KR20140021880A - 초기재령 콘크리트의 크리프계수 측정방법 - Google Patents

초기재령 콘크리트의 크리프계수 측정방법 Download PDF

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진은웅
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    • G01N2203/0071—Creep

Abstract

본 발명은 콘크리트 구조물의 초기 온도응력 해석에 필요한 크리프 계수를 간편하게 측정할 수 있는 방법으로, 실제 구조물의 온도 이력, 재료 및 배합을 반영할 수 있으며, 탄성변형률 및 크리프 변형률로 구성되는 응력에 의해 생긴 변형률을 시간단계 따라 구하는 단계; 압축강도 시험 또는 탄성계수 예측 모델식으로부터 시간단계에 따른 탄성계수를 구하는 단계; 및 콘크리트에 가해진 응력에 대하여, 시간 단계별 콘크리트의 탄성계수, 변형률, 및 크리프 예측 모델식으로부터, 상기 예측모델식의 인자의 크기를 결정하는 단계를 포함한다.

Description

초기재령 콘크리트의 크리프계수 측정방법{Measuring Method of Concrete Creep Coefficient in Early Age}
본 발명은 초기재령 콘크리트의 크리프 계수를 예측하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 배합 및 재료에 따른 차이를 고려한 크리프 계수를 직접 측정하여 초기재령 콘크리트의 불확실한 역학적 특성을 반영할 수 있도록 온도응력 측정용 시험장치를 이용한 초기재령 콘크리트의 크리프계수 측정방법에 관한 것이다.
매스콘크리트 구조물을 시공할 때, 시멘트의 수화열은 구조물에 온도응력을 발생시키고, 경우에 따라서는 구조물에 균열을 발생시켜 구조물의 사용성, 수밀성, 내구성에 심각한 영향을 준다. 따라서 온도응력의 크기 및 균열 발생 유무를 밝히는 것이 매우 중요하다.
그러므로, 온도응력의 크기 및 균열 발생 유무를 추정할 때 크리프에 대한 영향을 정확히 고려하지 않으면 정확한 판단이 불가능하다.
그러나 초기재령의 콘크리트는 급속한 수화반응으로 인하여 역학적 특성이 불확실하며, 배합 및 재료에 따라서 역학적 특성이 달라지기 때문에 기존의 크리프 예측 모델식을 활용한다고 해도 오차가 발생하게 된다.
초기재령 콘크리트의 크리프에 대한 연구는 재령 28일 이후의 크리프에 비하여 매우 부족하며, 일부 연구자들에 의해 실시된 실험결과나 모델식이 제안되어 있다. 그러나 그 방법이 복잡하고, 다양한 장비를 필요로 하기 때문에 현장에서 일반적으로 활용하는데 어려움이 있다.
본 발명과 관련된 종래기술은 코블러(K. KOVLER, Testing system for determining the mechanical behaviour of early age concrete under restrained and free uniaxial shrinkage, Materials and Structures, 1994, 27, 324-330)가 제안한 방법이다. 이 방법은 콘크리트의 변형을 완전히 구속한 상태에서 이루어지기 때문에, 시간에 따른 콘크리트의 변위 측정 장비와 추가 하중을 재하할 수 있는 장비가 필요하며, 장비의 이동이 불가능 하다는 문제점이 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 콘크리트 구조물에서 발생하는 온도응력 해석에 필요한 초기 재령 콘크리트의 크리프 계수를 간편하게 측정할 수 있으며, 특히 콘크리트 배합 및 재료에 대한 영향을 고려할 수 있는 초기재령 콘크리트의 크리프계수 측정방법을 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 탄성변형률 및 크리프 변형률로 구성되는 응력에 의해 생긴 변형률을 시간단계 따라 구하는 단계; 압축강도 시험 또는 탄성계수 예측 모델식으로부터 시간단계에 따른 탄성계수를 구하는 단계; 및 콘크리트에 가해진 응력에 대하여, 시간 단계별 콘크리트의 탄성계수, 변형률, 및 크리프 예측 모델식으로부터, 상기 예측모델식의 인자의 크기를 결정하는 단계를 포함하는 초기재령 콘크리트의 크리프계수 측정방법이다.
상기 예측모델식은 ACI 모델식 또는 CEB-FIP 모델식인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 예측모델식이 ACI 모델식인 경우, 지수는 고정하고, 분자의 상수만을 조절하는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 예측모델식이 CEB-FIP 모델식인 경우,
Figure pat00001
,
Figure pat00002
, 및 지수 중 어느 하나 이상을 조절하는 것을 특징으로 한다.
본 발명을 통하여 배합 및 재료에 따른 차이를 고려한 크리프 계수를 직접 측정할 수 있으며, 초기재령 콘크리트의 불확실한 역학적 특성을 반영할 수 있다.
도 1은 시간에 따라 응력에 의해 생긴 변형률 그래프이다.
도 2는 시간에 따른 탄성계수 그래프이다.
도 3은 시간에 따른 응력곡선이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세히 설명하도록 한다.
본 발명을 위해서는 수화열에 의한 온도응력을 측정하여야 하며, 이를 위해서 공지의 기술을 사용할 수 있다. 특히, 본 발명은 한국공개특허 제10-2001-0103232호(온도응력 측정장치)를 이용하였다. 따라서, 한국공개특허 제10-2001-0103232호에 기재된 온도응력의 측정과정 및 장치에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
상기 온도응력 측정장치에서 설명된 아래의 수학식 1,2를 활용하여 실제 콘크리트에 작용하는 응력을 찾는다. 이때 응력은 크리프까지 고려된 응력이 구해진다.
Figure pat00003
Figure pat00004
여기서,
Figure pat00005
는 구속되지 않은 경우의 프레임(알루미늄, 인바)의 변형률이고,
Figure pat00006
는 구속되었을 경우 프레임의 변형률(콘크리트가 타설되었을 때)이며,
Figure pat00007
는 구속되지 않았을 경우의 콘크리트 변형률(건조수축몰드를 이용)이고,
Figure pat00008
는 구속되었을 경우 콘크리트의 변형률(온도응력측정장치에 매립시킨 매립게이지의 변형률)이다. 수학식 2에서 fc는 구속되었을 경우의 콘크리트에 작용하는 응력이다.
그리고, 콘크리트의 구속과 미구속 상태의 변형률 차를 이용하여, 응력과 관련 없는 변형률(온도변형, 건조수축, 자기수축 등)을 제거한다. 즉, 응력에 의해 생긴 변형률(탄성 및 크리프 변형)만을 구한다.
Figure pat00009
Figure pat00010
Figure pat00011
여기서,
Figure pat00012
는 콘크리트 탄성변형률이고,
Figure pat00013
은 콘크리트 크리프변형률이며,
Figure pat00014
은 콘크리트 건조수축 변형률이고,
Figure pat00015
는 콘크리트 온도변형률이다.
따라서, 수학식 3 및 수학식 4의 관계를 통하여, 응력에 의해 생긴 변형률(탄성변형률 및 크리프 변형률)이 콘크리트의 구속상태와 비구속상태의 변형률의 차이가 같다는 것을 확인할 수 있다.
Figure pat00016
Figure pat00017
Figure pat00018
Figure pat00019
수학식 6에서 ε1, ε2 등은 도 1에서 얻을 수 있고, E1, E2 등은 도 2에서 얻을 수 있다. 도 1에서 가로축은 시간이고 세로축은 수학식 5에 따른 응력에 의해 생긴 변형률을 의미한다. 또, 도 2에서 가로축은 시간이고 세로축은 시간에 따른 탄성계수로써, 압축강도 시험 또는 기존의 탄성계수 예측 모델식(ACI, CEB-FIP, KCI 등)을 통해서 계산된다.
따라서, 수학식 6에서 φ(t,ti)의 값은 변형률 및 크리프 예측 모델식(ACI, CEB-FIP, B3, User model 등)을 활용할 수 있다.
따라서, 응력에 의한 변형률 및 탄성계수를 임으로 시간 단계별 구간을 나누고, 시간 단계별 콘크리트의 탄성계수, 변형률 및 크리프 예측 모델식(ACI, CEB-FIP, B3, User model 등)을 통해, 각 단계별 응력 변화를 찾아낼 수 있다.
Figure pat00020
수학식 7은 ACI 모델의 크리프 계수로써, 여기서, t는 크리프 변형을 구하고자 시간, t'은 하중이 작용하는 시간을 각각 나타내며, 단위는 일(day)이다. φu는 극한 크리프계수(final creep coefficient)로서 외부환경 및 콘크리트의 배합조건에 따라서 조정되어야 하는 값이다.
그러나 초기 크리프에 적용시 오차가 크므로, 모델식에서 제시된 값을 사용하는 것은 무리가 있다. 모델식을 살펴보면, 크리프계수 증가율(시간에 따른 크리프계수 증가율이 클 경우, 시간에 따른 크리프 변형률이 크고, 작을 경우 크리프 변형률이 작은 것을 나타냄)과 관련된 분모의 상수(10)와 지수(0.6) 그리고 시간이 무한히 흘렀을 때의 최종 크리프 계수를 나타내는 극한크리프계수로 구성되어 있으
므로, 모델식에서 조정되어야 하는 값은 상수, 지수 그리고 극한크리프계수이다.
초기 크리프는 일반적으로 28일 이후의 크리프보다 극한크리프계수가 크고, 시간에 따른 크리프 변형률이 크므로, 극한크리프계수를 증가시키고, 상수를 감소시키거나 지수를 증가시킴으로써 실제 크리프계수를 찾아낼 수 있으나 (t-t')이 1이하인 경우, 지수가 작을수록 크리프계수의 증가율이 커지고 1이상인 경우 크리프계수 증가율이 작아지는 현상이 발생하므로, 지수는 고정하고 상수를 조정하는 방법을 활용하는 것이 합리적이다.
즉, 상수와 극한크리프계수를 수정하여 온도응력측정장치를 활용한 응력 이력과 콘크리트 변형률을 이용한 응력이력이 일치되도록 조정하고 일치할 때의 크리프계수를 해석시 활용할 수 있다.
또한, ACI에서는 극한크리프계수는 양생조건, 공기의 상대습도, 부재의 두께, 슬럼프치, 잔골재량, 공기량에 따라서 보정되는 값이나, 실험을 통한 응력이력 결과 값에 이 조건들이 이미 반영되어 있으므로 이 방법을 통해 구한 크리프계수는 양생조건, 공기의 상대습도, 부재의 두께, 슬럼프치, 잔골재량, 공기량에 따른 변화를 반영할 수 있다.
Figure pat00021
수학식 8 및 수학식 9는 CEB-FIP 모델의 크리프 계수를 구하는 식으로써, ACI와 마찬가지로 관련 상수들을 수정하는 방법을 사용할 수 있으며,
Figure pat00022
,
Figure pat00023
,지수(0.3)을 수정하여 응력을 일치시킨 후, 그 때의 크리프 계수를 해석에 활용할 수 있다.
그 외, 다른 모델식 역시, 이런 식으로 최종크리프계수 및 크리프 변형률 발현 속도와 관련있는 항을 수정함으로 실제 크리프 계수를 찾아낼 수 있으며, 그것을 해석시 활용할 수 있다.
이러한 과정을 거쳐 도 3에 도시된 바와 같이 시간에 따른 응력의 변화(크리프 포함 및 미포함)를 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명에 대해 도면 및 실시 예에 의하여 설명하였으나, 이는 본 발명의 가장 바람직한 실시형태를 기재한 것일 뿐, 본 발명이 이에 한정되지 아니함은 당연하다. 또한, 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 명세서의 기재내용에 의하여 다양한 변형과 모방을 행할 수 있을 것이나, 이 역시 본 발명의 범위를 벗어난 것이 아님은 명백하다고 할 것이다.

Claims (4)

  1. 탄성변형률 및 크리프 변형률로 구성되는 응력에 의해 생긴 변형률을 시간단계 따라 구하는 단계;
    압축강도 시험 또는 탄성계수 예측 모델식으로부터 시간단계에 따른 탄성계수를 구하는 단계; 및
    콘크리트에 가해진 응력에 대하여, 시간 단계별 콘크리트의 탄성계수, 변형률, 및 크리프 예측 모델식으로부터, 상기 예측모델식의 인자의 크기를 결정하는 단계를 포함하는 초기재령 콘크리트의 크리프계수 측정방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 예측모델식은 ACI 모델식 또는 CEB-FIP 모델식인 것을 특징으로 하는 초기재령 콘크리트의 크리프계수 측정방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 예측모델식이 ACI 모델식인 경우,
    지수는 고정하고, 분자의 상수만을 조절하는 것을 특징으로 하는 초기재령 콘크리트의 크리프계수 측정방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 예측모델식이 CEB-FIP 모델식인 경우,
    Figure pat00024
    ,
    Figure pat00025
    , 및 지수 중 어느 하나 이상을 조절하는 것을 특징으로 하는 초기재령 콘크리트의 크리프계수 측정방법.
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