2.2.1. 실험 및 계측계획

고유동 고강도 콘크리트의 거푸집의 측압측정을 위한 실 험체로는 Fig. 2와 같이 폭 1,800mm, 두께 400mm의 벽체 구조물을 선택했으며, 타설속도와 타설높이가 측압에 미치는 영향을 비교할 수 있도록 설계하였다.

Fig. 2.

Specimens and locations of sensors

우선 타설속도에 따른 측압의 변화를 살펴보기 위해, 실험 체 A와 실험체 B의 타설속도를 변수로 설정하여 각각 2.0m/h 와 4.0m/h의 타설속도가 80MPa 고유동 콘크리트의 측압에 미치는 영향을 확인하고자 하였다. 또한 실험체 C는 실험체 A의 높이 2.4m 보다 50% 증가한 3.6m 높이로 설계하여 타 설속도가 동일한 경우, 타설높이가 측압에 미치는 영향을 비 교하고자 하였다.

측압의 계측지점은 측압의 변화가 크게 발생하는 하단부 를 중심으로 Fig. 2와 같이 실험체 A와 실험체 B는 각각 3 곳, 실험체 C는 5곳을 선정하였다.

일반적으로 거푸집 측압의 계측방식으로는 플랫타이의 응 력을 측정하여 이를 거푸집의 측압으로 환산하는 간접계측 법과 압력계를 설치하여 콘크리트가 유발하는 측압을 측정 하는 직접계측법이 있다. 간접계측법은 변형률 게이지를 활 용하여 비교적 저렴하게 계측을 수행할 수 있으나 플랫타이 의 체결 상태에 따라 결과값이 큰 차이를 보일 수 있으며, 특정 플랫타이의 위치에 따라 변형률 분포가 달라질 수 있으 므로 신뢰할만한 결과를 기대하기 어렵다. 이에 따라 본 실 험에서는 측압의 변화가 클 것으로 예상되는 지점에 압력계 (pressure meter)를 설치하여 거푸집에 작용하는 측압을 직 접 계측하는 직접계측법을 적용하였다.

압력계를 통해 얻은 계측치를 ^{콘크리트 표준시방서 (2009)}에 서 제시하는 측압과 비교하여 그 결과를 제시함으로서, 80MPa 이상 고유동 콘크리트에 적용시 거푸집의 설계 및 타설계획 수립에 본 실험 결과가 유용하게 사용될 것으로 기대된다. 국 내의 콘크리트 표준시방서는 ACI 347-04 (ACI Committee 347, 2004)를 준용하여 거푸집 설계시 굳지 않은 콘크리트의 측압을 다음과 같이 산정하도록 규정하고 있다.

여기서, p는 콘크리트의 측압 (kN/m²), W 는 콘크리트의 단위중량 (kN/m³), H 는 콘크리트의 타설높이 (m)이다. 이 측압은 콘크리트의 슬럼프, 타설속도 및 타설높이에 따라 다 르게 규정되어 있으며 일반적으로 거푸집의 설계시 사용하 는 콘크리트의 단위중량은 23.5kN/m³이다.

따라서 본 실험에서는 현장에서 콘크리트의 슬럼프 실험 을 수행한 후, 슬럼프의 크기를 판단하여 상기 규정에 맞게 콘크리트 측압을 산정하였으며 실험결과와 비교하였다.

2.2.2. 실험체의 제작 및 계측장비 설치

타설시 일반적인 현장조건과 유사하게 실험을 수행하기 위해 실험체는 실외에 설치하였다. 거푸집으로는 유로폼을 사용했으며, 콘크리트의 타설과 높이 측정 등의 작업을 원활 하게 수행할 수 있도록 Fig. 3(a)와 같이 실험체 주변에 시스 템 동바리 및 비계를 설치하였다. 실험체의 내부는 콘크리트 의 측압에 의한 거푸집의 변형을 최소화하고, 계측센서에 측 압이 제대로 전달될 수 있도록 Fig. 3(b)와 같이 플랫타이를 300mm 간격으로 설치하였다.

Fig. 3.

Installation of system support and scaffolds

아울러 철근이 거푸집의 측압을 감소시키는 역할을 하므 로 최대 측압을 측정하는 곳에 철근은 거의 배근하지 않았 다. 다만 콘크리트 벽체의 해체시 안전성을 확보하는 차원에 서 최소한의 철근만 배근하였다.

거푸집에 작용하는 콘크리트의 측압을 계측하기 위해 Fig. 4(a)와 같이 거푸집용 합판에 부착하는 형태의 원형 압력계 (직경: 100mm, nominal capacity: 980kPa)를 제작하였으며 콘크리트 타설시 누수를 막고, 거푸집 탈형시 센서의 회수가 용이하도록 센서 표면에 투명 필름을 덮은 후 밀봉하였다. 거푸집용 합판에 계측기 케이블이 통과할 수 있는 구멍을 뚫 어 압력계를 Fig. 4(b)와 같이 거푸집 안쪽에 부착하였다. 이 후 Fig. 4(c)와 같이 사전 실험을 통해 센서의 정상 작동 여 부를 확인하고, 거푸집의 설치를 완성하였다 (Fig. 4(d)).

Fig. 4.

Installation of pressure meter

2.2.3. 실험의 수행 과정

콘크리트는 인근의 레미콘 공장에서 생산하여 운반하였으 며, 타설시는 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 콘크리트 호퍼를 이 용하였다. 실험체별로 타설속도를 맞추기 위해 4~5단계로 시간을 나누어 타설하였으며, Fig. 5(c)와 같이 레이저 거리 측정기를 사용하여 타설높이를 조절하며 타설하였다.

Fig. 5.

Concrete casting work

하지만 콘크리트를 호퍼로부터 거푸집에 타설하는 과정에 서 타설량을 인력으로 조정하였기 때문에 단계별 타설높이 를 맞추는 작업에 시간이 더 소요되었다. 이로 인해 당초 계 획한 시간보다 타설시간이 지연되었다 (Table 3). 그러나 콘 크리트의 측압에 영향을 미칠 정도로 시간이 지연된 것은 아 니므로 실험결과에는 큰 영향이 없는 것으로 판단되었다.

추가로 콘크리트의 양생 중에 발생하는 수화열을 확인하 기 위해 실험체 B에 1개, 실험체 C에 2개의 온도센서를 벽 체내부의 중앙에 부착하였고, 대기온도를 계측하는 센서를 포함하여 총 4개의 온도센서를 사용하였다 (Table 4). 이에 따라 11개의 압력계와 함께 총 15개의 센서를 Fig. 5(d)와 같이 데이터 로거에 연결하여 계측을 수행하였다. 계측은 초 기의 타설 시점부터 5시간 30분까지는 10초 간격으로 수행 하였으며, 이후 계측을 종료한 46시간까지는 30초 간격으로 수행하였다.

3.1.1. 최대 측압

실험체 A, 실험체 B, 실험체 C의 타설완료 시점부터 양생 초기까지의 측압과 온도변화는 Fig. 6과 같다. 실험체 A의 경우, 2.4m 높이의 콘크리트 실험체를 약 74분에 걸쳐 평균 1.95m/h의 속도로 5번에 나누어 타설한 과정이 압력에서도 계단식의 증가 형태로 나타난 것을 확인할 수 있다. 최대 측 압은 전체 타설이 완료된 시점에서 49.6kPa로 나타났는데, 이는 동일한 높이의 실험체를 평균 3.20m/h의 속도로 타설 한 실험체 B의 최대 측압 53.2kPa보다 6.7%정도 작은 값으 로 타설속도가 느리면 측압의 감소에 다소 도움이 되는 것을 확인하였다. 이는 타설속도가 느리면, 하부 콘크리트에 초결 이 발생하여 최대 측압과 최종 측압이 감소하기 때문이다.

Fig. 6.

Test results on the lateral pressure and temperature

또한 타설속도가 느린 실험체 A가 실험체 B에 비해 타설 종료 후 측압이 빨리 감소하는 것으로 나타났다. 특히, 3.6m 높이의 벽체를 평균 1.73m/h의 속도로 타설한 실험체 C의 경우 최하단 (C-P1)에 작용하는 측압이 최대 측압 81.3kPa 에서 빠르게 감소하는 경향을 보였다.

실험체별로 최하단 압력계 (바닥면에서 200mm 높이에 위 치)에서 계측된 최대 측압 (measured pressure)과 시방서에 따라 계산된 설계치 (estimated pressure)를 Table 5에 나타 내었다. 여기서 설계치는 현장에서 수행한 슬럼프에 대한 시 험결과 (슬럼프 770mm로 175mm 이상)에 따라 식 (1)을 적 용하여 산정하였다. 측정된 최대측압의 경우 실험체 A는 4.2%정도 낮은 값을 보여주었으나, 타설속도가 빠른 실험체 B는 2.8%, 타설높이가 높은 실험체 C는 1.7%정도 계측결과 가 높게 나타났다. 이에 따라 80MPa 고유동 콘크리트의 경 우, 기존의 거푸집 설계식을 적용하면 안전하지 않을 수 있 음을 알 수 있다. 따라서 거푸집 설계시 5% 정도 추가적인 안전율을 확보하거나, 콘크리트의 단위중량을 정확하게 평가 하여 측압을 산정해야 되는 것으로 나타났다. 이에 콘크리트 단위중량을 5%정도 상향시킨 24kN/m³으로 했을 경우의 이 론적인 측압과 측정한 최대 측압은 서로 유사한 결과를 보여 주었다.

타설이 진행되는 동안 외기온도 (T_Air)는 5℃가 유지되 고 있었으며, 실험체 B와 실험체 C의 콘크리트 온도 역시 타설 이후 15℃~20℃를 유지하는 것으로 나타났다.

3.1.2. 콘크리트의 수화열에 따른 측압의 변화

Fig. 6에 따르면 콘크리트에 발생하는 수화열과 거푸집의 측압감소 사이에 직접적인 연관성이 찾기 어려운데, 이러한 경향은 Fig. 7에서와 같이 양생 중·후반부에 대한 계측결과 로부터도 확인할 수 있다. 실험체 A, 실험체 B와 실험체 C 의 최하단부 측압은 타설종료 시점부터 측압이 감소하기 시 작해 12시간 이후부터는 감소세가 완만해지면서 측압이 안 정화된다. 특히 타설속도가 느리고, 타설높이가 높은 실험체 C의 측압 감소량은 최대 53%로 타설속도가 빠르고, 타설높 이가 낮은 실험체 B의 17%보다 상당히 큰 것을 알 수 있다. 실험체 A의 측압 감소량은 42%로 측압의 감소 경향은 타설 높이보다는 타설속도에 더 많은 영향을 받음을 알 수 있다.

Fig. 7.

Test results on the lateral pressure and temperature from casting of the concrete to additional times

실험체 B와 실험체 C의 콘크리트 내부온도는 타설 종료이 후 24시간이 지난 시점부터 수화열이 상승하기 시작하여 36 시간 이후 최대 온도 (실험체 B: 22.1℃, 실험체 C: 69.3℃) 를 나타내고 이후 서서히 감소한다 (실험체 C는 14시간 이 후 증기 양생 실시). 따라서 고성능 감수제와 같은 혼화제를 비롯하여 플라이애쉬 등의 혼화제를 사용한 고유동 고강도 콘크리트는 응결지연으로 인해 수화반응에 의한 온도상승이 지연되는데, 약 24시간 이후 본격적인 온도상승이 나타났다.

일반적인 콘크리트의 경우, 수화반응이 나타나면 수화열에 의해 콘크리트 내부의 자유수 (free water)가 감소하면서 고 체입자 내부의 자유수가 지지하고 하고 있던 수직응력이 점 진적으로 고체에 전달되어 측압이 감소하는 경향을 보이게 된다 (^{Kwon, 2008}).

본 실험에서 관측된 시간경과에 따른 하단부의 측압감소 는 초기 수화반응에 의한 자유수의 감소와 강도발현 등에 의 해 발생한 것으로 추정된다. 또한, Fig. 7로부터 수화반응에 의해 온도상승이 최대로 발생하는 시간과 측압감소가 급격 히 변화하는 시간 사이에는 차이가 있는 것으로 관측되었다.

3.1.3. 시간에 따른 측압 분포의 변화

경제적인 거푸집 설계를 위해서는 벽체의 높이에 따른 거 푸집의 측압 산정이 반드시 필요하다. 따라서 본 실험을 통 해 얻은 거푸집의 높이별 측압을 타설완료 시점에서부터 시 간대 별로 국내 콘크리트 시방서에서 제시하는 설계치 (flow pressure)와 함께 Fig. 8 및 Fig. 9에 나타내었다.

Fig. 8.

Lateral pressure with height of the formwork (specimen A, specimen B)

타설완료 직후는 측압이 타설높이에 비례하는 형태이며 이는 이론적인 콘크리트의 측압과 유사하다. 실험체 C의 경 우는 하단부의 측압이 이론적인 콘크리트의 측압을 다소 상 회하는 것으로 나타났으므로 거푸집 설계에 주의할 필요가 있다.

일반적인 콘크리트의 측압과 유사하게 시간이 지남에 따 라 하단부의 측압이 중앙부와 상부에 비해 빠른 속도로 감소 하는 것을 확인할 수 있다. 그러나 실험체 B의 경우, 최하단 부의 감소폭이 중앙부와 유사한 수준임을 알 수 있다. 이는 실험체 B의 콘크리트를 다른 실험체에 비해 빠르게 타설하 였기 때문에 나타난 효과로 보인다. 즉, 콘크리트의 타설속 도가 빠르면 측압의 안정화 효과가 높이별로 차이가 거의 없 는 것을 확인하였다.

실험체 C의 측압은 타설완료 이후, 시간이 경과함에 따라 감소하며 5시간 경과후 최하단부는 34%, 하단에서 1m 높이 에서는 19%정도 측압이 감소되는 효과가 나타났다 (Fig. 9). 즉, 최하단부의 콘크리트가 시간이 지남에 따라 자유수가 감 소하면서 수직응력에 비례하던 측압이 상부보다 빨리 감소 하는 경향을 나타냄을 확인하였다.

Fig. 9.

Lateral pressure with height of the formwork (specimen C)

3.2.1. 타설속도에 따른 측압분석

타설속도에 따른 측압의 변화를 살펴보기 위해, 높이가 동 일하고 타설속도가 다른 실험체 A (타설속도: 1.95m/h)와 실 험체 B (타설속도: 3.20m/h)의 타설완료 시의 측압분포와 5 시간 경과후의 측압분포를 Fig. 10에 나타내었다. 타설속도 가 빠른 실험체 B가 실험체 A에 비해 하단부의 측압이 7% 정도 크게 측정되었으며, 5시간이 경과한 후의 측압 감소량 은 실험체 A가 18%, 실험체 B가 9.6%로 실험체 B의 측압 감소량이 작았다. 이는 고유동 콘크리트에서도 측압을 줄이 고 경제적인 거푸집 설계를 하기 위해서는 콘크리트의 타설 속도를 조절해야 함을 의미한다.

Fig. 10.

Lateral pressure with casting speed

결국, 고유동 콘크리트의 최대 장점이 진동다짐작업을 배 제하고, 타설속도를 높여 비용을 절감할 수 있다는 것인데, 이를 최대한 활용하기 위해서는 빠른 타설로 인한 콘크리트 의 측압증가에 대비해야 한다. 따라서 고유동 콘크리트의 적 용을 통한 콘크리트의 타설비용 절감과 측압에 저항할 수 있 는 거푸집 설치비용의 증가 사이에 상충효과 (trade off)가 발생함을 감안하여 타설계획을 수립해야 한다.

3.2.2. 타설높이에 따른 측압분석

타설높이에 따른 측압변화를 살펴보기 위해, 타설속도를 유사하게 제어하고 타설높이를 달리 한 실험체 A (타설속도: 1.95m/h, 타설높이: 2.4m)와 실험체 C (타설속도: 1.73m/h, 타설높이: 3.6m)의 타설완료시 측압분포와 5시간 경과후의 측압 분포를 Fig. 11에 나타내었다.

Fig. 11.

Lateral pressure with casting height

실험체 C의 타설높이가 1.2m 높은 만큼 타설완료 시점의 측압이 전체적으로 약 30kPa정도로 균일하게 증가한다. 또 한 5시간 경과후의 측압 감소에 대한 경향도 이와 유사하다.

타설속도 및 타설높이에 대한 변수를 검토하기 위해, 시간 에 변화에 따른 측압을 최대 측압에 대한 비율로 나타냈다 (Fig. 12). 실험체 높이가 동일하고, 타설속도가 다른 실험체 A와 실험체 B의 측압감소량은 약 32%의 차이를 보였다. 이 는 고유동 콘크리트의 거푸집과 지지구조물의 설계 시, 타설 속도에 대한 검토가 면밀히 요구됨을 알 수 있다.

Fig. 12.

Lateral pressure with casting height and speed

실험체의 타설속도가 유사하고, 타설높이가 다른 실험체 A와 실험체 C의 측압감소량은 약 10%의 차이가 나타났다. 이는 타설높이가 높아도, 타설속도가 느리면 측압이 빠르게 감소함을 확인할 수 있었다. 이 결과로부터 타설높이보다 콘 크리트 타설속도가 측압에 더 큰 영향을 미치는 요소임을 알 수 있다.