In this dissertation, experimental tests and numerical analyses were performed to investigate the early age behavior of concrete structures.
Relating to the material properties of early age concrete, experiments for autogenous shrinkage, basic creep, and tensile stress-strain relations, which are important influencing factors on early age behavior, were carried out. The experimental results show that autogenous shrinkage is not nonlinearly dependent on applied stress and stress-free autogenous shrinkage should be separated from the basic creep test results to obtain the basic creep model for prediction of concrete creep deformation in numerical stress analysis, for example, thermal stress analysis and crack control problems. Furthermore, from the tensile cracking propagation test for early age concrete, tensile stress-strain relations for early age concrete were obtained and corresponding fracture characteristics such as $CTOD_c$ and $K_k$ were obtained.
In relation to the material model of concrete, microplane model was adopted in this study. To improve the existing microplane model to describe the early age behavior, nonlinear regression analyses were performed with tensile and compressive test results for early age concrete. Material parameters in enhanced microplane model are analyzed based on the degree of hydration concept, and an age-dependent microplane model is developed. Analysis results show that existing microplane model M4 is not suitable for early age compressive behavior and to resolve that problem, an additional nonlinear function should be multiplied by the existing negative deviatoric boundary of M4. In addition, a parameter E in compression develops in linear fashion with the degree of hydration as the concrete age increases and a parameter E in tension develops faster than that in compression. The evolution of E in the developed microplane model follows the trend of strength development with increasing age. In relation to tensile behavior of microplane model, brittleness of normal boundary in M4 increases as degree of hydration increases. Developed microplane model successfully describes the early age tensile and compressive behavior, and it preserves the consistency with existing microplane model for hardened concrete.
Relating to the simulation of the early age behavior for massive concrete structures, finite element analysis (FEA) implemented with the developed microplane model was performed. For a massive concrete wall and slab, which are representative massive concrete structures, structural behaviors such as stress evolution, cracking initiation and propagation, and deformation variation were investigated with concrete age. From the results of cracking analysis for massive concrete wall, it is seen that the surface cracking at early ages has occurred for different crack driving mechanisms, and especially for combined hydration heat and shrinkages, surface cracking is crucial for early age cracking. In massive concrete slab, autogenous shrinkage increases the risk of early age cracking and it reduces reinforcement effect on control of early age cracking. While the cracking is observed only at lower corner of the massive concrete slab for the case of hydration heat, gradual crack occurrence is experienced from exterior surface towards interior of the slab in case of combined hydration heat and autogenous shrinkage. Numerical analysis implemented with enhanced microplane model successfully simulates the typical cracking patterns due to edge restraint in concrete slab.
이 논문에서는 콘크리트 구조물의 초기거동을 규명하기 위해 실험과 수치해석을 수행하였다. 초기재령 콘크리트의 재료특성을 파악하기 위하여, 초기거동의 중요한 영향인자인 자기수축과 기본크리프, 인장균열거동에 관한 실험을 수행하였다. 그 결과, 콘크리트의 자기수축이 작용 응력에 대하여 비선형적으로 비례하지 않으며, 이로부터 실제 콘크리트 구조물의 초기거동을 모사할 수 있는 기본크리프 모델은 기존의 기본크리프 실험결과에서 자기수축 량을 단순히 제외함으로써 구할 수 있음을 알 수 있었다. 인장균열거동에 관한 실험으로부터는 초기재령 콘크리트의 인장균열거동을 모사하는 하중-균열개구변위 곡선을 얻을 수 있었으며, 콘크리트의 재령에 따라 파괴역학적 파라미터인 $CTOD_c$ 와 $K_{Ic}$ 을 구할 수 있었다.
콘크리트의 거동을 설명할 수 있는 재료 모델로서 현재 콘크리트의 다축거동을 잘 모사하는 것으로 알려져 있는 미소면 모델을 채택하였다. 콘크리트의 초기거동을 모사할 수 있도록 기존의 미소면 모델을 개선하기 위해 초기재령 콘크리트의 인장과 압축 실험결과를 토대로 비선형 회귀분석을 수행하였다. 개선된 미소면 모델의 재료상수는 콘크리트의 수화도 개념에 기초하여 분석되었으며, 이에 따라 콘크리트의 재령효과를 고려한 미소면 모델을 개발하였다. 기존의 미소면 모델은 초기재령 콘크리트의 압축거동을 모사하지 못하였으며, 이에 대한 개선을 위해 기존 미소면 모델의 편차응력경계에 비선형 함수를 도입하였다. 재령에 따른 콘크리트의 인장거동을 모사하기 위해 기존 미소면 모델의 수직응력경계를 구성하는 재료상수에 관한 회귀분석을 수행하였으며, 재령에 따른 재료상수는 수화도에 기초하여 분석되었다. 콘크리트의 수화도에 기초하여 개발된 미소면 모델은 재령에 따른 압축과 인장거동을 잘 모사하는 것으로 나타났으며, 콘크리트가 경화됨에 따라 기존의 경화된 콘크리트에 대한 미소면 모델과 일관성을 나타냈다.
개발된 미소면 모델을 적용하여 이 논문에서는 매스콘크리트 구조물에 대한 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석은 매스콘크리트 벽체와 슬래브에 대하여 수행하였으며, 시간에 따른 콘크리트와 철근의 응력 변화, 균열의 생성과 진전과 같은 구조적 거동을 검토하였다. 매스콘크리트 벽체의 해석결과, 콘크리트의 수화열과 자기수축, 건조수축의 모든 경우에 대하여, 재령 초기에 표면 균열이 발생하는 것으로 나타났다. 매스콘크리트 슬래브의 경우, 수화열만 고려한 경우에는 슬래브 하단에서 발생한 균열이 더 이상 진전하지 않았으나, 수화열과 자기수축을 동시에 고려한 경우, 슬래브 하단에서 균열이 발생하여 진전하는 것을 모사할 수 있었다. 콘크리트의 자기수축은 매스콘크리트 슬래브의 균열발생위험을 증가시키는 효과를 가져왔으며, 균열발생을 억제하는 철근의 효과를 감소시키는 것으로 나타났다. 개발된 미소면 모델을 적용한 유한요소해석 결과, 하단이 구속된 콘크리트 슬래브에서 발생할 수 있는 전형적인 균열거동을 효과적으로 모사할 수 있음을 알 수 있었다.