Concrete material has time-dependent properties, namely creep and shrinkage, which induce the long-term deformation in concrete structures. The long-term behavior may cause the concrete cracking and the deterioration of serviceability and durability. Therefore, the effect of the long-term behavior obtained from the prediction should be considered in the process of design and construction.
Most research and prediction models on creep of concrete have been concerned with the uniaxial stress state. Research on creep under multiaxial stresses, however, has been relatively scarce, and the properties of creep under multiaxial stresses have not been fully understood even though concrete is subjected to multiaxial stresses in many structural members and structures.
The Poisson’s ratio due to multiaxial creep of concrete that has been reported by some experimental works is very controversial. When calculated from measured strains, Poisson’s ratio is very sensitive to small experimental error. This sensitivity makes it difficult to determine whether the ratio varies with time or remains constant, and whether it has a different value with stress states. To precisely understand the properties of multiaxial creep of concrete, a new approach method is needed.
Therefore, to definitely find out the properties of creep under multiaxial stresses, elaborate experimental study and analytical study using microplane model as a new approach method are preformed in this study. In addition to these experimental and analytical studies, numerical analyses are carried out for CFT column as a representative concrete member being under multiaxial stresses, the effect of the found creep properties on structural response is investigated.
Twenty-seven specimens for three concrete mixes were tested for basic creep under constantly sustained multiaxial stresses. From the experiments, it was found that volumetric and deviatoric creep strains are linearly proportional to volumetric and deviatoric stresses, respectively. This linearity can be confirmed again from other researcher’s experimental works.
Using the linearity properties on volumetric and deviatoric stresses and creep strains and applying the microplane model, regression analyses for the multiaxial creep test data including other researchers’ data are performed. From the optimum fits and the statistical estimation of the analysis results, it is found that Poisson’s ratio due to creep is varying with time.
Numerical analyses for CFT columns are performed to investigate the effect of time-varying Poisson’s ratio to structural response. The comparison of the analysis results for two conditions, that is, time-varying Poisson’s ratio and constant Poisson’s ratio over time is made, and the difference between two analysis results is so small as to be ignored.
When the time-varying Poisson’s ratio is considered, much difficulty may arise in the numerical analysis of structures. Therefore, if the very high precision for the prediction of the long-term behavior is not needed as like a analysis for design of structure, the constant Poisson’s ratio over time can be used in the numerical analysis without serious error. However, for the structures in which cracking may cause the serious deterioration of serviceability and durability or multiaxial stresses are relatively high, the time-varying Poisson’s ratio should be considered to predict the long-term behavior accurately.
콘크리트는 크리프와 건조수축의 시간의존적 변형특성을 갖으며, 이로 인하여 콘크리트 구조물의 변형은 장기간에 걸쳐 증가하게 된다. 이러한 구조물의 장기변형은 균열을 유발할 수 있으며, 사용성능과 내구성 저하의 주요원인이 된다. 따라서 콘크리트 구조물을 설계 및 시공할 때 장기변형의 예측을 통해 그 영향이 충분히 고려되어야 한다.
지금까지 콘크리트 크리프에 관한 연구는 주로 1축 응력상태만을 고려하여 이루어져 왔으며, 예측 모델식들 또한 1축 응력상태를 대상으로 하고 있다. 그러나 콘크리트 구조물에서 콘크리트 재료는 일반적으로 다축 응력상태에 놓이게 되며, 특히 매스콘크리트, 기둥과 보의 접합부, 2방향 프리스트레스 부재, 대형 구조물, CFT 기둥 등의 경우 종방향 응력에 대한 횡방향 응력의 크기가 다른 구조물에 비해 상대적으로 크기 때문에 장기거동 해석에 있어 다축응력 상태가 고려되어야 한다. 그러나 다축응력 상태에 놓이는 콘크리트의 크리프 특성은 아직까지 명확하게 규명되어 있지 않다.
다축압 크리프에 관한 기존의 실험연구들은 대부분 측정된 변형률로부터 시간에 따른 푸아송 비를 계산하였는데, 이에 대한 결과는 연구자들마다 큰 차이를 나타내고 있다. 이러한 불일치는 실험적 오차와 접근방법 상의 오류에 기인하는 것으로 볼 수 있다. 따라서 이 연구에서 다축압 상태에 놓인 콘크리트 재료에 대한 정교한 크리프 실험과 새로운 접근방법을 적용한 분석을 실시하여 다축압 상태의 크리프 특성을 명확히 규명하고자 하였다. 또한 다축압 상태의 대표적인 구조물로 CFT(Concrete Filled Steel Tube) 기둥을 선정하여, 이 연구에서 규명한 크리프 특성이 구조물의 장기거동에 미치는 영향을 파악해 보고자 하였다.
세가지 배합의 27개 실험체에 대해 시간에 따라 일정하게 유지되는 다축응력 상태에서 기본 크리프 실험이 수행되었으며, 이로부터 체적응력과 체적 크리프 변형, 편차응력과 편차 크리프 변형이 선형의 관계가 있다는 것이 파악되었다. 이러한 선형성은 타 연구자의 실험결과로부터도 확인할 수 있었다.
체적과 편차 성분의 응력과 변형이 선형이라는 특성과 새로운 분석방법으로 미세평면(microplane) 모델을 사용하여, 이 연구에서 수행된 실험결과와 타 연구자들의 실험결과에 대해 회귀분석을 수행하였다. 이로부터 콘크리트 크리프에 의한 푸아송 비가 시간에 따라 변화한다는 사실을 파악하였다.
시간에 따라 푸아송 비가 변화할 때 구조체의 장기거동에 미치는 영향을 파악해 보기 위해 사용상태에서 내부의 콘크리트가 다축 응력상태에 놓이는 CFT 기둥에 대한 장기거동 해석을 수행하였다. 푸아송 비가 시간에 따라 변화하는 경우와 일정하게 유지되는 경우에 대한 해석결과를 비교해 보았으며, 두 해석결과의 차이는 매우 작았다.
푸아송 비가 시간에 따라 변화하는 것을 고려하는데 대한 해석상의 어려움을 고려할 때, 건설 실무에서 구조물 설계를 위한 해석과 같이 정밀한 거동예측이 필요하지 않은 경우, 시간에 따라 일정한 푸아송 비를 사용하여도 심각한 오차를 발생하지는 않을 것으로 판단된다. 그러나 균열발생이 사용성 및 내구성에 심각한 문제를 일으킬 수 구조물 또는 다축응력의 크기가 상대적으로 큰 구조물의 경우는 정밀한 거동예측을 위해 시간에 따라 변화하는 푸아송 비를 고려한 해석이 이루어져야 할 것이다.
