Long-term deformation of concrete such as drying shrinkage and creep varies depending on lots of factors like concrete mixing, size and environmental conditions. These inelastic and time-dependent characteristics of concrete make it hard to predict exact amount of deformation but it should be counted properly.
Creep and drying shrinkage lead shortening of vertical elements in the structure. For columns, this phenomenon called as column shortening. The column shortening can cause undesirable problems related to serviceability and safety especially when each column has a different level of shortening. This differential column shortening causes additional stress to a system, distortion of wall or finishing materials and other structural problems. Therefore, accurate prediction of column shortening is quite important especially for high-rise buildings because small errors of shrinkage prediction can be accumulated and become a critical issue in the high-rise buildings.
SRC(Steel Reinforced Concrete) columns are widely employed nowadays as high-rise building construction increases. Consequently, being well aware of long-term deformation of the SRC columns will be helpful for reducing structural problems and economical designs of high-rise buildings.
From the previous studies, it has shown that SRC column shortening tends to be overestimated when a general method to predict RC column is used. It means that a new analysis method is necessary to analyze long-term behavior of SRC more accurately.
The difference between RC and SRC columns is mainly from the existence of H-shape steel. The flange of H-shape steel disturbs the moisture diffusion in concrete and makes the long-term deformation such as drying shrinkage and drying creep related to the moisture diffusion different. Therefore, differential moisture distribution should be taken into account in order to predict the column shortening of SRC columns reasonably.
In this study, some factors like steel shape and size of the section are considered to predict long-term behaviors of SRC columns. Also, analysis method and shrinkage prediction program are developed to involve the moisture distribution characteristics of SRC columns. Analysis results shows that drying shrinkage of SRC column is developed slowly and the value of drying shrinkage becomes less when the steel obstructs moisture diffusion too much. Through the results, modified equations are suggested to be adoptable for SRC columns.
콘크리트의 건조수축, 크리프와 같은 비탄성 장기변형은 시멘트의 종류, 배합이나 시공 환경 등에 의해 크게 좌우되고, 탄성변형과는 달리 시간의존적 특성을 갖고 있어 정확한 예측에 어려움이 따른다. 하지만 안전과 사용성 증진을 위해 설계시 반드시 고려되어야 할 문제이며 특히 현대의 초고층, 초대형 건축물에서 장기변형 예측은 더욱 더 중요하다.
콘크리트 기둥의 부등축소현상은 초고층 구조물의 사용성 및 안전성을 위협하는 주요 원인 중 하나로, 정확한 부등축소량의 예측을 통해 해결해야 하는 문제이다. 현재는 ACI, CEB-FIP 등에서 제안하는 장기변형 예측 모델식을 이용하여 축소량을 예측하고 있으나 초고층 건물에서 많이 이용되는 SRC(Steel Reinforced Concrete) 기둥의 경우 보통의 RC 기둥과는 장기거동 특성이 달라 기존의 모델식을 그대로 적용할 경우 정확한 예측이 어렵다. 콘크리트와 구조용 강재를 조합한 SRC 기둥의 경우, 강재의 플랜지(flange)가 콘크리트의 수분확산을 방해하여 수분 분포 양상이 RC 기둥이나 무근 콘크리트 기둥과는 다르며, 이는 수분확산의 결과로 발생하는 건조수축과 건조크리프량에 영향을 준다. 즉, SRC 기둥의 수축량은 RC 기둥과는 상이하며 SRC 기둥의 정확한 설계와 시공을 위해서는 기존의 모델식이 아닌 SRC 기둥의 수분확산과 이에 따른 건조수축, 크리프 특성을 반영한 해석 방법이 필요하다.
이 논문에서는 기둥 내부의 수분확산 특성을 고려하여 콘크리트의 장기변형량을 합리적으로 산정할 수 있는 해석방법과 프로그램을 개발하고, 이 프로그램을 이용한 해석 결과를 통해 현재의 모델식을 SRC 부재에 적합한 형태로 수정하여 제안하고자 하였다. 먼저, 수분확산에 영향을 미칠 수 있는 인자로 단면의 크기, 단면 내부의 형강 배치 형태, 형강 플랜지의 길이를 설정하여 해석을 수행하였고, 해석 결과를 바탕으로 각 단면의 수축량을 계산하고 비교, 분석하였다. 예상한 것처럼 SRC 기둥의 경우, 형강의 플랜지가 수분의 확산을 방해하여 무근 콘크리트 기둥과 비교했을 때 콘크리트의 수축 속도가 느려지며, 내부의 형강 배치 형태가 수분확산을 더 방해할수록 수축이 천천히 일어남을 확인할 수 있었다. 형강이 수분확산을 심각하게 방해하는 경우는 수축량 자체가 줄어드는 것도 알 수 있었다. 이러한 해석 결과를 바탕으로 CEB-FIP 모델식을 수정하여 다양한 형태의 SRC 기둥에서 적용 가능한 수식을 제안하였다. 이는 복잡한 수분확산 해석과 수축량 해석을 거치지 않고도 손쉽게 SRC 기둥의 수축량을 예측할 수 있는 방법을 제공한다는 점에서 큰 의미가 있다고 할 수 있다.
