KR20060068846A

KR20060068846A - 매스콘크리트의 열경사 조절에 의한, 수화열과 온도균열의방지

Info

Publication number: KR20060068846A
Application number: KR1020040107764A
Authority: KR
Inventors: 조태준
Original assignee: 조태준
Priority date: 2004-12-17
Filing date: 2004-12-17
Publication date: 2006-06-21

Abstract

타설두께와 높이가 1미터를 넘는 매스콘크리트(도1)의 초기양생시 발생하는 수화열(도3)은 그 자체로 온도응력을 발생시키지만, 수화열이 냉각되면서 발생하는 내외부의 온도차이에 의해서 균열을 발생시킬 수 있다(도4). 이런 균열을 저감시키려고 현재 냉각수, 얼음, 냉각파이프등을 사용하고 있으나, 수화열의 냉각시의 내외부 온도차는 해결하지 못하고 있다. 발생되는 온도균열은 구조물의 사용시 활하중, 피로하중, 온도 등의 다른 열화원인과 연계되어 상승효과를 유발하며, 더욱 커다란 균열로 성장하고, 구조물파괴 또는 사용성 불가의 직접적 원인이 될 수 있다.이러한 문제를 해결하고자 본 발명에서는 기존의 냉각파이프에 추가하여, 가열요소(파이프, 가열판, 또는 가열선)를 사용하고(도1, 도2), 각각의 냉각/가열요소의 온도를 조절함으로써(도8), 구조물에 작용하는 내외부 온도차와 응력을 최소화 시키고(도9, 도10), 이를 통해서 균열의 발생을 억제하며(도11, 도12), 매스콘크리트의 타설높이 또는 두께 제한을 극복하는(도1) 기술을 제안한다.

열경사조절, 매스콘크리트, 수화열감소, 온도균열제어, 유한요소법, 열전달 해석, 냉각파이프, 가열요소, 가열파이프, 가열선, 가열판

Description

매스콘크리트의 열경사 조절에 의한, 수화열과 온도균열의 방지{Innovative Transient Thermal Gradient Control to Prevent Early Aged Cracking of Massive Concrete}

도1은 일반구조물에서의 내외부의 온도차이조절을 위한 냉각파이프 및 가열선의 배치예를 보여준다.

도2는 교각에서의 내외부의 온도차이조절을 위한 냉각파이프 및 가열선의 배치예

도3은 온도차에 의한 균열의 발생(내부구속조건)

도4는 내부구속조건에 의한 콘크리트단면에서의 응력의 발생

도5는 시간에 따른 탄성계수모델(ACI모델사용)

도6은 유한요소 열전달해석모델의 요소/절점번호및 온도이력관찰위치

도7은 냉각파이프 및 가열선의 위치와 열전달해석결과예

(타설후 100시간 경과후의 온도(ANSYS 검증해석시))

도8은 개발된 열전달유한요소해석프로그램에 의한 요소별 온도이력해석과 최대온도발생점(해석경우 5.냉각+가열(온도변동시스템)선를 사용할 경우)

도9는 네가지 해석경우에 대한 열경사의 변화

(열경사=단위시간동안의 초기온도와의 온도차)

도10은 네가지 해석경우에 대한 열경사의 변화

(열경사=최대온도와의온도차)

도11은 인장응력계산을 위한 냉각파이프만을 사용한 경우와 냉각및 가열선을 사용하는 경우의 콘크리트 단면내 온도변형율도면

도12는 수화열발생에 따른 통계적 균열발생확률을 지수로 나타낸 도면

국내 콘크리트표준시방서를 기준으로 하면, 매스콘크리트 구조물의 치수는 구조형식, 사용재료, 시공조건에 따라 다르지만, 대략 슬래브는 80～100cm이상이고, 하단이 구속되어 있는 벽체는 두께 50cm 이상으로 본다. 이러한 대형콘크리트의 공사에서는 콘크리트의 타설후 초기수화열과 그변화에 따라서 온도균열이 쉽게 발생하며, 이를 방지하기 위한 현재의 기술은 다음과 같다.

1. 냉각수 또는 냉각파이프에 의한 수화열 저감법

2. 골재및 혼화재의 타설전냉각

3. 얼음, 드라이아이스 등의 첨가사용

4. 야간타설 및 태양광선 차단재 설치

그러나 이러한 기존의 기술들은 수화열이 감소되는 (일반적으로) 타설 2일 후부터의 표면과 내부의 온도차이, 또는 기하적 경계조건에 의한 인장응력에 대한 대책으로는 적절하지 않다.

현재의 매스콘크리트의 초기양생시의 수화온도상승과 주변온도와의 차이에 의한 균 열발생의 사례에 대해서 설계 및 시공시 다음과 같은 문제점들이 있다.

1: 시공조인트로의 수분침투및 부식, 이로인한 구조물의 심각한 열화문제 발생

2: 냉각파이트는 내부온도 상승시에만 적용가능

3: 수화열관련 균열은 온도하강시에 주로 발생

4: 수화열관련 균열은 내외부 온도의 차이(열경사)에 의해서 주로 발생(도4).

5: 수화열관련 응력 및 균열은 내외부 물리적, 열역학적 경계조건에 의해서 변화.

이러한 문제의 최적해로써, 냉각파이프와 더불어 가열요소(파이프, 가열판,또는 가열선등)를 같이 사용함으로써, 전술한 기술적 과제들을 다음과 같이 해결한다.

1)가열 및 냉각요소를 이용한 매스콘크리트의 수화열 온도응력 및 균열의 제어법 개발

2) 매스콘크리트의 수화열에 의한 내외부 온도차이(열경사)제어에 의한 두께 및 높이타설한계의 극복으로 시공조인트를 줄이고 열화를 저감시키는 과제해결

3) 시간의존 수화열해석용 유한요소프로그램의 제작관리로 효율적이고 정밀한 수화열경사 제어기술의 제시

기술한 발명에 의한 열경사 제어를 위해서 유한요소 해석프로그램을 작성하였다.

예제에서는 냉각 파이프및 전기적 가열선을 사용하는 경우를 해석하였다.

유한요소 정식화에 의한 발명의 해석 및 설명

1. 열전달 해석의 유한요소 정식화

경계조건이 한정된 몇몇 경우를 제외하면 확산방정식의 정해는 구할 수 없다. 그러므로 약화된 경계조건을 이용한 유한요소법 등의 근사적 수치해를 사용하여 근접한 해를 구하게 된다.

수화열 해석을 위한 유한요소법에 의한 열전달 해석

갤러킨 가중잔차법에 의해서 확산방정식을 해석해보면:

여기서, W_i(x,y) 는 가중함수,

는 문제의 해석영역이다.

1개의 요소를 고려할 때, 시스템변수

는 절점의 자유도를 의미하며, 형상함수를 사용하여

와 같이 요소값으로 표현된다.

여기서,

는 절점에서의 자유도(미지변수)

지배방정식은:

= 0

여기서, J_x: Heat flux = k

k : 열전도율(W/mK)

c : 콘크리트 비열(kJ/kgK)

ρ : 콘크리트의 단위중량(kg/m³)

T=T(x, y, z, t) : 콘크리트 온도(℃)

q=q(x,y,z,t,T):콘크리트 단위체적당 단위시간당 내부발열량(kJ/m³h)

콘크리트 내부의 수화열에 의한 단열상승온도는

T=K (1-EXP(-at))

여기서,T: 시간 t 일에서 단열온도상승량(℃)

K: 최고상승온도(℃)

a: 반응속도

t: 시간(일)

단위부피당 단위시간당 내부발열량은:

(kcal/m³h)

여기서,q: 단위부피당 단위시간당 내부발열량(kcal/m³h)

ρ : 단위중량(kg/m³)

C: 비열(kcal/kg℃)

K: 최고상승온도(℃)

a: 반응속도

t: 시간(일)

약화된 경계조건을 만족시키는 잔차소거법에 의해서 잔차는:

시스템 해석을 위해서 각 요소별 성능, 강성도, 하중항을 모으면 다음과 같은 시스템 행렬방정식이 구해진다.

유한차분방법에 의해서 다음단계의 시간단계(

)별 자유도,

를 중앙차분으로 근사시키면, 지배방정식은 유한요소행렬식으로 다음과 같이 구해진다.

여기서,

는 단위시간증분,

는 0 부터 1까지의 상수이다 (the Crank Nicholson 방법에서는

=0.5).

2. 해석모델

매트랩(버전6.0)프로그램밍에의해서 TTATGC (Transient Thermal Analyses for Temperature Gradient Control: 열경사해석을 위한 유한요소 과도열전달해석)프로그램을 개발하였다. 검증 및 실구조물에의 적용을 위하여 확대기초상의 11 * 2 * 22 미터의 매스콘크리트 구조물에 1미터 간격의 파이프를 설치하여 수화열과 온도균열을 제어하는 해석을 실시하였다. (도1-도12)

표 1. 열역학 및 재료특성치

구분	열전도율 (kcal/mhr℃)	비열 (kcal/kg ℃)	밀도 (kg/m³)	대류계수 (kcal/m² h℃)
콘크리트	2.3	0.25	2300	12

콘크리트의 재령에 따라 탄성계수는 변화하게 된다. 초기 양생시 수화도는 타설시 온도 및 콘크리트의 성분, 재하하중, 크리이프, 건조수축의 영향을 받는다. 그러므로, 대상구조물의 실제실험데이타가 필요하지만 본 모사 실험에서는 미국 콘크리트시방서(ACI)제안값을 사용하여 탄성계수를 가정하였다 (도5).

도 7 에 보이는 5개소의 위치에서 수화 과정에 따른 온도변화를 비교하여 해석하기로 한다.

냉각 및 가열파이프의 위치가 도6에 나타나 있다. 각 해석 경우별로, 또는 시간에 따라서, 파이프내의 온도는 변화된다. 예를 들어 해석 경우5에서는, 냉각파이프의 경우 25도의 온도를 사용하고, 가열파이프의 경우 타설 90시간후 가열이 시작되고 50도에서 30도로 열흘간에 걸쳐서 점차 낮아지도록 되어있다. 구조물의 하단은 준단열상태의 경계조건으로 이경우 28도로 일정하게 가정하였다.

표2에 다섯가지 해석 경우의 온도 변수가 소개되어있다. 시간축상에서 구조물 내외부의 온도차를 줄이기위해서, 시간에 따른 냉각/가열수의 온도가 변화하도록 구성되어 있다.

표 2. 해석경우

구분	해석경우	파이프의 온도
1	파이프 사용안함
2	냉각파이프만사용	20 C
3	가열파이프만 사용	50 C
4	냉각+가열파이프 사용	20, 50 C
5^*	냉각+가열파이프 사용 (온도변동시스템 사용)	20 to 30, 50 to 30 C

5^* : 냉각파이프는 타설 3일후부터 가열파이프로, 가열파이프는 타설3일후 온도를 저감시킴

수화열에 의해서 내부온도는 60까지 상승하게 되고, X 축에는 절점번호가 Y 축에는 시간이 240시간동안 나타나 있으면 Z 축에 시공간상의 온도분포가 나타나 있다. 절점 0-12번은 암반 기초상의 온도(28 ^oC)를, 절점 25-36은냉각파이프를, 절점 37-48은 가열파이프의 온도를 나타낸다. 절점 49-60은 주변온도 (20^o C)에 의해서 전달되는 계산된 온도분포를 보인다.

도9, 도10에서 보인바와 같이, 일반콘크리트 구조물에서의 내외부 온도차이에 의한 열경사가 5번 해석경우에서 가장 잘 조절이 되고 있다.

매스콘크리트의 내외부 온도차 조절에 의한, 수화열과 온도균열의 방지를 위한 발명으로, 기존의 기술인 냉각파이프와 더불어 가열요소를 같이 사용함을 제안 한다. 예제에서는 냉각 파이프및 전기적 가열선을 사용하는 경우를 해석하였다.

1: 내외부 온도차이의 경사를 조절함으로써, 응력과 균열을 제어하게 되고 매스콘크리트의 타설높이 또는 두께 제한을 극복한다 (도3).

2, 3: 이러한 열경사의 조절은 수화열의 열전달해석을 통해서 냉각 및 가열 파이프를 배치 사용함으로써 가능해진다(도4).

수화열에 의해서 내부온도는 60까지 상승하게 되고, X 축에는 절점번호가 Y 축에는 시간이 240시간동안 나타나 있으면 Z 축에 시공간상의 온도분포가 나타나 있다. 절점 0-12번은 암반기초상의 온도(28 ^oC)를, 절점 25-36은냉각파이프를, 절점 37-48은 가열선의 온도를 나타낸다. 절점 49-60은 주변온도 (20^o C).에 의해서 전달되는 계산된 온도분포를 보인다.

도9에서 보인바와 같이, 일반콘크리트 구조물에서의 내외부 온도차이에 의한 열경사가 5번 해석경우에서 가장 잘 조절이 되고 있다. 해석경우4의 경우보다, 냉각파이프의 온도를 상승시키고, 가열선의 온도를 저감시키면서 외부온도와 서서히 일치하도록 수렴시켜서 더욱 온도차이를 줄이는 해석경우5에 대해서 도면에 명시하였다.

도 10은, 네가지 해석 경우에 대해서, 시간에 따라 초기온도를 기준으로 변화되는 열경사를 보여준다. 해석경우5에서, 균열이 발생하기 쉬운 타설후 24시간-96시간동안 최소의 열경사를 나타내는 것을 확인할 수 있다. 냉각 및 가열 파이프 를 사용하지 않는 경우가 65시간 경과후부터 최소값을 보여주는 듯이 보이지만 수화반응이 매우 작을 때 (타설후 약 76시간이전, 탄성계수가 28일강도의 50%미만) 커다란 열경사차이를 보이므로, 수화열균열에 매우 취약함을 알 수 있다.

가열파이프를 사용함으로써, 냉각파이프만을 사용한 경우의 50-60시간 경과시의 급격한 열변화를 조절하게 되며, 특히 냉각파이프의 온도를 상승시키고, 가열파이프의 온도를 약간 내려줌으로써 더욱 안정된 열경사를 얻게 된다.

열경사 조절에 의한 응력의 발생을 계산하여 보면 다음과 같다.(도11)

냉각파이프만을 사용하는 경우에는, 타설후 52시간 경과후, 내외부 온도차에 의한 콘크리트내부의 인장응력은 (도10, 55시간 경과후, 열경사=0.8)

=11137(Mpa)*10*10^-6*(0.8/cm*5 cm)=0.445MPa

냉각및 가열요소를 사용한 경우(도10, 55시간 경과후, 열경사=0.5)

=11137(Mpa)*10*10^-6*(0.5/cm*5 cm)=0.278 MPa

그러므로 인장응력이 약 40%로 감소함을 알 수 있다. 균열지수를 인장응력/인장강도로 정의하면 역시 40%의 지수감소와 인장강도에 따라서 30%이상의 균열발생감소확률을 알 수 있다(도12).

Claims

본 열경사 조절발명은 냉각 및 가열요소를 구조물내부에 배치 (도1)하고, 이를 이용한 콘크리트 구조물내부의 온도및 열경사 조절에 의해서, 콘크리트 타설시 높은 수화열로 인한 타설두께 및 높이 제한을 완화시키고, 인장응력 및 균열의 발생을 억제(도9, 도10).
냉각및 가열요소의 혼합배치및 시간에 따른 열조절은, 수평배치(도1)과 종방향배치(도2), 그밖의 경사배치등이 가능하며, 최적의 온도경사조절, 인장응력 및 균열의 제어를 목적으로 함.
최적화된 냉각/가열 요소의 배치위치 및 시간에 따른 온도조절은 각종 매개변수들과 설계 및 시공에 의한 경계조건값의 변화에 따라 해석을 하여 결정(표2):

수치해석시의 고려값으로서, 1) 경계조건: 단열시, 전도, 대류, 열공급 값, 2) 기하조건: 2차원, 3차원 모델, 3) 요소의 배치: 1방향 입력(냉/온수 공급), 여러방향에서 입출력(냉/온수 공급 및 배출), 4) 비선형재료모델(콘크리트의 요소성분, 혼화제, AE제 및 배합비 등에 따라 변화됨), 5) 시간조절 (수화반응속도에따라 변하며, 역시 재료모델 및 주변온도 조건에 따라 변화), 6) 요소의 열전달 특성치(재료상수)를 고려. 재료 및 시공조건 해석값으로서, 1) 물-시멘트비, 2)혼화재 및 첨가제, 3) 시멘트의 종류 (예:보통포트랜트시멘트, 조강시멘트, 또는 유동화시멘트), 4) 골재의 종류, 입도, 수분함유도, 5) 타설온도, 6) 대기온도, 7) 거푸집의 종류 및 제거시기를 고려.
청구항 3항목의 조건들을 고려하여 시간에따라 변화하는 응력을 최소화 하는 방향으로 냉각/가열요소의 개수, 배치위치, 시간에 따른 온도함수가 결정(표2참조)