Mass concrete generates internal heat during the hydration period that occurs soon after casting. Added to these internal heat changes are the environmental conditions that the structure is subjected to during its designed life. These thermal changes in the material affect the elastic and creep properties of the material and in turn, the stress fields within the structure. This thermal stress problem is commonly understood as an initial defect of structure and needs special attention of an engineer to make sure of safety and stability of the structure.
The thermal stress depends on the structural shape and the constraint conditions, and cracks usually develop from tensile stresses which result from a temperature drop. However, in this dissertation, application of various degree of constraint in the thermal stress device is verified and for this purpose a series of experiments were performed on mass concrete followed by numerical simulation, so conditions like they occur in concrete structures could be simulated realistically. 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. The device is located in a temperature and humidity control chamber that follows the temperature history, which has been previously obtained from temperature distribution analysis, thus simulating the temperature development in the real structure. Further, the influence of non-thermal deformation due to shrinkage could be avoid controlling humidity in the chamber and wrapping of specimen surfaces with any appropriate water proofing polythene sheet. For the continuous measurement of the thermal strains, load cell in the device has been replaced by strain gages to define the restraint of the device in a more accurate fashion. The results from experiments show that the thermal stresses estimated from simulation agree well with the general stress variations in the real structure even though the properties of concrete are uncertain.
Experimental setup is modeled in finite element analysis software DAINA for numerical simulation of the thermal stress, and experimental parameters and conditions are used in analysis to verify the experimental results. A staggered flow stress analysis was chosen which performs heat transfer analysis followed by structural analysis. Results from numerical simulation agree well with the general thermal stress variation in the real structure as well as with the results obtained from experiments.
매스 콘크리트에서는 타설 초기부터 수화반응에 의한 수화열과 주위 환경 변화로 인해 부재 내부에 불균일한 온도분포가 발생된다. 이러한 부등 온도분포로 인해 콘크리트의 탄성계수와 크리프 특성이 부재 내부의 위치에 따라 달라지며 부재 내부에 응력이 유발된다. 온도응력은 구조물의 모양과 구속조건에 따라 달라지며, 일반적으로 구조물 내부의 온도가 하강하는 시점에 인장응력에 의한 관통균열이 발생된다. 온도응력에 의해 발생되는 문제점들은 구조물에 존재하는 초기 결함으로 간주되며, 구조물의 안전을 위해서는 이러한 문제에 대한 특별한 주의가 필요하다.
이 연구에서는 온도응력장치를 사용하여 구속 정도에 따른 온도응력의 변화를 관찰하였다. 실험에 사용한 온도이력은 실제 매스 콘크리트에 대한 수치해석 결과를 바탕으로 결정하였다. 또한 온도응력장치에 사용된 구속용 금속판의 두께를 달리하여 구속 정도의 차이를 모사하였으며, 콘크리트보다 열팽창계수가 작은 금속판(인바)과 큰 금속판(아연)을 사용하여 구조물 내외부의 서로 다른 응력이력을 모사하였다. 항온항습조를 사용하여 정해진 온도이력에 따라 실험이 수행될 수 있도록 하였으며, 설정가능한 범위에서 상대습도를 최대한 높이고 실험체 표면을 폴리에틸렌 시트로 밀봉하여 건조수축에 의한 영향을 최소한으로 감소시켰다. 기존의 온도응력장치와 다르게 로드셀을 사용하는 대신 금속판에 변형률 게이지를 부착하여 지속적으로 온도응력을 측정할 수 있도록 하였다. 실험결과, 온도응력장치를 통해 측정된 온도응력이 실제 구조물의 일반적인 온도이력을 잘 모사하는 것으로 나타났다.
다음으로 DAINA를 사용하여 온도응력장치를 모델링하고 수치해석을 수행하였다. 수치해석에 사용된 환경조건은 실험에 사용된 조건과 동일하였다. 재령에 따른 콘크리트의 탄성계수 변화는 CEB-FIP 모델을 사용하여 근사적으로 모사하였으며, 크리프 모델은 double power law를 사용하였다. 결론적으로, 수치해석에 사용된 입력값의 불확실성이 높았음에도 불구하고 해석결과가 실험결과를 잘 모사하는 것으로 나타났다.
