[국내논문]수화발열량차 및 열전달계수 변화를 고려한 매스콘크리트의 수화열 해석 Hydration Heat Analysis of Mass Concrete considering Heat Transfer Coefficient and Hydration Heat Difference원문보기
최근 대규모화된 건축 구조물에서 매스콘크리트 형식의 구조체가 많이 적용됨에 따라 수화열에 의한 온도균열의 발생이 가장 큰 문제점으로 대두되고 있다. 매스콘크리트의 온도균열은 타설 후 시멘트의 수화열에 의한 온도상승 및 강하에 따라 생기는 체적변화가 내부 또는 외부적으로 구속을 받아 발생하는 것으로, 이를 제어하기 위한 수화열 저감대책이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 저발열배합 및 수화발열량차를 이용하여 분할타설된 매스콘크리트를 대상으로 양생조건에 따른 열전달계수 변화를 고려한 수화열 해석을 수행한다. 이를 위한 해석모델은 분할타설을 고려하여 상부층은 일반콘크리트를 타설하고 하부층은 저발열배합 콘크리트를 타설한다. 분할타설된 매스콘크리트는 외기노출 부분과 거푸집 부분, 양생조건부분이 다르기 때문에 그에 따른 대류경계조건을 설정한다. 이에 따라 저발열배합 및 분할타설, 열전달계수 변화 등을 고려한 수화열 해석결과를 통해 온도분포 및 응력분포를 확인하고, 온도균열저감효과를 분석한다.
최근 대규모화된 건축 구조물에서 매스콘크리트 형식의 구조체가 많이 적용됨에 따라 수화열에 의한 온도균열의 발생이 가장 큰 문제점으로 대두되고 있다. 매스콘크리트의 온도균열은 타설 후 시멘트의 수화열에 의한 온도상승 및 강하에 따라 생기는 체적변화가 내부 또는 외부적으로 구속을 받아 발생하는 것으로, 이를 제어하기 위한 수화열 저감대책이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 저발열배합 및 수화발열량차를 이용하여 분할타설된 매스콘크리트를 대상으로 양생조건에 따른 열전달계수 변화를 고려한 수화열 해석을 수행한다. 이를 위한 해석모델은 분할타설을 고려하여 상부층은 일반콘크리트를 타설하고 하부층은 저발열배합 콘크리트를 타설한다. 분할타설된 매스콘크리트는 외기노출 부분과 거푸집 부분, 양생조건부분이 다르기 때문에 그에 따른 대류경계조건을 설정한다. 이에 따라 저발열배합 및 분할타설, 열전달계수 변화 등을 고려한 수화열 해석결과를 통해 온도분포 및 응력분포를 확인하고, 온도균열저감효과를 분석한다.
In recent large-scale structures, as mass concrete type structure is frequently applied to the building, temperature crack due to hydration heat needs to be considered. Since a volume change is internally or externally restricted in a mold after placing concrete, temperature crack of mass concrete t...
In recent large-scale structures, as mass concrete type structure is frequently applied to the building, temperature crack due to hydration heat needs to be considered. Since a volume change is internally or externally restricted in a mold after placing concrete, temperature crack of mass concrete takes place. By this reason, the reduction method to control this crack is required. In this study, low heat mixture and hydration heat difference is used to execute the analysis of hydration heat, considering the changes of heat transfer coefficient according to curing conditions and block placement of mass concrete. For the analytical modelling, original portland cement and concrete of low heat mixture are placed in the upper and lower payer, respectively. A convection boundary condition is fixed because mass concrete of block placement is characterized by the difference of mold form and curing condition. Through the analysis results considering the changes of low heat mixture, block placement, and heat transfer coefficient, we check out the temperature and stress distribution and analyze the temperature crack reduction effect.
In recent large-scale structures, as mass concrete type structure is frequently applied to the building, temperature crack due to hydration heat needs to be considered. Since a volume change is internally or externally restricted in a mold after placing concrete, temperature crack of mass concrete takes place. By this reason, the reduction method to control this crack is required. In this study, low heat mixture and hydration heat difference is used to execute the analysis of hydration heat, considering the changes of heat transfer coefficient according to curing conditions and block placement of mass concrete. For the analytical modelling, original portland cement and concrete of low heat mixture are placed in the upper and lower payer, respectively. A convection boundary condition is fixed because mass concrete of block placement is characterized by the difference of mold form and curing condition. Through the analysis results considering the changes of low heat mixture, block placement, and heat transfer coefficient, we check out the temperature and stress distribution and analyze the temperature crack reduction effect.
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문제 정의
이를 통해 저발열배합 및 분할타설, 열전달계수 변화 등을 고려한 수화열 해석결과를 비교하여 온도균열저감효과를 분석하고자 한다.
가설 설정
여기서 u는 풍속으로 평균 2m/s로 가정하였다. 또한 매스콘크리트의 양생조건에 따른 열전달 계수는 각각의 양생재료의 열전달 특성을 고려한 값을 수화열 해석에 사용하였다.
제안 방법
따라서 본 연구에서는 매스콘크리트의 분할타설을 고려하여 상부층은 일반콘크리트를 타설하고 하부층은 수화발열량이 적은 저발열배합 콘크리트를 타설하여, 해석모델의 외기노출부분과 거푸집 부분, 양생조건부분에 따른 대류경계조건을 설정하여 열전달 계수의 변화에 따른 수화열 해석을 수행한다.
여기서 u는 풍속으로 평균 2m/s로 가정하였다. 또한 매스콘크리트의 양생조건에 따른 열전달 계수는 각각의 양생재료의 열전달 특성을 고려한 값을 수화열 해석에 사용하였다.
수화열 해석은 MIDAS/Gen을 사용하였으며, 분할타설을 고려하여 1차타설 6시간 후 2차타설이 진행되는 것으로 시간이력을 입력하였다. 총 해석시간은 210시간으로 하였고, 해석결과의 확인을 위해 그림 1에서 표시된 바와 같이 부재의 중심부와 표층부의 임의절점을 선택하여 온도 및 응력을 확인하였다.
총 해석시간은 210시간으로 하였고, 해석결과의 확인을 위해 그림 1에서 표시된 바와 같이 부재의 중심부와 표층부의 임의절점을 선택하여 온도 및 응력을 확인하였다.
대상 데이터
상부층 일반콘크리트와 하부층 저발열배합 콘크리트의 열전도율 및 열팽창계수와 같은 열특성 데이터는 콘크리트표준시방서2)에 근거하여 그 값을 적용하였고, 그 외의 압축강도와 발열함수와 관련된 데이터는 기존 연구의 실험값4)을 토대로 적용하였다.
성능/효과
5보다 크므로 매우 안전한 것으로 판단되었다. 나머지 해석모델 3과 4는 이보다 높은 균열지수를 나타내어 단열효과가 높은 양생조건일수록 뛰어남을 알 수 있었다. 여기서 모든 해석모델의 초기 중심부의 균열지수를 보면 급격히 저하하는 경향을 볼 수 있는데, 이는 하부층과 상부층의 시간차 타설에서 하부층이 외기에 노출되는 시간동안 응력이 변화하여 나타나는 것이지만, 균열의 영향은 없는 범위이다.
둘째, 수화발열량차와 열전달계수의 변화를 이용한 매스콘크리트의 온도응력해석에서 상·하부의 응력차가 줄어드는 것을 알 수 있으며, 이에 따라 온도균열지수는 열전달계수가 낮아짐에 따라 상승하는 것을 알 수 있다.
열응력 해석 결과는 그림 3에서 보는 바와 같이 열전달계수가 작을수록 중심부와 표층부의 온도응력차가 줄어드는 것을 확인하였다. 이에 따라 상․하부층의 수화발열량차를 적용하고, 이에 타설후 양생을 실시함으로써 매스콘크리트에서의 중심부와 표층부의 응력차 감소에 더욱 효과적임을 알 수 있었다.
1℃로 나타났다. 열전달계수가 가장 낮은 양생조건의 해석모델 4에서는 중심부가 54℃로, 표층부와의 온도차는 3℃로 나타나는 것을 확인하였다.
온도해석에서는 타설후 80시간에서 최고온도가 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 해석모델 1에서 중심부가 52.
이에 따라 상․하부층의 수화발열량차를 적용하고, 이에 타설후 양생을 실시함으로써 매스콘크리트에서의 중심부와 표층부의 응력차 감소에 더욱 효과적임을 알 수 있었다.
첫째, 온도해석 결과에서 양생조건에 따른 열전달계수의 변화를 이용하여 표층부와 중심부의 온도차를 줄여 매스콘크리트의 온도균열을 제어할 수 있을 것으로 판단된다.
그림 4에서는 해석모델별 온도균열지수를 그래프로 나타낸 것이며, 모두 최고온도에서 균열지수가 가장 낮은 것으로 확인하였다. 해석모델 1은 1.37로 나타났으며 이는 균열발생을 제한할 경우의 범위인 1.2～1.5에 속하므로 균열에 안전한 것으로 판단되었다. 해석모델 2에서는 1.
5에 속하므로 균열에 안전한 것으로 판단되었다. 해석모델 2에서는 1.8로 균열을 방지할 경우의 1.5보다 크므로 매우 안전한 것으로 판단되었다. 나머지 해석모델 3과 4는 이보다 높은 균열지수를 나타내어 단열효과가 높은 양생조건일수록 뛰어남을 알 수 있었다.
후속연구
본 연구결과는 수화발열량차를 이용한 분할타설된 매스콘크리트를 모델링하여, 양생조건에 따른 열전달계수 변화를 고려한 수화열 해석을 비교·분석한 것으로써, 상·하부층의 발열량차를 줄이면서 우수한 양생조건을 적용할 경우 매스콘크리트의 온도균열제어에 우수한 성능효과가 기대된다.
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