하의 전력구 실증시험체의 건 조수축 응력 이력과 변형률 분포를 보이고 있다. 앞에서 기술 한 바와 같이 상부슬래브의 모서리부와 상단, 하단 표면부의 최대 인장응력이 균열저감 콘크리트의 경우 현저히 감소하며, 일반배합의 경우 모서리부와 상단슬래브의 상면의 응력 이 인장강도를 크게 초과하는 것으로 나타나 실증시험체의 건조수축에 의한 종방향 및 횡방향 균열발생 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 균열저감 콘크리트의 경우는 최대 인장응력이 예측되는 인장강도를 초과하지만 그 차이가 그리 크지 않아 일반배합에 비해 균열발생 가능성과 균열발생량이 현저히 작은 것으로 사료된다.
전력구 전체의 종방향 변형률을 비교해보면, 일반배합의 경우 전력구 벽체 전반에 걸쳐 타설 후 60일 경 110 με정도의 압축 변형률을 보이며, 균열저감배합의 경우 60 με정도의 압축변 형률을 보이는 것으로 나타나, 최소부재크기가 30 cm를 초과하는 전력구 벽체 및 슬래브의 경우 부등건조수축에 의한 부등 수축현상에 있어 균열저감효과가 매우 큰것으로 판단된다.
15은 각각 바닥판 완전구속시와 약한 구속조건에서의 건조수축 응력 분포를 나타내고 있다. 전반적으로 건조수축에 의한 종방향 및 횡방향 응력은 약한 구속 조건에서 완전구속시에 비해 10~15% 정도의 응력감소를 보이는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 전력구 바닥의 완전구속시는 전력구의 수축에 의한 수축변형이 바닥부의 외 부구속효과에 의해 인장응력의 증가를 유발하기 때문인 것으로 사료되나, 두 구속조건 사이의 차이는 전력구 균열발생 예측에 있어 그리 크지 않은 것으로 판단된다.
이와 같은 결과는 전력구 바닥의 완전구속시는 전력구의 수축에 의한 수축변형이 바닥부의 외 부구속효과에 의해 인장응력의 증가를 유발하기 때문인 것으로 사료되나, 두 구속조건 사이의 차이는 전력구 균열발생 예측에 있어 그리 크지 않은 것으로 판단된다. 현실적으로 전력구 바닥판의 구속도는 두 경우의 사이에 위치할 것이므로 두 가지 경우의 결과를 참조하여 균열발생여부를 예측하는 것이 타당할 것으로 사료된다. 균열저감 콘크리트 배합의 경우 종 방향 및 횡방향 응력에 있어 일반배합에 비해 40~50%정도의 현저한 감소를 보이며, 이에 따라 균열저감 콘크리트를 전력구에 적용하였을 경우 현저한 균열감소 효과를 보일 것으로 예측된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전력구란?	전력구는 국가 전력망 구성과 전력의 안정적 공급에 중추적인 역할을 담당하고 있는 ‘국가 중요 기간시설물’로서 총 연장 601 km이며, 2015년 3월 기준 20년 이상 공용중인 전력구는 약 169 km(28%)로 노후화가 빠르게 진행되고 있다. 특히, 장기간 운영에 따른 지하 전력구의 노후화로 유지보수에 어려움이 상존함에 따라 전력구 설계단계에서 균열을 획기적으로 저감할 수 있는 신개념 콘크리트 개발이 필요하다.
	현대사회의 대형 SOC 구조물의 단점은?	구조물의 고강도 및 고성능화의 궁극적인 목적은 내구성 확보에 있으며, 특히 현대사회의 대형 SOC 구조물은 엄청난 초기 건설비가 요구됨과 동시에 구조물 유지관리를 위해 매 우 많은 시간과 비용이 수반된다. 구조물 내구성 확보 측면은 시멘트․콘크리트 재료뿐만 아니라 모든 건설 재료에 요구되는 필수조건이 되고 있으며, 이와 함께 기존 건설재료 관련 분 야와 다른 분야의 요소기술이 접목된 새로운 형태의 재료 개발이 가속화 되고 있는 실정이다.
	균열이 전 구간에 걸친 균열폭의 분포에 유의하여야 하는 이유는?	최대 폭을 나타내는 부분이 균열의 전체 길이 중 극히 일부 분일 경우이거나, 균열의 가장자리의 콘크리트가 국부적으로 일그러진 탓으로 다른 부분과 비교하여 최대 폭이 되었을 경 우 등에는 과잉 보수를 하게 되는 경우가 발생하게 된다. 따라서 최대 균열폭 뿐만 아니라 균열이 전 구간에 걸친 균열폭의 분포에 유의하여야 한다.

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