매스구조물의 수화열해석 방법 고찰

1. 서론

콘크리트 구조물의 대형화 및 대량급속 시공의 증가에 의해 시멘트의 수화열에 따른 온도응력이 구조물에 무시할 수 없는 균열을 발생시키는 경우가 빈번히 발생하고 있습니다. 이전에는 이러한 현상이 부재치수가 특별히 큰 콘크리트 구조물에만 발생하는 것으로 여겨져 왔지만 사용재료, 시공조건 등에 따라 비교적 치수가 작은 구조물에서도 수화열에 의한 균열이 발생하는 경우가 적지 않습니다. 따라서 수화열에 의한 온도균열의 문제가 발생할 수 있는 조건에 해당하는 것을 매스콘크리트로 정의하여 시멘트의 수화열에 의해 발생하는 온도응력과 균열에 대한 검토를 실시해야 합니다.

교량의 확대기초/직접기초, 교각의 코핑부, 현수교의 앵커리지 등 매스콘크리트 구조물에 대한 실제 수행했던 수화열 해석결과를 설명하고, 해석방법 및 결과 도출에 있어서 여러 가지 고민했던 부분에 대한 간략한 설명을 하고자 합니다.

2. 기본 이론

시멘트가 물과 완전히 반응하면 발열 화학 반응에 의해 120kcal/kg 정도의 열이 발생하고, 콘크리트의 열전도율은 상대적으로 작기 때문에 매스콘크리트에서의 수화열은 내부 온도를 상승시키게 됩니다. 일반적으로 이러한 온도 상승량은 미소 수화 열량계를 사용한 시멘트 수화열 측정법이나 콘크리트 단열 온도 상승시험법으로 판정합니다. 미소 수화 열량계는 시멘트의 수화 발열 특성을 측정하기 위한 기기로서 시멘트와 물을 일정한 온도 조건하에서 반응시켜 발생되는 열량을 측정합니다. 이 방법은 소량의 시료로서 각 배합에 대한 비교 실험이 가능하지만, 시료의 온도가 무시되므로 실제의 매스콘크리트 온도 상승량을 예측하기에는 적절하지 않다고 지적되고 있습니다. 이에 비해 단열 온도 상승 시험법은 대상 콘크리트에 대한 단열 상태를 유지하며 발생되는 온도 상승량을 측정하는 방법으로 매스콘크리트 온도 상승 예측에 널리 사용되고 있습니다. 일반적으로 콘크리트 단열 온도 상승은 지수형태의 함수로 나타내며, 최대 상승 온도(K)와 반응 속도(r)로서 단열 온도 상승 특성을 나타냅니다.

시멘트의 수화 반응은 주변 온도에 크게 영향을 받으며, 주변온도가 높을수록 수화 반응속도는 빨라집니다. 따라서 콘크리트의 타설 온도가 높아질수록 초기의 콘크리트 온도 상승은 커지게 됩니다. 일반적으로 보통 포틀랜드 시멘트를 사용한 콘크리트에 대하여 타설 온도를 변화시켜가며 측정한 단열온도 상승 실험결과에 따르면, 최대 상승 온도(K)는 타설 온도가 높아지면 오히려 감소하지만, 반응 속도(r)는 온도에 비례하여 증가함을 나타내고 있습니다. 이와 같은 현상은 타설 온도가 높을수록 초기의 수화 반응이 활성화되어 온도 상승은 빠르게 되지만 시멘트 입자 주위의 결정이 초기에 두꺼워져 시멘트 입자의 완전한 수화 반응이 저해되기 때문으로 설명되기도 합니다. 따라서 실제의 시공에 있어서도 타설 온도는 변화하는 것이므로 이에 대한 자료의 축적과 검토가 요구되고 있습니다. 한편, 초기 온도 상승 속도가 증가할수록 온도 강하시의 탄성계수의 차이가 커져 초기 온도 균열발생 확률이 커지므로 실제 시공에 있어서는 타설 온도에 대하여 세심하게 배려할 필요가 있습니다.

수화열 해석은 일반적인 구조 해석과는 달리 온도 해석과 응력 해석의 두 가지 과정을 거치게 됩니다. 온도 해석에서는 콘크리트 및 지반의 열특성계수와 열적 경계조건 및 열원에 관한 입력치가 필요하며, 응력 해석에서는 보통의 구조 해석과 같이 구조적 경계 조건이 요구됩니다. 이러한 수화열 해석에서 온도 균열발생 여부의 판단은 해석으로 얻은 응력값과 그 순간의 콘크리트 인장강도를 비교하여 결정하게 되므로 재령에 따른 콘크리트의 인장강도 및 탄성계수 등의 역학적 특성치는 수화열 해석의 기초적인 변수가 됩니다.

온도균열지수를 도입하고, 이 값을 기준으로 하여 구조물의 중요도에 따라 균열의 판단기준을 정하게 됩니다. 온도균열지수는 위의 식에서 보여주는 것과 같이 재령에 따른 콘크리트 인장강도를 부재 내부에 발생되는 최대 온도응력으로 나눈 값이며, 콘크리트 표준시방서 의해 온도균열에 대한 위험도를 나타내기 위한 구체적인 지표로 사용되며, 균열지수가 작을수록 균열이 발생하기 쉽고, 균열수도 많아지며, 균열의 폭도 커지는 경향이 있습니다.

3. 수화열해석 방법

3.1 해석 절차

3.2 해석 조건

4. 수화열해석 결과

4.1 모델링 및 타설단계

4.2 온도 및 응력분포

4.3 시간이력곡선

4.4 검토 결과

온도균열 저감대책(3성분계 혼합시멘트 및 적정 타설높이 적용) 수립을 통한 수화열해석으로 각 타설단계에서 최소 온도균열지수 1.20 이상을 확보하여 콘크리트 표준시방서 「균열발생을 제한할 경우」의 목표 균열지수를 만족할 수 있었습니다.

수화열해석은 현재 해석기법이 완벽하게 확립된 상태가 아니며, 시멘트의 재료, 타설 및 양생시 조건에 따라 그 결과가 달라질 수 있으므로 콘크리트 타설시 수화열해석 문제는 위의 해석조건 및 해석결과를 참고자료로 하고, 실제 현장상황에 따라 능동적으로 대처해야 하며, 시공중 지속적인 계측 및 검토를 통한 양생관리로 해결이 필요할 것입니다.

5. 수화열해석시 주안점

☞ 요소크기 결정 : 검토하고자하는 부분은 기본적으로 0.5m, 그외 및 지반은 1m, 2m까지 확장, 검토부분은 보통 외측에서 1m 안쪽, 두께방향 요소수는 최소한 타설두께의 절반 이상인 2개 이상으로 모델링함

☞ 모든 경계면은 대칭면과 지반상면을 제외하고, 고정온도경계 및 대류경계 입력

☞ 해석시간을 줄이기 위해 가능한대로 대칭조건 적용 (1/2, 1/4 대칭조건)

☞ 시공단계 정의시 초기온도 20도 적용

시공단계 수화열 경과시간 : 7일 양생 기준으로 입력함
(12, 24, 36, 48, 60, 72, 84, 96, 120, 144, 168)

☞ 수화열해석시 자중을 고려하면 미소하게 결과 차이남 (균열지수 0.05~0.1 정도 증가)

자중 미고려시가 안전측 결과이긴함

☞ 계획한 타설높이에 따라 해석후 기초저면을 제외한 모든 면에서 균열지수 0.7이상 확보 확인 (0.7이상 만족못할시 시공단계별 타설높이 감소)

☞ 외면 균열지수 0.7이상 확보후 외면에서 1m 안쪽의 내면에 대해서 균열지수 1.2이상 확보 검토 (최소값 무시하고 1.2 ~ 1.5 사이의 결과가 나오는 라인을 선택함 - 동일열의 절점라인)

☞ 외면 균열지수를 0.7이상 만족했기 때문에 문제는 없고, 온도철근배근으로 발생균열에 대비함, 균열지수 1.2이상 확보여부를 나타내기 위해 내면 1m의 라인에서 검토한 결과를 최종결과로 함

☞ 선택라인에 대해 응력이력(인장강도 포함-주응력:P1), 균열지수이력, 온도이력을 그래프로 출력, 검토노드에 대한 노드번호 재설정후 MCT파일에서 출력노드 입력후 다시 불러와서 해석함

☞ 온도이력의 경우 1.2이상의 균열지수 노드위치의 온도값은 다소 작을 수 있기때문에

콘크리트 타설단계별 중간노드(최대온도위치)로 별도 출력 필요

☞ 균열지수 최종결과는 타설단계별 인장강도를 표기할 경우 균열지수를 별도로 계산
(출력한 균열지수와 [인장강도/발생응력]으로 계산한 균열지수의 값이 다소 차이남)

[출처 및 참고자료]

⦁화태-백야1공구 구조계산서

⦁MIDAS Civil Tutorial : 시공단계별 수화열해석

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