[논문]크리프 예측 영향요인 검토 및 국내 건설현장 콘크리트 배합을 고려한 크리프 예측 모델식 제안

문형재; 석원균; 구경모; 이상규; 황의철; 김규용

doi:10.5345/jkibc.2019.19.6.503

크리프 예측 영향요인 검토 및 국내 건설현장 콘크리트 배합을 고려한 크리프 예측 모델식 제안
Investigation on Factors Influencing Creep Prediction and Proposal of Creep Prediction Model Considering Concrete Mixture in the Domestic Construction Field 원문보기

한국건축시공학회지 = Journal of the Korea Institute of Building Construction, v.19 no.6, 2019년, pp.503 - 510

문형재 (R&D Center, Lotte E&C) , 석원균 (R&D Center, Lotte E&C) , 구경모 (R&D Center, Asia Cement Co., LTD.) , 이상규 (Department of Architectural Engineering, Chungnam National University) , 황의철 (Department of Architectural Engineering, Chungnam National University) , 김규용 (Department of Architectural Engineering, Chungnam National University)

초록
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최근 RC 구조물의 건설기술에서는 콘크리트의 크리프에 대한 검토가 이루어져야 한다. 본 연구에서는 콘크리트의 크리프 예측 및 국내 건설현장의 크리프 결과에 영향을 미치는 요인을 검토했다. 크리프 테스트 기간이 길고 압축 강도가 높을수록 크리프 예측 정확도가 높아졌다. 경화 온도가 높을수록 콘크리트의 초기 강도가 높아지지만 크리프 계수의 차이는 시간이 지남에 따라 증가했다. 국내 건설현장 및 실험실에서의 크리프 평가 결과를 기반으로 ACI-209모델을 보완하는 수정 된 예측 모델을 제안했다. 일반~고강도 콘크리트를 사용한 실제 부재의 크리프 예측에서는 테스트 기간과 온도를 정확하게 고려해야한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, construction technology of RC structures must be examined for creep in concrete. The factors affecting the creep prediction of concrete and the results of creep in domestic construction field were reviewed. The longer the creep test period and the higher the compressive strength, the higher the creep prediction accuracy. The higher the curing temperature, the higher the initial strength development of the concrete, but the difference in the creep coefficients increased over time. Based on the results of creep evaluation in the domestic construction field and lab. tests, a modified predictive model that complements the ACI-209 model was proposed. In the creep prediction of real members using general to high strength concrete, the test period and temperature should be considered precisely.

주제어

표/그림 (13)

표 Table 1. Design of experiment and mix proportion of concrete
표 Table 2. Mechanical properties of material
그림 Figure 1. Prediction using actual creep coefficient of concrete with measurement period
표 Table 3. Accuracy of prediction of creep coefficient of concrete
그림 Figure 2. Mock-up test
그림 Figure 3. Curing method of concrete
표 Table 4. Design of experiment and mix proportion of concrete
표 Table 5. Compressive strength of concrete by curing method
그림 Figure 4. Ratio of compressive strength of concrete by curing method
그림 Figure 5. Differences in creep coefficients of concrete according to curing methods (180 days)
표 Table 6. Mix proportion of concrete
그림 Figure 6. Creep coefficient (90days) of concrete
그림 Figure 7. Modified factor of creep coefficient (at 28days)

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 ACI-209모델에서 사용되는 극한 크리프계수 2.35에 대해 일반~고강도 콘크리트의 크리프 실측값을 바탕으로 국내 건설현장 및 실내데이터를 고려한 최적값으로 수정 도출하였고, 최종 예측모델로 제안하고자 하였다. 이를 식으로 도출하면 Figure 7 및 식 (4), (5)와 같다.
따라서 본 연구에서는 축력을 고려한 보통강도에서 고강도 범위까지 다양한(24~80MPa) 콘크리트를 대상으로 크리프 시험기간에 따른 모델을 이용한 콘크리트의 크리프 계수 예측, 수화열에 따른 콘크리트의 크리프 거동, 국내건설현장에서 사용된 현장 콘크리트의 크리프 평가결과와 기존 크리프 모델을 바탕으로 수정 모델을 제안하였다

제안 방법

크리프 시험기간에 따른 모델을 이용한 콘크리트의 크리프 계수 예측 결과를 Figure 1에 나타내었다. 24, 40, 80MPa급 콘크리트에 대하여 2년 동안 측정된 크리프 계수의 결과와 3개월, 6개월 동안 측정된 콘크리트의 크리프 계수를 이용하여 ACI-209모델을 통하여 2년간의 크리프 계수를 예측한 결과를 비교하였다.
Table 2에 콘크리트에 적용된 사용재료의 물리적 특성을 내었으며, 콘크리트는 목표 슬럼프(플로우) 및 공기량을 만족하여 980L 용적배합으로 제조하였고, 유동성 확보를 위해 폴리카르본산계 고성능감수제를 약 1.5∼2.0% 혼입하였다.
설계압축강도 24, 40, 80MPa급 일반~고강도 콘크리트에 대하여 2년간 실내 크리프 시험을 진행했다. 또한, 각 3개월, 6개월, 2년간의 크리프 데이터를 ACI-209모델에 적용하여 2년간의 크리프 계수를 예측하여 비교하였다.
크리프 시험기간에 따른 모델을 이용한 콘크리트의 크리프 예측 특성을 평가하기 위한 실험계획 및 콘크리트 배합을 Table 1에 나타내었다. 설계압축강도 24, 40, 80MPa급 일반~고강도 콘크리트에 대하여 2년간 실내 크리프 시험을 진행했다. 또한, 각 3개월, 6개월, 2년간의 크리프 데이터를 ACI-209모델에 적용하여 2년간의 크리프 계수를 예측하여 비교하였다.
수화열 작용에 따른 콘크리트의 크리프 거동을 확인하기 위한 실험계획 및 콘크리트 배합을 Table 4에 나타내었다. 설계압축강도 80MPa급 고강도 콘크리트를 대상으로 수화열을 받는 조건을 설정하기 위해 시험체의 양생온도를 20, 50, 80℃로 하였다. 시험체는 실내에서 제작되었으며, 그 외의 조건은 3.
1 실험계획 및 방법에서 기술한 바와 같다. 양생방법은 Figure 3에 나타낸 바와 같이, 1일 재령에 시험체를 탈형한 후 20, 50, 80℃의 양생조에서 약 4일간 습윤양생을 진행하였다. 이 후 재하재령 28일까지 온도 20±2℃, 상대습도 50±10%의 조건에서 기건양생 하였다.
앞서 기술한 바와 같이 콘크리트 크리프에 대해 많은 연구자들이 예측 모델을 제시하여 왔으며, 예측에 고려되는 기준은 다양한 실정이다. 이 때 본 연구에서는 실제 초고층 구조물의 기둥 수축량 해석에 있어서의 적용성과 모델수정에 따른 일치성 및 국내 주요 기둥 축소량 해석 전문회사들의 장기 거동 예측을 위한 프로그램 적용 등을 기준으로하여 ACI-209모델을 선정하였다[9].
이 후 시험체를 탈형하여 재령 7일까지 20±2℃의 조건에서 습윤양생하고 재하재령 28일까지 상대습도 50±10%의 조건에서 기건양생하였다.
이 후 재하재령 28일까지 온도 20±2℃, 상대습도 50±10%의 조건에서 기건양생 하였다.
콘크리트의 크리프 예측에 대한 요인으로 크리프 시험기간, 양생온도의 영향을 검토하고 국내 건설현장에서 사용된 현장 콘크리트의 크리프 평가결과를 이용하여 기존 크리프 모델을 검토한 결과 다음과 같다.
크리프 시험의 재하량은 재령 28일 측정된 압축강도의 40%로 설정하였으며, 재하 후 2년간 측정하였다. 크리프 시험에 의해 도출된 총 변형량에서 수축변형량 및 순간탄성변형량을 제하여 크리프 변형량을 계산하였다[9].
크리프 시험의 재하량은 재령 28일 측정된 압축강도의 40%로 설정하였으며, 재하 후 2년간 측정하였다. 크리프 시험에 의해 도출된 총 변형량에서 수축변형량 및 순간탄성변형량을 제하여 크리프 변형량을 계산하였다[9].

대상 데이터

콘크리트 배합 중 일부는 실내에서 시험을 진행하였고, 그 외의 배합은 국내 서울, 부산, 인천, 대구, 고양, 아산 등에서 사용된 현장 레미콘 배합으로 현장에서 시험체를 제작하여 크리프 시험을 진행하였다. 압축강도에 따른 결과를 도출하기 위해 일반~고강도 콘크리트를 대상으로 선정하였으며, 시험체 제작과 크리프 시험은 3.1 실험계획 및 방법에서 기술한 바와 동일한 조건으로 진행되었다.
국내 건설현장 콘크리트를 고려하여 ACI-209모델을 수정하기 위한 실험의 콘크리트 배합을 Table 6에 나타내었다. 콘크리트 배합 중 일부는 실내에서 시험을 진행하였고, 그 외의 배합은 국내 서울, 부산, 인천, 대구, 고양, 아산 등에서 사용된 현장 레미콘 배합으로 현장에서 시험체를 제작하여 크리프 시험을 진행하였다. 압축강도에 따른 결과를 도출하기 위해 일반~고강도 콘크리트를 대상으로 선정하였으며, 시험체 제작과 크리프 시험은 3.

데이터처리

양생온도에 따른 콘크리트의 크리프 계수 차이에 대해서 Figure 5에 나타내었다. 크리프 계수는 재령 180일 까지 측정된 결과값을 비교하였다. 양생온도 50℃는 80℃와 유사한 결과를 나타내었지만, 양생온도 80℃의 경우 20℃에서 양생된 경우보다 크리프 계수가 크게 측정되었다.

이론/모형

콘크리트 시험체는 KS F 2453「콘크리트의 압축 크리프 시험방법」에 준하여 ∅150×300mm로 제작하였고, 타설 직후 20±2℃의 온도조건에서 24시간 동안 기건양생하였다.

성능/효과

1) ACI-209모델을 이용한 콘크리트의 크리프 계수 예측결과는 크리프 측정기간의 영향을 크게 받으며, 재령 28일에 측정된 압축강도의 40%를 재하하는 경우 압축강도가 높아질수록 실측값과 예측값의 차이가 작아지는 것을 확인했다.
2) 양생온도는 콘크리트의 내부구조 형성에 영향을 미치는 것으로 판단되며, 이는 크리프 거동에 직접적인 영향을 주기 때문에 수축량 예측에 있어서 수화열에 대한 고려가 필요하다고 생각된다.
3) 기존의 ACI-209모델은 실내시험 및 국내 현장 레미콘 배합의 특성을 반영하기는 어려울 것으로 판단되며, 일반~고강도 콘크리트의 크리프 실측값을 통하여 모델에서 사용되는 극한크리프계수의 제안식을 도출하였다.
또한, 압축강도가 커질수록 크리프 측정기간에 따른 예측값과 실측값의 차가 작아지는 현상이 나타났는데, 이는 콘크리트의 압축강도가 높아질수록 보다 이른 재령에서 크리프 계수가 수렴하기 때문인 것으로 판단된다.
콘크리트의 압축강도에 따른 재하재령 90일에서의 크리프 계수를 Figure 6에 나타내었다. 실내시험 및 현장 레미콘 배합에 관계없이 압축강도가 높을수록 재하재령 90일에서의 크리프 계수가 크게 작아지는 경향을 나타냈다. 이러한 현상은 기존연구에서 제시하고 있는 결과와 유사하다.
실험에 의한 24, 40 80MPa급 콘크리트 시험체의 크리프 계수값은 재령 2년을 기준으로 2.23, 1.49, 0.70으로 나타났으며, ACI-209모델을 통하여 예측하는 경우에도 실측값과 매우 유사한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있었다.
크리프 계수는 재령 180일 까지 측정된 결과값을 비교하였다. 양생온도 50℃는 80℃와 유사한 결과를 나타내었지만, 양생온도 80℃의 경우 20℃에서 양생된 경우보다 크리프 계수가 크게 측정되었다. 재령 180일에서 0.
이처럼 양생온도에 따라서 콘크리트의 압축강도 발현특성 및 크리프 계수는 차이가 발생하는 것을 실험적으로 확인하였다. 이는 같은 설계압축강도의 콘크리트에서도 차이를 나타낼 가능성이 있기 때문에, 대단위 부재에서는 수축량에 대한 예측에 있어서 수화열을 고려할 필요가 있다고 생각된다.
70으로 나타났다. 콘크리트의 크리프 시험기간이 길어질수록 ACI-209모델을 통하여 예측하는 크리프 계수가 2년간의 실측값과 유사하게 나타나는 경향을 확인할 수 있었다.
양생온도가 높아질수록 28일 재령의 압축강도가 높아졌다. 특히, 양생온도 50, 80℃에서는 초기재령의 압축강도 발현율이 높게 나타났지만, 56, 91일 재령에서는 28일 재령의 압축강도와 큰 차이를 없는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 현상은 초기에 높은 온도에 의해 콘크리트의 수화반응이 촉진되어 나타나는 현상인 것으로 판단된다[10].
하지만, 3개월, 6개월 동안 측정된 크리프 계수를 이용하여 ACI-209 모델을 통하여 2년간의 크리프 계수를 예측한 경우 전체적으로 실측값에 미치지 못하는 결과를 나타내었다. 24MPa급 콘크리트의 경우에는 3개월 기준 1.

후속연구

실내시험을 통해 측정된 크리프 결과와 실구조물에 적용된 콘크리트의 크리프 거동이 큰 차이를 나타내고 있는 상황이다. 따라서 국내 건설현장에서 사용된 콘크리트를 통해 측정된 크리프 결과와 실내시험을 통해 측정된 크리프 결과를 이용하여 ACI-209모델을 수정할 필요성이 있다고 판단된다.
재하재령 90일에서의 크리프 실측값은 ACI-209모델 분석값과 차이가 있다는 것을 확인할 수 있었으며, 기존 ACI 모델을 기둥축소량 해석에 그대로 적용하기에는 국내 현장 레미콘 배합의 특성을 반영하는 것이 한계가 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수화열에 대한 고려가 필요한 이유는?	2) 양생온도는 콘크리트의 내부구조 형성에 영향을 미치는 것으로 판단되며, 이는 크리프 거동에 직접적인 영향을 주기 때문에 수축량 예측에 있어서 수화열에 대한 고려가 필요하다고 생각된다.
	다양한 압축강도의 콘크리트가 최근 사용되는 이유는?	최근의 건축물은 점차 대형화고층화되고 있으며, 랜드마크의 성격을 갖는 100층 이상의 초고층 건축물의 건설이 증가하고 있다. 따라서 일반~고강도의 다양한 압축강도의 콘크리트가 사용되고 있으며, 이를 반영한 콘크리트 부재의 축소량 예측과 시공이 요구되는 상황이다[1].
	콘크리트의 크리프란 무엇인가?	따라서 일반~고강도의 다양한 압축강도의 콘크리트가 사용되고 있으며, 이를 반영한 콘크리트 부재의 축소량 예측과 시공이 요구되는 상황이다[1]. 대표적인 부재의 축소량으로써, 콘크리트의 크리프는 지속적인 하중을 받는 부재가 탄성변형이 발생된 이후에도 추가적인 하중작용 없이 시간 경과에 따라 콘크리트의 변형률이 증가하는 물리적 현상이다. 콘크리트는 시멘트, 골재, 물, 혼화재료 등으로 구성된 복합재료로써 내부에 공극을 갖고 있기 때문에 철 등과 같은 균질재료와 달리 크리프의 특성과 양의 변화가 다양한 요인에 의해 달라지게 된다.

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Mun JS, Yang KH, Kim DG. Evaluation on in-site compressive strength of high-strength concrete mass elements under cold weather. Journal of the Korea Institute of Building Construction. 2015 Aug;15(6):589-95. http://doi.org/10.5345/JKIBC.2015.15.6.589

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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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