UHSFRC(Ultra High Strength Steel-Fiber Reinforced Cementitious Composites)를 구조부재에 적용할 경우, 시공성능 및 내하성능에 있어서 탁월한 효과가 있을 것으로 예상된다. 하지만 부배합의 특성 상 수축 및 크리프와 같은 장기거동 특성에 대해서는 구조부재 적용에 있어 장해요인으로 인식되고한다. 따라서 UHSFRC를 구조부재에 적용할 경우 건조수축 및 크리프 변형 등 장기거동에 대한 검토가 반드시 필요할 것이다. 본 연구에서는 UHSFRC의 건조수축 특성에 대한 분석결과를 나타내었다. 초기 노출재령에서 상대적으로 빠르게 발생하는 UHSFRC의 건조수축 특성과 재료의 치밀한 조직 구성으로 인해 수분의 이동이 훨씬 느리게 발생하는 점 등으로 인해 국내 설계기준에서 제시하고 있는 건조수축모델을 UHSFRC에 적용할 경우, 수축거동 특성을 정확하게 반영하지 못하는 것으로 나타났으며, 따라서 일반 콘크리트와는 다른 UHSFRC의 수축특성을 반영한 건조수축 모델을 제안하였다.
콘크리트의 건조수축과 크리프는 노출환경, 물성치 및 하중조건 등의 여러 변수에 따라 결정되어 그 예측이 어렵다. 본 연구에서는 국내 8개 FCM 교량 적용 고성능 콘크리트의 실험 데이터를 활용하여 대표적인 5개 건조수축 및 크리프 제안식의 신뢰성를 평가하였다. 예측 모델과 실측 데이터의 합리적인 평가를 위해 5가지 통계학적 평가방법이 이용되었다.
이 논문은 시공단계를 고려한 콘크리트 프레임 구조물의 거동 해석을 다루고 있다. 고층건물의 경우 하루에 시공이 완료되지 않으므로 각 시공단계에 따라 콘크리트의 시간의존적 현상은 다르게 발생된다. 이를 위하여 이 논문에서는 일반적인 프레임 해석기법에 콘크리트의 시간의존적 특성을 고려하였다. 이 연구에 도입된 해석기법은 단면을 가상의 층으로 나누고 각층은 일축상태로 가정한 적층단면을 사용하였다. 요소는 평면 보요소를 사용하였으며 강성행렬은 변위법을 바탕으로 유도하였고 전체적인 구조해석은 비선형 구조해석 방법의 하나인 복합법을 사용하였다. 콘크리트의 시간의존적 특성을 고려하기 위하여 단면의 각 층에서 크리프와 건조수축에 의한 변형률을 계산하였으며 크리프는 크리프 Compliance의 전개에 기본을 둔 1차 순환적 단계 알고리즘을 사용하였다. 끝으로 이 연구에서 제안된 해석모델을 이용하여 프레임해석 및 기둥축소에 관한 예제를 해석하였다.
수축대는 큰 부재를 공사기간 중 일정기각 동안 몇 개의 부분으로 나누어 부재내의 인장 응력을 유발시키지 않으면서 상당량의 건조수축이 발생하도록 하여 건조수축으로 인한 응력을 감소시키는 역할을 하는 일시적인 조인트이다. 본 연구에서는 시공단계와 크리프에 의한 응력완화 효과를 고려한 건조수축응력해석 방법을 바탕으로 수축대의 효과를 해석할 수 있는 방법을 제안하였다. 제안된 해석방법을 10층 규모의 예제 구조물에 적용하여 얻은 결과는 다음과 같다. 수축대의 응력감소효과는 수축대가 설치된 층에만 적용되며 다른 층 슬래브에는 오히려 건조수축응력을 다소 증가시키게 된다. 수축대의 메움시기 변화에 따른 건조수축응력 감소효과는 콘크리트모델의 건조수축변형량의 시간에 따른 변화와 유사한 양상을 보이고 있으며 수축대를 메우기 전에 발생한 건조수축변형량이 많을수록 수축대의 응력감소효과가 증가한다.
개발된 저열 시멘트 콘크리트의 장기거동 특성인 비구속 건조수축과 크리프가 양생온도를 주요 변수로 측정하였다. 저열 콘크리트의 목표 압축강도인 42MPa를 고려하여 양생온도 5, 20, $40^{\circ}C$에서 물-결합재비는 각각 27.5, 30, 32.5%를 선택하였다. 콘크리트의 건조수축 변형률은 양생온도가 낮을수록 모세관 수 및 겔 공극수의 증발지연으로 인해 감소하는 경향을 보였다. 반면 크리프 변형률은 전이 온도 크리프의 발생으로 인하여 초기 양생온도가 낮은 실험체에서 높았다. 콘크리트 구조설계기준(KCI) 예측모델은 ACI 209 예측모델에 비해 실험결과와 잘 일치하였지만 개발된 저열 시멘트에 대한 보정계수의 제안이 필요하였다.
고층건물 콘크리트 슬래브에 발생하는 건조수축변형은 기둥이나 벽체 등의 구조부재에 의해 변형발생이 제한되고 이로 인한 인장응력이 부재의 인장강도를 초과하게 되면 균열이 발생한다. 이 논문에서는 건조수축과 크리프, 철근효과 등 콘크리트의 재료특성과 시공단계에 따른 건조수축을 고려하여 슬래브에 발생하는 응력을 산정하는 실용적인 해석방법을 제안하였다. 건조수축으로 인해 부재에 작용하는 인장응력은 건조수축변형을 등가온도하중으로 치환하여 계산할 수 있으며, 건조수축과는 달리 응력을 이완시켜 주는 크리프의 영향은 콘크리트의 탄성계수 Ec 대신에 크리프를 고려한 콘크리트의 유효탄성계수 E eff를 사용하고, 배근된 철근은 등가의 보요소로 모델링하여 해석에 반영할 수 있다. 또한 고층건물 슬래브에서 발생하는 건조수축응력은 그 층에서 발생한 건조수축량과 하부 층의 건조수축량의 차이인 유효건조수축에 의한 응력임을 고려하여 각 시공단계마다 발생하는 응력을 단계별 해석을 수행하여 구하고 이를 합산함으로서 슬래브에 최종적으로 발생하는 응력을 산정한다. 10층 규모에 예제건물을 대상으로 해석한 결과, 상부 층으로 갈수록 점차 건조수축응력이 줄어들며 전체 구조물에 발생한 응력은 저층부(1~2층)에서는 기준강도를 초과하나 3층 이상의 고층부에서는 기준강도의 27.9~92.8% 수준으로 나타났다.
실제 FCM 교량에 적용되는 고강도 콘크리트의 시간의 다양한 양생 환경에서의 시간 의존적 거동을 평가하기 위해, 기건 및 도포, 습윤 환경에서의 100${\times}$100${\times}$400mm 각주형 공시체의 수축량을 측정하였다. 또한 상수와 10% CaCl$_2$ 수용액에 노출된 콘크리트의 3일 및 28일 재령에서의 압축크리프를 측정하였고, 일반적인 기건 및 도포 공시체의 실험 결과와 비교하였다. 도포와 습윤 양생 환경에 노출된 콘크리트의 시간 의존적 거동은 건조수축과 크리프 모두 상당한 차이를 보였다. 따라서 기존의 크리프 실험 방법으로 실제 콘크리트 구조물의 크리프와 건조수축을 측정하는 것에 대한 재고가 필요하다고 판단된다.
본 연구에서는 수정유효탄성계수법에 근거하여 2축 휨과 축력을 동시에 받는 경우에 콘크리트의 크리프와 건조수축을 고려한 철근콘크리트 보의 효율적이고 합리적인 단면해석 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 재령보정계수와 선형 크리프 이론을 이용하였으며, 응력의 분포를 평형조건으로부터 유도하였다. 제안된 방법을 사용하여 직사각형 단면에 대한 예제해석을 수행하였으며 직사각형 단면에서 변형도의 변화와 응력의 변화를 검토하였다.
최근 국내에서는 철근콘크리트 초고층 건물이 계획 또는 시공 중에 있다. 콘크리트가 가지는 시간의존적인 재료특성인 크리프 및 건조수축 특성파악이 초고층 건물 시공에서 이슈화 되고 있는 부등축소량 해결의 출발점이 되고 있다. 본 연구는 잠실 제2롯데월드의 부등축소량 해결을 위한 사전단계인 재료연구를 포함하고 있으며 당사 프로젝트 코어부 콘크리트 배합 50, 60, 70MPa에 대한 재료연구의 첫 번째 단계로 진행 중인 콘크리트 테스트 프로그램의 결과 값과 예측 모델식에 의한 결과 값을 전체 건조수축 변형과 단위 응력당전체 크리프 변형(Compliance)에 근거한 분석이 이루어졌으며 사용된 예측 모델식은 ACI209R Model,Ba${\check{z}}$ant-Baweja B3 Model, CEB MC99 Model, 및 GL2000 Model등과 같다. 그리고 사전설계 단계에서 재료실험 없이 콘크리트의 크리프 및 건조수축 특성을 간단히 파악하는 데 도움이 될 수 있도록고성능 고강도 콘크리트에 대한 적절한 예측 모델식을 제안하고자 하였다.
콘크리트의 크리프와 건조수축 변형에 대한 내적 혹은 외적 구속은 크리프 발생 응력조건을 변화시키며 이에 따라 크리프 변형의 발생은 응력변화에 종속적으로 변화한다. 시간이력 하중을 받는 크리프 거동문제로서 이해되는 이러한 크리프 거동현상의 수학적 모델링은 일반적으로 재하시의 콘크리트 재령과 물성값 및 하중이력을 기본 구성인자로 고려하여 시간적분 혹은 점증적 형태로 유도되었다. 본 논문에서는 시간이력하중을 받는 크리프 모델 가운데 단일 크리프 곡선을 사용하는 초기 크리프 모델인 평행 크리프 법의 단순성을 고려하여 이 방법이 갖는 단점과 한계성을 극복하고 성능을 개선한 평행 크리프 법을 유도하였다. 유도된 크리프 모델의 성질을 분석하고 예측 성능을 검증하기 위한 목적으로 원통형 콘크리트 공시체를 제작하고 시간이력 하중 하의 크리프 실험을 수행하였다. 끝으로, 콘크리트 공시체의 크리프 변형으로 인한 초기하중의 변화가 공시체의 재령에 따른 거동에 미치는 영향정도를 실험을 통해 분석하였으며, 크리프 시험기의 스프링계수를 측정하여 이로 인한 실험오차를 보정하였다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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