In this dissertation, to improve the current method of predicting thermal stresses and to develop analysis program inclusive of coupled hydration heat and differential drying shrinkage, a series of experiments and numerical analysis were performed.
Relating to thermal stresses, thermal properties of concrete (i.e., thermal conductivity and the heat transfer coefficient) and the heat generation model were investigated to improve the predicted temperature distribution accuracy. And the analysis method for the behavior of concrete after cracking was described. In addition to the numerical prediction, the new device measuring thermal stresses was developed. For the coupled stress due to hydration heat and differential drying shrinkage, the mutual relationship between heat transfer and moisture diffusion was numerically investigated. Also, three-dimensional analysis program for the coupled stress was developed.
From the experiment for the thermal conductivity of concrete with seven parameters, the results show that aggregate volume fraction is a main parameter on the conductivity of concrete. Based on the experimental results, the prediction model was proposed to accurately estimate the thermal conductivity of concrete. The proposed relationship correlates test results by indicating the sample correlation coefficient of 0.95. According to the experimental results for the heat transfer coefficient, the effect of wind velocity on the heat transfer coefficient is larger than that in previous models and varies with form types. Based on this experiments and the theoretical background for flow convection, the general prediction model including properties of formwork as well as wind velocity was proposed. The heat transfer coefficient obtained by the proposed model well agrees with those from the experiments. To predict the generation of hydration heat, the hydration heat model is adopted. This hydration heat model is more reasonable than the adiabatic temperature rise model and is verified by the comparison with test results of the adiabatic temperature rise test. For the safety of concrete walls against damage from thermal stress, one-dimensional numerical method, which simulates the growth of cracks according to the principles of fracture mechanics, is formulated. The crack band model with smeared cracking, formulated so as to be equivalent to the cohesive crack model, is shown to be an adequate approximation for this purpose. The developed device shows the possibility of measuring thermal stress variations of any position in concrete structures using different thermal expansion coefficient plates even though properties of concrete are uncertain. And, the application of various degrees of constraint can be achieved by using constraint frame material with different thermal expansion coefficient, length, and cross sectional area.
Based on the literature review, the mutual relationship is investigated by numerical analysis. From this analytical result, it is noted that the dependency of moisture diffusion on temperature is much larger than that of heat transfer on moisture. Therefore, the variation of the moisture diffusion coefficient with temperature must be considered in numerical analysis. The three-dimensional analysis program for the coupled stress of hydration heat and differential drying shrinkage is developed to realistically predict the cracking of concrete structures. The analysis for actual concrete structures is performed by this program.
콘크리트는 수경성 재료로서 시간에 따라서 그 성질이 변한다. 특히 시멘트의 수화반응에 의해 발생되는 수화열과 부재내의 수분확산에 의한 부등건조수축은 초기재령 콘크리트에서 온도균열과 표면수축균열을 발생시키는 주요한 요인이 된다. 따라서 콘크리트 구조물의 안전성뿐만 아니라 사용성, 내구성을 확보하기 위해서는 이러한 균열을 사전에 예측할 수 있는 기법이 필요하다.
시멘트의 수화반응은 콘크리트의 온도상승을 발생시키는 근원으로서 시멘트 매트릭스의 경화를 수반한다. 콘크리트의 수화열은 1930년대 Boulder 댐을 비롯한 매스콘크리트 구조물에서 온도균열의 문제가 나타나면서 관심을 받게 되었다. 최근에는 수화열에 관련된 문제가 매스콘크리트뿐만 아니라 단위시멘트량이 큰 고강도 콘크리트 구조물에도 그 범위가 확대되어가고 있다. 이로 인해 수화열에 의한 균열발생을 예측하거나 이를 미연에 방지하고자 하는 많은 연구들이 수행되고 있다. 그러나 수화열 해석에 사용되는 콘크리트의 열특성값에 대한 연구는 미비한 실정이며, 초기재령 콘크리트의 물성치에 대한 불확실성으로 인하여 해석적인 방법의 한계점이 대두되고 있다. 또한 대부분의 수화열 해석기법에서는 콘크리트의 균열 후 거동을 고려하지 않고 있다.
콘크리트가 외기에 노출되면 수분확산 현상에 의해 수분이 이동하고, 콘크리트 내부의 함수량은 각 위치에서 큰 차이를 나타낸다. 이러한 부등수분분포에 의하여 콘크리트 구조물에는 부등건조수축이 발생하게 된다. 부등건조수축은 콘크리트 표면에 수축균열을 발생시킨다. 현재 세계 각국(미국, 유럽 등)에서 규정하고 있는 건조수축에 대한 규정식들은 평균적 변형률을 나타내는 식들로서 콘크리트 표면에서의 부등건조수축에 의한 균열해석에 대해서는 전혀 사용할 수 없다. 특히 콘크리트의 수화열과 부등건조수축은 상호연관성을 보이기 때문에 초기 재령 콘크리트의 균열을 예측하기 위해서는 수화열과 부등건조수축을 동시에 고려할 수 있는 해석기법이 필요하다.
이에 본 논문에서는 기존의 수화열 해석기법의 문제점을 개선하고, 수화열과 부등건조수축을 고려한 콘크리트 구조물의 해석 프로그램을 개발하고자 하였다.
먼저 기존의 수화열 해석기법의 문제점을 개선하는 방안으로 온도 해석에 사용되는 콘크리트의 열특성값인 열전도율, 외기대류계수에 대한 실험을 수행하고, 이를 통하여 각 열특성값에 대한 모델식을 제시하였다. 또한 수화반응에 의한 수화발열량을 예측하는 기존의 단열온도상승 모델의 문제점을 해결하고 보다 실제적인 수화발열량을 예측할 수 있는 수화발열률 모델의 적용성을 검토하였다. 불확실한 콘크리트의 초기재령 물성치로 인해 야기되는 수치해석의 한계성을 극복하기 위해 이와 관련된 최근의 연구동향에 편승하여 실내에서 온도응력을 측정, 예측할 수 있는 온도응력 측정용 시험장치를 개발하였다. 개발된 시험장치는 실험을 통하여 그 타당성을 검증하였고 일련의 수치해석을 통하여 시험장치의 적용방안 및 활용성을 검토하였다. 기존의 온도응력 해석 프로그램에서 고려하지 못하는 콘크리트의 균열 발생 후 거동을 모사하기 위해 파괴역학 개념을 도입한 수치해석 기법을 개발하였다. 개발된 해석기법을 검증하기 위해 1차원 해석 프로그램을 개발하여 실제 콘크리트의 구조물에 대한 해석을 수행하였으며, 해석결과는 콘크리트 구조물의 균열 발생 후 변형률 및 응력 변화를 정확히 모사하고 있음을 알 수 있었다.
수화열과 부등건조수축을 고려한 해석기법과 관련하여 먼저 열전달과 수분확산 사이의 상호연관성에 대한 수치해석 연구를 수행하였다. 수치해석 결과에 따르면 수분에 따른 열전달의 영향보다 온도에 따른 수분확산의 영향이 큰 것으로 나타났다. 최종적으로 기존의 수화열에 의한 온도응력뿐만 아니라 부등건조수축에 의한 수축응력을 고려할 수 있는 3차원 해석 프로그램을 개발하였으며, 개발된 해석 프로그램을 이용하여 실제 시공된 콘크리트 박스 구조물의 수치해석을 수행하여 타당성 및 활용성을 검증하였다. 본 논문에서 수행된 수화열과 부등건조수축에 대한 연구결과를 통하여 보다 정확하고 신뢰성 있는 콘크리트 구조물의 구조해석을 수행할 수 있을 것으로 사료된다.
