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1. 개요
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최근 들어 대형 콘크리트 구조물이나 고강도 및 고내구성 콘크리트의 필요성이 증가함에 따라 수화열에 의한 온도균열의
발생위험이 증가하고 있는 실정이며, 실제 구조물의 설계 및 시공시 수화열에 의한 온도응력은 무시할 수 없는 영향을 미친다. 이러한 온도균열은
보통 그 폭이 크고 구조물을 관통하는 경우가 많으며, 구조물의 시공초기에 발생하여 구조물의 내력, 수밀성 및 특히 장기적인 내구성능의 저하를
초래하므로 설계, 시공 및 관리 단계에서 면밀한 검토가 이루어져야한다.
매스콘크리트에서는 온도상승시에는 단면내의 온도차에 의해 발생하는
내부구속응력이 주로 문제가 되지만, 최대 온도에 도달한 후 온도강하시에는 외부 구속과 내부 구속에 의한 두 가지의 응력이 겹쳐진 복합응력이
문제가 되며, 각각의 성분의 대소에 따라 온도균열의 발생시기 및 발생양상도 달라진다.
또한 콘크리트의 온도균열은 상대적으로 부재치수가 큰
구조물에서 발생하지만 외부구속이 강한 벽체구조물의 경우 단면폭이 비교적 크지 않더라도 큰 구속도로 인하여 균열 가능성이 매우 크다. 따라서,
다음 표에서 나타난 바와 같이 각 학회나 협회에서 규정에 의하면 토목구조물의 경우 1m이상, 건축구조물의 경우 0.8m이상일 때 온도균열 대책이
필요한 매스콘크리트로 정의하고 있으며, 특히 외부구속도가 큰 벽체구조물의 경우는 0.5m이상인 구조물을 매스콘크리트의 범주에 포함하는 것이
바람직한 것으로 보고하고 있다.
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| 기 관 |
정 의 및
범 위 |
콘크리트
표준시방서 |
매스콘크리트 구조물의 치수는 구조형식, 사용재료, 시공조건에 따라 다르지만, 대략 슬래브는 80∼100cm
이상이고, 하단이 구속되어 있는 벽체는 두께 50cm 이상으로 본다 |
건축공사
표준시방서 |
구조물의 크기가 100cm 이상인 콘크리트 |
일본토목학회
콘크리트
표준시방서 |
부재 또는 구조물의 치수가 커서 수화열에 의한 온도상승을 고려해서 시공해야 하는 콘크리트로, 대략 슬래브는
80∼100cm 이상이고, 하단이 구속되어 있는 벽체는 두께 50cm 이상으로 본다 |
일본건축학회
콘크리트
표준시방서 |
부재단면의 최소 치수가 80cm 이상이고 수화열에 의한 콘크리트의 내부온도와 외기온도와의 차가 25℃이상이 될
것으로 예상되는 콘크리트 |
ACI위원회
207 & 301 |
열의 발생 및 이에 따른 체적변화 때문에 균열대책이 필요한 커다란 크기의 콘크리트로서 최소 치수
2.75ft(76cm)이상의 콘크리트 |
온도균열에는 구조물의 내력에도 영향을 미쳐
반드시 대책수립이 요구되는 균열도 있는 반면에 비록 균열이 발생했다 하더라도 무시할 수 있는 균열이 있다 또한, 구조물의 종류와 크기에 따라서는
1회의 타설높이를 결정하는데 있어서 낮게 타설하는 것이 균열제어에 효과적인 경우가 있는 반면에 타설 높이를 높게 하는 것이 효율적인 경우도
있다. 다시 말해서 온도균열의 제어대책을 적절히 수립하기 위해서는 온도균열의 발생원인 및 영향인자들의 영향도에 대해 충분히 인식한 후에 설계 및
시공 상황에 따라 적절한 대책을 수립할 필요가 있다.
따라서, 본 고에서는 콘크리트의 수화발열과정 및 이에 따른 매스콘크리트의 온도균열의
발생기구를 기술하고, 이러한 온도균열을 발생시키는 온도응력에 영향을 미치는 주요 요인들에 대해서 분석하여 매스콘크리트의 온도 및 응력해석의
전반에서 적용되는 이론을 고찰하고, 또한 실제적인 해석 예를 소개하고자 한다. 이를 통하여 향후 매스콘크리트의 효과적인 온도균열 제어를 위하여
설계 및 시공 전반에 활용할 수 있는 토대를 제공할 것으로 기대된다.
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2. 콘크리트의 수화열특성 및
모델링
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2.1 시멘트의 수화반은 및
수화열
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시멘트는 석회석, 규사, 점토 등의 석회질 원료와 점토질 원료를 적정 비율로 혼합하여 약 1300℃정도에서 용융이
되면서 소성하여 얻어진 클링커에 약 3%의 석고를 첨가하여 미분쇄하여 제조한다. 이러한 과정으로 제조된 시멘트의 화학조성은 다음 표 2.1과
같이 C3S(alite), C2S(belite), C3A(felite), C4AF(celite)의 4가지 주요성분으로 이루어져
있다.
| 화학명 |
화학식 |
약어 |
함유량(%)
(보통시멘트의 경우) |
| Tricalcium silicate |
3CaOㆍSiO2 |
C3S |
50~60 |
| Dicalcium siilcate |
2CaOㆍSiO2 |
C2S |
15~25 |
| Tricalcium aluminate |
3CaOㆍAl2O3 |
C3A |
5~15 |
| Tetracalcium |
4CaOㆍAl2O3ㆍFe2O3 |
C4AF |
5~15 |
시멘트가 물과 반응하여
발열화학반응에 의해 120 cal/g (500 J/g)정도의 열이 발생하고, 시멘트의 발열특성은 표 2.2에 정리한 것과 같이 화학조성에 따라
발열량 및 반응속도가 각각 다르다. 시멘트의 발열량은 C3A가 가장 크며 C3S, C2S, C4AF의 순서이다. 또한 반응속도는 C3A가 가장
빠르며, C3S, C4AF, C2S의 순서이다.
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| 표 2.2 시멘트의 화학조성별 발열특성 및 강도특성 |
| 화학조성 |
발열량 |
반응속도 |
강도 |
| C3S |
보통 |
보통 |
높음 |
| C2S |
낮음 |
느림 |
초기는 낮고 장기는 높음 |
| C3A+CSH2 |
매우 높음 |
빠름 |
낮음 |
| C4AF+CSH2 |
보통 |
보통 |
낮음 |
시멘트의 화학성분 중
강도에 가장 큰 영향을 미치는 것은 C3S와 C2S이며, C3S는 초기재령에서 강도 증진이 뚜렷하고, C2S는 장기재령에서 강도증진이 큰 경향을
보인다.
따라서 시멘트의 종류는 이 두 가지 화학성분의 양에 따라 발열 특성이 결정되어 저발열 시멘트의 제조는 C2S의 발열량이 C3S의
절반 수준이고 이 두 성분이 시멘트 조성의 80%이상을 차지한다는 점에서 보통 시멘트에 비해 C3S양을 즐이고 C2S양을 증가시켜 초기재령에서의
발열량을 저감시키므로써 가능하다. 표 2.3은 국내에서 생산되는 시멘트별 화학성분의 조성을 보여주고 있는데, 이러한 시멘트의 발열 및 강도특성과
시멘트 화학성분의 조성과의 관계를 알 수 있다. 또한 각 시멘트의 최종발열량은 시멘트 조성에 따라 다음 식 (2.1)과 같이 표현될 수 있다.
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여기서, Q∞는 시멘트의 최종 발열량(cal/g)이고, ()는 시멘트에 대한
중량비
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| 시멘트 종류 |
C3S |
C2S |
C3A |
C4AF |
비고 |
| 보통시멘트 |
49 |
23 |
10 |
9 |
1종 |
| 중용열시멘트 |
42 |
37 |
6 |
12 |
2종 |
| 조강시멘트 |
63 |
13 |
8 |
9 |
3종 |
| 저발열시멘트 |
23 |
58 |
3 |
9 |
4종 |
| 내황산염시멘트 |
46 |
32 |
4 |
13 |
5종 |
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2.2 콘크리트의
단열상승곡선
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경화가 진행되는 초기 재령의 콘크리트의 온도응력을 실제적으로 평가하기 위하여 온도장에 대한 이해가 필요하다. 수화반응에
의한 경화현상은 발열반응의 형태로 이러한 수화발열과정은 콘크리트의 초기성능을 평가하는데 중요한 역할을 차지한다. 이러한 콘크리트 단면내의
온도분포는 경계조건 및 초기조건과 함께 다음의 편미분 방정식을 이용하여 수치적으로 결정할 수 있다.
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콘크리트의 내부 발열량 q를 결정하는 방법으로 미소수화열량계를 이용한 시멘트 수화열 측정법이나, 콘크리트 단열상승
시험법을 들 수 있다. 이 방법은 소량의 시료로써 시멘트의 수화발열 특성을 측정하는 기기로서 시멘트와 물을 일정한 온도에서 반응시켜 발생되는
열량을 측정하므로, 시료의 온도이력이 무시되고(표 2.4 참조) 실제 콘크리트의 배합조건이 고려되지 않는 단점을 가지고 있다. 따라서
매스콘크리트의 수화반응에 의한 내부 발열량은 후자의 시험방법을 이용하는 것이 보편적이다.
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| 표 2.4 양생온도별 수화열의 비교 (72 시간 경과후) |
| 시멘트 종류 |
4 oC |
24 oC |
32 oC |
41 oC |
| 보통시멘트 |
36.9 cal/g |
68.0 cal/g |
73.9 cal/g |
80.0 cal/g |
| 조강시멘트 |
52.9 cal/g |
83.2 cal/g |
85.3 cal/g |
93.2 cal/g |
| 저발열시멘트 |
25.7 cal/g |
46.6 cal/g |
45.8 cal/g |
51.2 cal/g |
구조물의 내부발열량을 정식화하기
위하여 기준 반응에 대한 정의가 필요하다. 이러한 기준 반응은 구조물과 동일한 배합조성을 가지는 콘크리트의 단열온도상승시험으로부터 유도할 수
있다. 타설온도가  인 콘크리트가  만큼 온도가 상승한다면 총발열량은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
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단열온도상승시험은 대개 7일에서 10일정도 소요되므로 최대발열량은 곡선에서 근사적으로 얻거나 다음과 같은 시멘트의 최대발열량으로부터 추정할 수 있다.
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콘크리트의 단면내 온도분포를 결정하기 위하여 해석적인 형태의 단열상승곡선이 필요하다. 일반적으로 콘크리트의
단열온도상승은 식 (2.6)과 같은 지수형태의 함수로 나타내며, 최대온도 상승량(K)와 반응속도(α)로서 단열상승 특성을 표현한다.
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시험으로 부터 식 (2.6)의 형태로 온도상승량이 결정되고 이를 미분하여 단위부피당 단위시간당 내부발열량 q를
다음 식 (2.7)과 같이 결정한다.
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식(2.6)의 단열온도상승곡선은 실험에 의하여 결정하는 것이 바람직하나, 콘크리트 표준시방서는 기존의 실험결과를
분석하여 시멘트종류, 단위시멘트량, 타설온도에 따라 다음 표 2.5의 K, α값을 제안하고 있다.
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| 표 2.5 콘크리트의 최대상승온도(K)와 반응속도(α)에 대한 제안식 |
| 시멘트 종류 |
K |
α |
타설온도 |
| 보통시멘트 |
K=0.12C+11.0 |
α=0.0015C+0.135 |
10℃ |
| K=0.11C+13.0 |
α=0.0038C-0.036 |
20℃ |
| K=0.11C+12.0 |
α=0.0040C+0.337 |
30℃ |
| 중용열시멘트 |
K=0.10C+ 9.0 |
α=0.0015C+0.279 |
20℃ |
| 고로시멘트 |
K=0.10C+15.0 |
α=0.0025C+0.207 |
20℃ |
| 프라이애쉬 시멘트 |
K=0.12C+ 8.0 |
α=0.0028C-0.143 |
20℃ |
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콘크리트의 단열온도상승량에 미치는 요인은 그림 2.1과 같이 많은
요인이 있으며, 이 중 시멘트 종류, 단위시멘트량 및 타설온도의 세가지가 가장 지배적인 영향을 미친다.
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| 그림 2.1 콘크리트 단열온도상승에 미치는
요인 |
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3. 수화열에 의한 온도균열
발생기구 및 온도응력에 영향을 미치는 인자
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3.1 개 요
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양 지간이 고정된 콘크리트 구조물을 타설한 시점에서 시간에 따른 온도 변화는 그림
3.1과 같고, 온도의 상승기에는 콘크리트가 팽창하여 단면내에는 압축응력이 도입되나 온도의 하강기에는 다시 수축하게 되고 이때
단면은 인장응력을 받는다.(그림 3.1) 온도의 하강량이 클수록 인장응력의 크기는 크고, 이
값이 콘크리트의 인장강도를 초과하는 경우 부재의 균열이 발생한다. 그림 3.1과 같이 이러한
균열은 시공초기에 발생하고 콘크리트의 강도가 충분히 발현되지 않은 시점에서 발생하므로 구조물의 내력 및 장기적인 내구성에 치명적인 영향을 미칠
수 있으므로 이에 대한 대책이 요구된다.
상술한 구조물은 일방향 거동이 지배적인 가장 단순한 형태의 온도균열 발생기구에 대한 내용이나
매스콘크리트인 경우 단면의 응력 분포는 다음의 두가지 발생기구로 이해할 수 있다 먼저 매스콘크리트의 온도균열에는 구조체의 내부와 외부의 온도분포
차이에 의해 발생하는 균열이 있고 온도상승에 의해 팽창되었던 콘크리트가 온도강하시에 수축이 일어나면서 기타설된 구조물에 의하여 수축이 방해를
받아 발생하는 균열 등 두가지가 있다.
따라서 이러한 두가지 구속조건에 의한 온도균열의 발생 기구를 구분하여 서술하면 다음과 같다.
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| 그림 3.1 양단 고정된 구조물에 대한 단면의 평균 온도 이력 및
응력이력 |
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3.2 내부구속에 의한
응력
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내부구속에 의한 균열은 콘크리트의 내부와 표면과의 온도차이에 의해 발생한다. 그림
3.2에서와 같이 콘크리트의 수화열에 의해 콘크리트의 내부는 온도가 상승하지만 표면은 대기공기에 의해 온도가 낮아지므로, 이
온도차에 의해 균열이 발생한다. 즉, 상대적으로 온도가 낮은 부분의 콘크리트는 수축하려는 것을 상대적으로 온도가 높은 내부의 콘크리트가 구속하여
표면부에 인장응력이 작용하고, 이 응력이 동일재령에서의 인장강도를 초과하면 균열이 발생한다. 표면과 내부의 온도차는 재령 1～5일 정도에서
콘크리트 내부온도가 최고점에 도달할 때 최대가 되는 경우가 많으며, 균열은 콘크리트 온도가 최대가 되는 시점 또는 거푸집 탈형직후에 생기기
쉬우며, 균열은 0.1～0.3mm정도의 폭을 가지고 그 발생양상은 규칙성이 없으며, 또 단면을 관통하지는 않는다. 그러나 내부구속에 의해 표면에
발생한 균열은 건조수축이나 외부구속에 의해 커더란 관통균열로 진전하기도 하므로 주의가 요망된다.
내부구속이 탁월한 경우는 주로 암반 또는
구속체의 탄성계수가 새롭게 타설한 콘크리트에 비해 현저히 낮은 경우나, L/H(블럭의 길이와 높이의 비)가 작은 경우 또는 구속체와의 경계에서
미끄럼이 발생하는 경우 등 외부구속이 비교적 약한 경우에 나타난다.
내부구속응력이 탁월한 경우에는 온도응력의 양상이 거의 일정하고 또한
온도분포형상에 크게 의존하기 때문에, 단위시멘트량이나 타설온도 그리고 타설높이 등 콘크리트 타설계획에 의해 주로 정해지는 값만 정해지면
온도분포로 부터 온도응력을 어느 정도 용이하게 파악할 수가 있다.
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| 그림 3.2 내부구속응력의
발생기구 |
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3.3 외부구속에 의한
응력
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외부구속에 의한 균열은 타설된 콘크리트의 열변형이 지반 또는 기타설한 콘크리트에 의해 구속되어 발생한다. 그림 3.3에 나타난 바와 같이 타설된 콘크리트는 온도가 최고점에 도달한 후에 최종적으로 외기온도와 같을
때까지 온도가 하강한다. 이 온도강하에 의해 콘크리트의 체적은 수축하지만, 이것이 하층의 콘크리트 또는 지반에 의해 구속되어, 외부구속 균열이
발생하는 것이다. 실제의 온도균열제어 대책으로는 이러한 외부구속균열을 어떻게 제어하는가가 중요한 과제가 된다.
외부구속에 의한 균열은
균열폭이 0.2∼0.5mm, 혹은 그 이상이 되는 경우가 많고, 세로로 곧장 뻗은 관통 균열이 되기도 한다.
콘크리트내부의 온도차에 의해
발생하는 응력보다 타설블럭의 크기와 구속도의 영향을 더 크게 받아 내부의 온도응력이 외부구속응력의 크기에 지배받는 경우에는 구조물 내부의 응력이
초기에는 단면전체에 걸쳐서 압축응력을 나타내다가 재령이 경과함에 따라 단면전체가 인장응력으로 바뀌게 된다. 따라서 균열발생시 주로 구속면에
대하여 직각방향으로 발생하며 구조물을 관통하는 경우가 많으면 구조물의 내력에도 커다란 영향을 미치게 된다.
외부구속응력이 탁월한 경우에는
암반 위에 콘크리트를 타설하는 경우나 기타설한 콘크리트 위에 덧씌워 콘크리트를 타설하는 경우가 이에 해당하는데, 구조물의 크기나 하부의
암반상태에 따라 온도응력의 발생양상이 크게 달라지기 때문에 온도균열의 발생시기나 위치 등에 대한 추정이 매우 곤란하다. 이 경우는 평균온도
강하량과 구속도의 크기에 크게 영향을 받기 때문에 프리쿨링이나 파이프쿨링 등 주로 내부구속응력을 줄일 수 있는 시공대책만으로는 온도균열의 발생을
제어하기가 어렵고, 최대온도에 도달한 후의 단위시간당의 온도강하량을 줄일 수 있는 방법이나, 연속타설시 양블럭 사이에 커다란 온도차가 생기지
않도록 타설간격을 짧게 하는 등 구속도를 줄이는 시공대책을 수립할 필요가 있다.
현재로서는 외부구속이 온도응력에 미치는 영향에 대한
정확한 평가가 미비해 기존의 문헌상에 제시되어 있는 값을 그대로 인용 또는 임의로 가정해 사용하고 있는 실정이지만, 외부구속도를 어떻게 평가하는
가에 따라 해석결과에는 커다란 차이가 나기도 한다.
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3.4 온도균열의 평가 -
온도균열지수
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콘크리트 표준 시방서에서 균열발생에 대한 안정성을 정량화하기 위하여 온도균열지수(Icr) 개념을 도입하여 이를 평가할
때에는 콘크리트의 인장강도를 온도응력으로 나눈 값으로 나타낸 다음 식에 의하여 구할 수 있게 하였다.
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| 그림 3.3 외부구속응력의
발생기구 |
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온도균열지수는 값이 클수록 균열이 생기기 어려우며, 균열발생확률과 온도균열지수 관계는 시방서에 의하여 아래 그림에
의하여 구할 수 있다.
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| 그림 3.4 온도균열지수와 균열발생확률 (콘크리트표준시방서,
1996) |
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3.5 온도응력에 영향을 미치는
인자
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콘크리트 표준 시방서에서 균열발생에 대한 안정성을 정량화하기 위하여 온도균열지수(Icr) 개념을 도입하여 이를 평가할
때에는 콘크리트의 인장강도를 온도응력으로 나눈 값으로 나타낸 다음 식에 의하여 구할 수 있게 하였다.
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가. 개요
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초기재령시에 매스콘크리트에서 발생하는 온도균열을 제어하기 위해서는 먼저 온도 및 온도응력에 영향을 미치는 요인의 특성에 대하여 검토할
필요가 있다. 매스콘크리트의 온도 및 온도응력에 영향을 미치는 요인은 온도상승량, 구조물의 구속도, 콘크리트의 역학적 특성 등 크게 세 가지로
분류할 수가 있다.
온도상승량에 영향을 미치는 요인으로서는 부재치수 및 구조물의 형상, 콘크리트의 열적 특성, 타설 조건 및 주변환경
요건 등이 있다. 구속도는 크게 내부구속과 외부구속으로 나눌 수 있고, 내부구속의 경우 구조물 단면내 위치가 가장 큰 영향을 미치며 외부구속의
경우 구속체외 피구속체간의 탄성계수와 접촉면적 및 피구속체의 크기(L/H비)가 큰 영향을 미친다. 또한 매스콘크리트의 온도응력은 콘크리트의
물성이 급격히 변화하는 초기재령에서 유발되므로 초기재령에서 콘크리트의 역학적 특성이 온도응력에 큰 영향을 미친다. 이러한 역학적 특성은 탄성 및
크리프, 건조수축거동과 강도특성, 열팽창 및 수축 특성 등을 들 수 있다. 따라서, 본 절은 이와 같이 여러 요인 중 온도응력에 크게 영향을
미치는 요인들에 대해서 자세히 검토하여 수화열 해석 및 제어대책에 활용하고자 한다.
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나. 온도상승량이 온도응력에
미치는 영향
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콘크리트의 단열온도상승량에 가장 큰 영향을 미치는 요인으로 시멘트 종류, 단위시멘트량, 타설온도 등을 들 수 있고, 이 중 단위시멘트량은
콘크리트의 온도상승량에 가장 큰 영향을 미쳐 결과적으로는 구조체내의 온도응력 및 온도균열지수에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 매스콘크리트
시공시에는 소요의 품질을 확보할 수 있는 범위 내에서 이에 대한 적극적인 검토가 필요하다. 콘크리트 타설계획 수립시 단위시멘트량을 조절하는 것은
균열제어면에서 볼 때 매우 효과가 있어 10㎏/㎥의 단위시멘트량으로는 중앙부의 온도상승량을 대략 0.7∼1.1℃ 정도 조절할 수가 있고,
내외부의 온도차는 0.3∼0.4℃ 정도 조절이 가능하다. 또한 저열시멘트나 플라이애쉬 등의 혼화재를 이용하여 콘크리트의 내부 발열량을 저감시킬
수 있다.
배합이나 시공조건을 조절하여 발열량을 저감시켜 수화열로 인한 온도균열을 방지할 수 있다면 좋지만, 여러가지의 시공조건 때문에
적용이 곤란한 경우에는 사전냉각(precooling)방법으로 인위적으로 타설시의 콘크리트 온도를 낮추는 방법이 효과적이다. 콘크리트의 타설시
온도는 타설후의 온도상승속도, 최고온도, 온도강하속도 등에 큰 영향을 미치고 이러한 것이 균열 발생의 유무, 균열폭 등에 직접 영향을 미치게
되므로 가능한 비빔 온도를 낮게 유지하는 것이 바람직하다.
콘크리트의 온도를 낮추어 온도상승량을 줄이는 방법은 단위시멘트량의 조절만큼 큰
효과를 기대할 수는 없지만, 타설온도가 낮아질수록 단열온도 상승식 중의 수화반응속도계수 α가 점차로 작아져 수화반응이 지연되어 결과적으로
온도균열이 발생하는 시기가 점차 늦어지고 단위시멘트량으로 제어할 수 있는 온도량이 약간씩 커지며, 단위시멘트량이 적을 수록 그리고 저온으로
갈수록 제어효과는 크다.
또한 콘크리트의 발열량을 재료적인 측면에서 조절할 수 없는 경우 사후냉각방법으로 단면의 온도를 저감시킬 수 있다.
파이프쿨링은 콘크리트의 타설전에 파이프를 적당한 간격으로 미리 배치해 놓았다가 콘크리트 타설후 물을 순환시켜 내부에서 발생하는 수화열을 장기간에
걸쳐 제거하는 방법이다. 이 방법은 일반적으로 댐구조물 시공시에 많이 사용되며, 교각시공시 종종 사용되기도 한다.
그러나 실제의
시공조건(예를 들면, 파이프의 간격, 물순환속도 등)이 적절하지 못하여 통수온도가 너무 낮거나 냉각기간이 적절치 않는 등의 시공착오가 발생할
경우에는 냉각관 근처의 온도경사가 커지거나 온도강하속도가 커져서 심각한 온도균열이 발생하는 경우도 있다. 따라서 파이프쿨링을 실시할 경우에는 물
순환시의 파이프의 직경과 간격, 통수량, 통수온도 및 기간등에 대해서는 사전에 면밀히 검토해 놓을 필요가
있다.
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다. 구속도가 온도응력에
미치는 영향
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Mass concrete의 온도변화는 구조물 자체의 체적변화를 일으키며, 이러한 체적변화가 구속되므로써 구속응력이 발생하게 된다. 이와
같은 변형구속은 매스콘크리트 구조물의 온도응력 발생에 큰 영향을 미치는 요인이며, 구속정도에 따라 온도응력의 크기가 결정된다. 구속조건은 이미
언급한 바와 같이 내외부 온도차에 의한 내부구속과 이미 타설된 구조물에 의한 외부구속이 있으며, 일반적으로 매스콘크리트 구조물은 이 두 가지
구속조건이 복합적으로 영향을 미치게 된다. 외부구속은 타설된 콘크리트와 기존 지반과의 접촉에 의해 발생하고, 두 부재의 탄성계수, 피구속체의
치수 및 접촉면적 등이 주요한 영향인자로 작용한다. 외부구속이 큰 구조물로 그림과 같은 벽체구조물을 들 수 있고, 이때 벽체의
길이/높이비(L/H 비)가 클수록, 기초면에서 가까울수록 외부구속도는 증가함을 알 수 있다. 이러한 외부구속도를 이용하여 체적변화로 인한
구속응력은 다음 식과 같이 구할 수 있다.
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이 때 콘크리트와 지반의 강성차이에 따른 구속정도는 다음 식의 보정계수를 사용하여 수정하여야
한다.
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이와 같이 1회에 타설하는 콘크리트 블록의 크기는 그 자체만으로는 결정이 곤란하고, 하부구속체의 탄성계수와 관련하여
검토되어져야 한다. 매스콘크리트의 온도응력은 하부 구속체의 탄성계수 영향을 크게 받기 때문에 시공시에는 이에 대한 철저한 검토가 필요하다.
하부의 암반이 연암인 경우에는 내부구속상태가 되어 초기에 표면부에서 균열의 발생가능성이 가장 높아지게 된다. 그러나 경암이거나 하부에 이미
타설한 콘크리트가 있을 경우에는 완전한 외부구속상태가 되어 온도균열의 발생위치가 표면부에서 중앙부로 바뀌고, 최대온도 발생시기도 늦어지게 된다.
따라서 벽체 구조물과 같이 길이가 긴 구조물은 L/H 비를 줄이는 방향, 즉 높이를 크게 하는 방법이 균열제어에
효과적이다.
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| 그림 3.5 L/H비와 부재높이에 따른 중앙선의 구속정도
(ACI) |
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라. 콘크리트의 역학적 특성이 온도응력에 미치는
영향
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초기 재령 콘크리트의 역학적 성질은 재령과 경화가 진행되는 환경에 따라 크게 좌우된다. 따라서, 열응력을 실제적인 모사하려면 재령에 따른
탄성계수, 압축강도 및 인장강도 증진 등의 콘크리트의 역학적 성질을 모델링하는 과정이 필수적이다.
일반적으로 강도 및 탄성계수는 재령의
함수로 모델링하지만 이는 동일한 온도와 양생조건으로 부터 결정되므로 매스콘크리트와 같이 온도이력이 단면의 위치에 따라 크게 변화하는 구조물의
경우 오차를 발생시킨다. 이러한 오차를 줄이기 위하여 각 단면의 요소가 상이한 온도이력을 받는 것을 고려하여야 한다.
매스콘크리트 구조물의
초기재령의 강도 특성을 평가하기 위하여 강도를 시간의 함수로만 고려하는 기존의 제안식을 이용하는 것보다 초기재령의 온도이력을 보다 효과적으로
고려하는 성숙도이론을 적용하는 것이 바람직하다. 이를 위하여 기존의 제안식의 활용을 위하여 성숙도이론은 등가재령의 개념을 적용할 수
있다.
매스콘크리트 구조물에서의 수화열에 의한 온도응력은 특히 역학적 특성이 급격히 변화하는 초기재령에서 문제가 되므로 초기재령의 강도증진
및 탄성계수, 크리프 및 건조수축, 열팽창계수 등의 역학적 특성을 정확히 평가할 필요가 있다.
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3.6 수화열 저감 대책
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수화열에 의한 온도응력 및 균열폭은 구조형식, 경계조건, 재료, 배합, 시공, 양생, 기상조건 등 복합적인 요인의
영향을 받는다. 현재까지의 온도균열 제어대책으로는 재료, 배합, 시공을 적절하게 선택하여 실시하므로써 균열발생을 방지하려는 것이 주를 이루었다.
그러나 균열발생을 완전히 방지하려고 하면 오히려 불합리 또는 비경제적인 설계, 시공이 이루어지는 경우도 있게 된다. 따라서 줄눈부의 간격, 배근
등을 통하여 온도균열을 제어한다는 관점에서 발생온도, 응력, 균열폭 등을 사전에 예측 계산하여 이에 따른 적절한 제어대책을 수립하는 것이
바람직하다.
따라서, 본 절은 시멘트의 수화열에 기인하는 온도응력에 의해 균열발생이 예측되는 콘크리트 구조물에 대해 균열을 억제할 목적으로
필요한 계획, 설계 및 시공에 관한 중요한 사항에 대한 표준적 요령을 보인 것이다.
콘크리트구조물의 수화열에 기인하는 온도응력 및 균열
현상에는 구조물의 구조형식, 경계조건, 재료, 배합, 시공, 양생, 기상조건 등의 요인이 복잡하고 복합적으로 영향을 준다. 본 절은 이 문제에
대처하기 위해 각 요인에 의한 대응방법을 계통적으로 나타낸 것이다. 특히, 설계와 시공의 관련의 중요성에 맞추어 설계자의 입장에서의 검토항목 및
시공자의 입장에서의 검토사항 및 상호의 관련에 대해 권장하는 내용의 기본구성을 나타내고 있다.
본 절에서 대상으로 하는 구조물은
무근콘크리트, 철근콘크리트 및 PS 콘크리트 구조물로 한번에 타설하는 콘크리트 용적이 크고 발열량이 큰 것, 또 용적은 그 정도로 크지 않아도
그 형상, 경계조건 등에서 온도강하량이나 온도구배가 크게 되는 것, 온도에 의한 변형이 구속되는 구조물의 전체 또는 이음에서 절단된 일부분을
포함한다. 이들의 구조물의 형태의 예는 매시브한 구조, 단면이 큰 기둥, 보, 벽체, 기초슬래브, 용기, 댐 등이다.
기존의 온도균열
제어대책으로서는 적절한 재료, 배합설계, 배합온도 및 양생을 선정하므로써 균열발생을 방지하려고 하는 입장이 주였지만, 균열발생을 완전히
방지하려고 하면 오히려 불합리 또는 비경제적인 설계 및 시공이 되는 것도 있다. 따라서 본 절에서는 재료 및 배합, 시공방법 뿐 만 아니라
적절한 이음간격이나 배근으로 온도균열을 제어하려는 관점에서 온도해석, 응력해석 및 균열폭의 예측계산과 함께 그 예측대로 온도나 응력이 시간경과에
따른 변화를 보이는가를 관리, 종합적인 판단을 하기 위한 절차 및 방법을 수록하였다.
온도균열의 제어대책은 설계변경의 가능여부에 따라
설계자의 입장과 시공자의 입장으로 분류된다. 설계자는 구조형식, 단면, 재료, 배합, 시공법 등 기본사항들을 주로 검토하고, 시공자는 설계변경을
자의로 할 수 없기 때문에 균열제어만을 검토하게 된다. 일반적인 균열제어 순서를 보면 다음과 같다.
| (1) |
먼저 구조물을 통상의 설계방식에 의해 설계하고, 유사 구조물의 시공례 및 온도균열발생의 영향정도 등을 참고로 하여
온도균열발생에 대해 전혀 문제가 없는가를 판단한다.
|
| (2) |
문제가 있다고 판단되면, 실제의 공사조건을 고려하여 재료, 배합, 시공성 등을 가정하여 상승온도를 예측하고, 그
결과를 토대로 부재단면의 평균온도의 최대치로부터의 하강치를 계산하여 온도균열 발생여부를 검토한다.
|
| (3) |
계산한 온도응력이 콘크리트의 인장강도보다 작으면, 균열은 발생하지 않는다고 판단한다.
|
| (4) |
계산한 온도응력이 콘크리트의 인장강도보다 크면 균열의 발생가능성이 있으므로 구조물의 기능상 균열발생이 허용되지 않는
경우에는 제어대책을 수립한다.
|
| (5) |
구조물의 기능상 균열발생이 허용되는 경우에는 발생하는 균열의 폭을 예측계산하여 그 값이 구조물의 기능이나 환경조건에
따른 허용 균열폭 이하인가를 검토한다.
|
| (6) |
허용 균열폭보다 큰 경우에는 제어대책을 수립하고, 또한 예측치를 허용 균열폭이하로 억제시키기 위해 다량의 철근을
배근해야 하는 등 제어대책이 불합리하게 되는 경우에는 제어대책을
재수립한다.
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| |
|
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| 그림 3.6 온도균열 제어대책
흐름도 |
매스콘크리트의 온도균열은 타설후의 시멘트의 수화열에 의한 온도상승
및 강하에 따라 생기는 체적변화가 내부 또는 외부적으로 구속을 받아 발생하는 것으로, 온도균열의 제어대책은 기본적으로 다음과 같은 것을 들 수
있다.
| (1) |
콘크리트의 최대 상승온도를 낮게 한다. |
| (2) |
온도응력을 완화시킨다. |
| (3) |
온도응력에 대한 저항력을 증가시킨다. |
온도균열을 제어하기
위한 방법은 아래와 같은 여러 방법이 있으며, 온도균열 발생이 우려되는 구조물에는 구조물 및 주변환경에 따른 적절한 수화열 저감대책을 마련하여야
한다.
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| |
|
1) 수화열 저감방법의 개요도
2) 수화열 저감방안
|
| |
|
| 저발열시멘트 |
| ▶ |
별도의 시설장치없이 1회타설하므로 시공속도가 빠름 |
| ▶ |
품질관리곤란 |
| ▶ |
콘크리트의 배합이 변경되므로 별도의 품질시험 및 장기적인 내구성에 대한 검증이
필요 | |
| 분할타설 |
| ▶ |
별도의 시설없이 타설만으로 조절이 가능하므로 시공이 간편 |
| ▶ |
타설온도를 조절하기 위한 배합수의 관리가 어려움 |
| ▶ |
계측을 통해 타설고를 결정해야 하므로 외부환경의 영향이 큼 |
| ▶ |
시공이음부의 정밀한 시공관리가 요구되며, 이음부의 하자발생 가능성이
있음 | |
| 프리쿨링 |
| ▶ |
계절에 따라 재료의 온도가 달라지므로 관리가 어려움 |
| ▶ |
냉각수 및 Flake ice의 제조설비가 필요하지만 포스트쿨링에 비해 경제적인 방법 |
| ▶ |
타설콘크리트 배합변경이 없으므로 별도의 품질시험이
불필요함 | |
| 파이프쿨링 |
| ▶ |
파이프설치, 유입수저장시설, 수온조절장치 등 별도의 시설이 필요함 |
| ▶ |
타설콘크리트 배합변경이 없으므로 별도의 품질시험이 불필요함 |
| ▶ |
기시공사례 결과 저감효과가 분명하며, 계측 및 수온제어장치 등 품질관리가
중요함 | |
| Sheet 양생 |
| ▶ |
별도의 시설없이 양생시 구조체의 보온설비만으로 가능함 |
| ▶ |
타설콘크리트 배합변경이 없으므로 별도의 품질시험이 불필요함 |
| ▶ |
계측을 통해 쉬트 도포시기를 결정해야하므로 계측설비가
불필요함 | | |
| |
|
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| |
|
|
4. 수화열 해석 예제를 통한
온도 및 응력발생 경향
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| |
4.1 내부구속이 지배하는 구조물 - 지반위에 타설되는 기초부
해석
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| |
|
(1) 해석 개요
▷내부구속이 지배하는 구조물: 내외부 온도차에 의한 표면부의 온도균열 가능성 검토 필요
▷해석 모델:
대칭성을 이용한 1/4 모델링
▷단열온도상승곡선 : 보통시멘트, 단위시멘트량 320kg/m3, 
(2)
재료물성
| 물성＼ 사용재료 |
기초부
콘크리트 |
지반 |
비열(kcal/kg·℃)
|
0.25 |
0.20 |
밀도(kg/㎥)
|
2500 |
1800 |
열전도율(kcal/m·hr·℃)
|
2.3 |
1.7 |
대류계수(kcal/m2·hr·℃)
|
12 |
12 |
외기온도(℃)
|
20 |
20 |
타설온도(℃)
|
20 |
20 |
| 압축강도(kgf/㎠) |
240 |
- |
탄성계수(kgf/㎠)
|
232000 |
10000 |
인장강도(kgf/㎠)
|
21.7 |
- |
열팽창계수( /℃)
|
10.0×10-6
|
10.0×10-6 |
포아송비
|
0.2 |
0.2 |
(3) 해석모델
| (4) 표면부 인장응력 분포 및 이력 :
|
최대온도발생시 표면부 최대 인장응력(70시간)
온도균열 가능성,
온도균열지수 1.0이하 |
(5) 중심부 인장응력 분포 및 이력 :
|
온도하강시 중심부 인장응력 - 구속도의
영향 |
|
| |
4.2 외부구속이 지배하는 구조물 - 기타설된 기초부에 타설되는 교대부
해석
|
| |
|
(1) 해석 개요
| ▷ |
외부구속이 지배하는 구조물 : 최대온도상승후 하강되는 온도차와 기타설되는 콘크리트의 구속도에 의한 중심부의 온도균열
가능성 검토 필요 |
| ▷ |
단열온도상승곡선 : |
보통시멘트
저발열시멘트 |
 |
(2)
재료물성
| 물성＼ 사용재료 |
콘크리트 |
비고 |
비열(kcal/kg·℃)
|
0.25 |
ㆍ압축강도 발현
-보통시멘트
|
밀도(kg/㎥)
|
2500 |
열전도율(kcal/m·hr·℃)
|
2.3 |
대류계수(kcal/m2·hr·℃)
|
12 |
외기온도(℃)
|
20 |
타설온도(℃)
|
20 |
| 압축강도(kgf/㎠) |
240 |
탄성계수(kgf/㎠)
|
232000 |
인장강도(kgf/㎠)
|
21.7 |
열팽창계수( /℃)
|
10.0×10-6 |
포아송비
|
0.2 |
(3) 해석모델 - 전체모델
(4) 벽체 일괄타설 온도해석 및 응력해석 결과 (보통 포틀랜드
시멘트)
|
 |
최대온도 도달시 온도분포
|
중심부와 표면부의
온도이력 |
 |
최대온도 도달시 표면부 응력분포
|
표면부 인장응력
이력 |
 |
온도하강 종료시 중앙부 응력분포
|
중앙부 안장응력
이력 |
| 보통시멘트 배합 |
표면부(40시간) |
중심부(700시간) |
최대온도(℃)
|
- |
57.3 |
인장응력(kgf/㎠)
|
23.5 |
29.4 |
인장강도(kgf/㎠)
|
12.7 |
21.15 |
온도균열지수
|
0.54 |
0.72 |
(5) 벽체 일괄타설 온도해석 및 응력해석 결과 (저발열 시멘트)
 |
최대온도 도달시 온도분포
|
중심부와 표면부의
온도이력 |
 |
최대온도 도달시 표면부 응력분포
|
표면부 인장응력
이력 |
 |
온도하강 종료시 중앙부 응력분포
|
중앙부 안장응력
이력 |
| 보통시멘트 배합 |
표면부(70시간) |
중심부(700시간) |
최대온도(℃)
|
- |
36.4 |
인장응력(kgf/㎠)
|
10.3 |
14.11 |
인장강도(kgf/㎠)
|
13.9 |
21.11 |
온도균열지수
|
1.32 |
1.47 |
|
| |
4.3 시공단계를 고려한 PSC 박스 거더 교량의 주두부
해석
|
| |
|
(1) 해석 개요
| ▷ |
PSC 박스 거더 교량의 시공단계별 주두부 해석, 대칭성을 이용한 1/4 모델링 |
| ▷ |
단열온도상승곡선 : 저발열시멘트, 단위시멘트량 400kg/㎥,  |
(2) 시공단계별 온도분포
(3) 시공단계별
응력분포
|
|
5. 지하박스구조물의 수화열 해석 및 온도균열제어
대책
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| |
5.1 개요
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| |
|
매스콘크리트의 온도 및 열응력을 예측하는 방법에는 실험적 방법과 해석적 방법이 있다. 실험적 방법은 실 구조물과 유사한
실험체를 제작하고 필요한 게이지를 설치하여 온도 및 열응력을 직접 측정하기 때문에 확실한 방법이지만 실험체의 제작에 따른 인력의 소모와 경제성이
큰 문제가 된다. 해석적 방법은 해석조건을 임의로 쉽게 변경하여 다양한 타설조건에 대하여 해석할 수 있기 때문에 온도 및 열응력을 예측하는
효과적인 수단이 될 수 있지만 콘크리트의 온도분포 및 열응력의 계산과 관계된 제반 물성치를 결정하는데 세심한 주의를 기울여야 한다. 특히
열응력의 산정시 탄성계수값의 재령에 따른 변화를 적절히 고려하지 못할 경우 실제 발생하는 열 응력을 제대로 평가할 수 없다. 간단한 부재의 경우
기존 연구결과에 의한 온도분포 및 열응력의 근사값을 구할 수 있으나, 일반적으로는 유한요소법 등의 전산구조해석에 의한 방법이 재료물성이나
경계조건을 실제에 가깝게 모사하기 때문에 비교적 정확한 결과를 준다. 유한요소법에 의한 온도해석 및 열응력해석기법에는 여러 가지가 있으나,
일반적으로 온도에 관련된 요소를 따로 사용하여 구조물내의 온도분포를 구하여 이를 열응력해석의 입력으로 이용하여 열응력을 구하는 방법이
사용된다.
따라서 대표적인 외부구속이 작용하는 구조물로 지하철 박스 구조물의 1단 벽체부를 대상으로 수화열 해석의 예제를 통하여
온도균열제어 대책 절차를 고찰하고자 한다.
|
| |
5.2 수화열 해석
알고리즘
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| |
5.3 지하철 박스구조물 1단 벽체부
해석
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(1) 개요
| ▷ 목적 : |
지하철 박스 구조물(본선 및 정거장)에 대하여 수화열 및 온도응력 해석을 통하여 |
| 온도균열 발생여부를 검토하여 적정 설계 및 시공방안을 제시 |
| ▷ 해석 대상구조물 : 지하철 박스구조물에서 온도균열 위험성이 가장 큰 1단
벽체부 |
| ▷ 해석변수 선정 및 온도균열 제어
흐름도 |
(2) 해석 재료의 물성
| 물성＼ 사용재료 |
콘크리트 |
지반 |
비고 |
비열(kcal/kg·℃)
|
0.25 |
0.20
|
|
밀도(kg/㎥)
|
2500 |
1800 |
|
열전도율(kcal/m·hr·℃)
|
2.3 |
1.7 |
|
대류계수(kcal/m2·hr·℃)
|
10 |
10 |
대기노출면과 철제거푸집
동일값 적용 |
외기온도(℃)
|
25 |
25 |
서중콘크리트 30℃ |
타설온도(℃)
|
25
프리쿨링 23 |
지반온도 25 |
서중콘크리트 33℃
서중콘크리트 프리쿨링 28℃ |
| 압축강도(kgf/㎠) |
270 |
- |
|
탄성계수(kgf/㎠)
|
246000 |
50000 |
|
인장강도(kgf/㎠)
|
23 |
- |
|
열팽창계수( /℃)
|
10.0×10-6
|
10.0×10-6 |
|
포아송비
|
0.2 |
0.2 |
|
|
| |
|
(3) 대표적인 온도분포 및 응력분포 |
| |
|
|
| |
|
(4) 시멘트 종류에 따른 수화열 및 온도응력 특성 |
| |
|
플라이애쉬를 20% 혼입한 저발열 배합은 각 단면에서 대략 5-8℃ 정도의 온도감소 효과를 얻을 수 있고, 이는 동일한
단면 제원에서 이에 상응하는 온도응력의 저감 효과를 보인다.
|
| |
|
 |
저발열 배합의 온도 저감 효과
|
저발열 배합의 온도응력 저감
효과 |
|
| |
|
(5) 단면두께에 따른 수화열 및 온도응력
특성
|
| |
|
지하철 박스 구조물은 단면두께가 0.8m-1.4m로 증가할수록 약 10℃의 온도가 상승하고, 최대인장응력 역시
단면두께에 따라 증가하는 경향을 보인다. 따라서 단면두께가 클수록 적극적인 온도균열제어대책이 요구된다.
 |
일반배합의 단면두께별 온도이력
|
일반배합의 단면두께별
응력이력 |
 |
저발열배합의 단면두께별 온도이력
|
저발열배합의 단면두께별
응력이력 |
|
| |
|
(6) 타설길이에 따른 수화열 및 온도응력 특성
|
| |
|
본 해석에서 적용하는 타설길이 18m와 기존 지하철의 타설길이인 30m로 시공하는 경우 수화열의 발생은 동일하나,
타설길이의 감소에 따른 구속도의 완화로 인하여 온도균열의 제어에 매우 효과적인 것으로 사료된다.
 |
타설길이에 따른 온도이력 특성
|
타설길이에 따른 응력이력 특성
|
|
| |
|
(7) 타설높이에 따른 수화열 및 온도응력
특성
|
| |
|
단면두께 1.3m, 타설길이 18m인 1단 벽체부의 타설높이를 2m, 3m, 4m로 변할떄 타설 높이에 따른 단면의
온도분포 양상이 크게 변화하지 않는다. 그러나 타설높이를 낮게 하는 것이 오히려 구속도를 증가시켜 온도균열 제어에 불리한 작용을 하는 것으로
나타났다. 따라서 시공품질을 고려할 때 1회 타설높이는 3-4m내외가 적정할 것으로 사료된다.
 |
일반배합의 타설높이별 온도이력
|
일반배합의 타설높이별
응력이력 |
 |
저발열배합의 타설높이별 온도이력
|
저발열배합의 타설높이별
응력이력 |
|
| |
|
(8) 서중콘크리트 수화열 및 온도응력 특성
|
| |
|
서중콘크리트의 경우 온도응력이 보통콘크리트에 비해 증가하여 온도균열의 위험성이 커지므로 프리쿨링에 의한 콘크리트의
온도관리 및 타설 및 양생 등의 시공 품질관리에 더욱 주의하여야 한다.
 |
서중 콘크리트의 온도이력 특성
|
서중콘크리트의 응력이력
특성 |
|
| |
|
(9) 해석 변수별 온도균열지수
|
| |
|
|
| |
|
(10) 지하철 박스 구조물의 온도균열 제어
대책
|
| |
|
●
|
지하철박스구조물: |
1단 벽체 최대응력발생, 단면두께 증가에 따라 균열가능성 증가 |
| ● |
1단 벽체부 온도균열 제어방안: |
| |
▶ 재료적 측면 : |
온도균열 제어를 위한 저발열 콘크리트 선정 |
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(OPC+플라이애쉬 20% 저발열배합) |
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▶ 설계적 측면 : |
온도 및 건조수축 철근비 0.4%이상 설계 |
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허용균열폭 이내로 온도균열 제어 |
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▶ 시공적 측면 : |
1회 타설길이 18m 설계 |
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기존설계(25-30m)에 비하여 외부구속도 감소시켜 온도균열제어 |
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적정 타설높이: 온도관리를 병행하여 3-4m 시공하는 것이 바람직 |
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서중콘크리트 적정 시공방안 : 프리쿨링으로 타설온도 저감하여 온도균열
제어 | |
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출처 : 別有風景에서 |글쓴이 : 豊柳客