2.1. 전력구 실증시험체 제작

수축저감제를 적용한 균열저감 콘크리트를 이용한 전력구 시험체를 제작하여 균열저감에 따른 거동과 효과를 규명하고 수축저감제 기반의 균열저감 특성을 분석하기 위해서는 시공 의 표준성, 균등성, 동시성 등이 중요하다. 콘크리트 균열 발 생의 주요한 인자로는 단위수량 또는 물-시멘트비, 양생조건 및 시간, 골재량, 부재의 크기 및 두게, 환경요인 및 건조기간 등이 있으며, 이와 같은 인자들이 균열저감 콘크리트 전력구 실증시험체와 일반 콘크리트 전력구 실증시험체에 대하여 동 일하게 적용될 수 있도록 제작하였다. 따라서 균열저감 콘크 리트 및 일반 콘크리트 전력구 실증시험체에 배합설계(수축 저감제 혼입)를 제외하고 표준화된 시공법에 따라 균등한 환 경조건에서 동시에 타설 및 양생의 시공을 완료하는 경우, 수 축저감제 적용에 따른 초기 건조수축 균열의 특성 규명이 가 능하다.

건조수축저감에 따른 거동과 효과 규명을 위한 균열저감 콘크리트 실증시험체는 균열저감 콘크리트 전력구와 일반 콘 크리트 전력구로서 다음 그림 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 2.8 × 2.9 m(W × H) 실제 전력구 크기와 같이 제작되었다. Fig. 2는 균열저감 콘크리트 전력구 실험체(SR)와 일반 콘크리트 전력 구 실험체(PL)의 제작과정을 시공순서에 맞게 그림으로 나타 낸 것이다. 콘크리트 표준시방서(한국콘크리트학회), 건축공 사 표준시방서(국토해양부), 배전공사 표준작업 절차서(대한 전기협회), 지중전력구 품질관리절차서(한국전기안전공사) 의 시공기준을 준수하며 제작하였다.

Fig. 1.

Specimen configuration of box culverts

Fig. 2.

Demonstration of specimen production and construction process

2.2. 균열저감 콘크리트 실증시험체 균열 분석

2.2.1. 실증시험체 균열 현황

콘크리트 균열 발생은 콘크리트 체적변화와 구속조건에 기 인하지만 다양한 원인이 복합되어 발생한다. 균열이 발생한 경우 여러 가지 관점에서 그 원인을 추적할 필요가 있으므로 균열의 형태에 대한 조사가 필요하다. 연속된 하나의 균열이 라 해도 위치에 따라 폭이 다른 것이 보통이며, 보수․보강 여부 판정의 자료로 활용할 경에는 최대 균열폭을 이용한다.

최대 폭을 나타내는 부분이 균열의 전체 길이 중 극히 일부 분일 경우이거나, 균열의 가장자리의 콘크리트가 국부적으로 일그러진 탓으로 다른 부분과 비교하여 최대 폭이 되었을 경 우 등에는 과잉 보수를 하게 되는 경우가 발생하게 된다. 따라 서 최대 균열폭 뿐만 아니라 균열이 전 구간에 걸친 균열폭의 분포에 유의하여야 한다. 실증시험체 균열조사에 대한 방법 은 균열폭의 측정, 변동 균열의 측정, 균열진행성, 균열 길이 와 형태, 균열부 기록 등으로 분류 수행하였다.

Fig. 3은 실증시험체의 균열조사망도이다. 균열저감 콘크 리트 전력구는 SR, 일반콘크리트 전력구는 PL이다. 7 m씩 5 구간으로 나누어 진행하였으며 전력구 위치를 나타내는 기초 는 (BS), 좌벽(LW), 우벽(RW), 상부(TS)로 나타내었다.

Fig. 3.

Demonstrated specimen crack survey

2.2.2. 전력구 실증시험체 건조수축균열 특성

콘크리트의 건조수축은 시멘트의 종류, 골재 배합, 혼화제, 양생조건 등에 따라 달라지며 시멘트의 분말도가 크게 되면 수축이 증가한다. 실증시험체는 기초나 다른 구조요소 또는 콘크리트 내의 보강철근 등에 의해 구속을 받게 되며, 이러한 수축작용의 구속은 인장응력을 유발시키고 이 인장응력이 콘 크리트의 인장강도에 도달할 때 콘크리트에 균열이 발생한 다. 또한 콘크리트 벽체, 슬래브 등 부재의 단면 내에서도 표 면은 건조수축이 크고 내부는 건조수축량이 작으므로 표면의 건조수축을 구속하게 되며, 따라서 표면에 인장응력이 유발 되어 표면균열이 발생한다.

표면에 발생하는 이러한 균열은 초기에는 콘크리트 내부로 는 관입되지 않지만 계속적인 건조현상이 진행됨에 따라 콘 크리트 부재 내부로 진행된다. 콘크리트의 건조수축에 의한 균열은 콘크리트 치기 후 2~3개월 정도에서부터 조건에 따라 서는 상당한 기간에 걸쳐 진행된다. 균열 폭은 0.05~0.5 mm 정도가 대부분이나, 경우에 따라서는 1~3 mm로 확대된다. 실 증시험체 균열 조사는 콘크리트가 어느 정도 양생되어 거푸 집을 탈형한 후 측정이 시작되기 때문에 소성수축과 자기수 축은 어느 정도 마무리가 된 상태이며, 콘크리트 경화 후 건조 수축에 의해 발생하는 균열이 주요 대상이 된다. 수축저감제 를 혼입하지 않은 전력구 상부 슬래브의 건조수축에 의한 횡 균열의 발생 현황은 Fig. 4와 같다.

Fig. 4.

Transverse cracks in top slab surface

실증시험체 균열 조사 기준은 콘크리트구조물 유지관리 매 뉴얼(한국콘크리트학회), 안전점검 및 정밀안전진단 세부지 침,균열조사요령(한국시설안전공단),(한국구조물진단공 학),(한국구조물진단학회)에 준수하여 조사하였다.

측점 분할은 실증시험체 진행 방향으로 위치 표시하였고 설계도면에서의 표기 방식을 참고하여 현장에서 해당 위치를 표시하고, 위치 표시는 현장에서 쉽게 식별할 수 있도록 관리 하였다. 실증시험체 측점 분할 간격은 현장에서 균열 조사 시 좌우로 확인 가능한 거리인 7.0 m로 결정하고 면밀한 조사를 위해 1.0 m 간격으로 세분화 하였으며 균열저감 콘크리트 전 력구 실증시험체와 일반 콘크리트 전력구 실증시험체 균열 조사 후 분석 작업은 각각의 실증시험체에 대하여 총 5개 구 간으로 구성하였다. 표면 오염이나 습기 등이 있는 경우 이를 제거하고 스프레이, 매직, 유성 펜 등으로 표시하며 석필, 분 필 등으로 표시하였다.

균열저감 콘크리트 실증시험체와 일반콘크리트 실증시험 체에 나타난 균열집계는 다음 Table 1과 같이 나타났으며, Fig. 5 ~ 10는 균열저감 콘크리트 실증시험체와 일반콘크리트 실험체 내, 외부 균열 형상을 구간별로 나타낸 모식도이다.Fig. 6.Fig. 7.Fig. 8.Fig. 9.

Table 1

Demonstrated Specimens Total Crack

Division	Outer	Inner
	Length(m)	Length(m)	Map cracking(m2)
Plain Concrete(PL)	13.17	20.52	11.875
Shrinkage Reduced Concrete(SR)	4.04	2.82	2.403

Fig. 5.

PL external

Fig. 6.

SR external

Fig. 7.

PL inside(LW, TS)

Fig. 8.

PL inside(RW, TS)

Fig. 9.

SR inside(LW, TS)

Fig. 10.

SR inside(RW, TS)

3.1. 해석개요

전력구 박스형 콘크리트 구조물의 부등건조수축 해석을 위 해 본 해석에서는 Fig. 7과 같은 전력구 박스형 단면을 해석대 상 구조물로 설정하였다. 이 연구에서 부등건조수축해석은 Fig. 7과 같이 개착식 전력구 타설부의 대표단면에 대하여 수 행하였으며, 이에 대한 메쉬모델링은 Fig. 11과 같다.

Fig. 11.

Mesh Modelling of Concrete Box Culvert

본 수치해석에서는 전력구 일반 콘크리트 배합 및 균열저 감 배합을 적용한 전력구 콘크리트에 대한 수축량 산정을 위 해 타설길이 35 m 전력구에 대한 2단 타설을 고려하여 구조물 을 모델링하였다. 기본 노출조건은 전력구 실증시험체가 타 설되어 계측되고 있는 평균 외기습도인 45%이며, 전력구 설 계강도인 27 MPa의 일반 배합 및 균열저감 콘크리트 배합을 적용하였다. 해석시간과 대칭성을 고려하여 전력구 콘크리트 의 전체 시험체를 1/2 모델링하였으며, 대칭조건에 부합하여 해석시 변위구속 조건을 부여하였다. 전력구의 시공조건은 1 단 바닥슬래브 타설 후 9일 경에 전력구 벽체와 상부슬래브가 타설되는 것으로 고려하였으며, 외기로의 수분건조가 시작되 는 거푸집제거는 타설 후 5일로 고려하였다.

3.2. 전력구 콘크리트 건조수축량 수치해석

본 연구에서는 전력구 콘크리트 배합의 수축량 산정을 위 해 기준이 되는 건조수축 시험체를 모델링하여 건조수축량을 해석적으로 평가할 수 있도록 하였다. 수축량 산정에 기준이 되는 시험체는 각주형 시험체이며 기본 환경 조건은 외기습 도 60%의 완전 자유 구속조건이다. 본 해석에서는 기존 전력 구 설계강도인 27 MPa의 콘크리트 배합을 적용하였다.

Fig. 12는 본 해석에서 수행한 건조수축 시험체의 모델링 및 구속조건을 나타내고 있다. 해석 시간의 효율을 위해 전체 시험체를 1/8 모델링하였으며, 대칭조건에 부합하여 해석시 변위구속 조건을 부여하였다.

Fig. 12.

Mesh modelling of drying shrinkage specimen and restraint conditions

Fig. 13은 노출 28, 59일 후 일반배합과 균열저감 콘크리트 건조수축 시험체의 시간에 따른 변형률 분포를 나타내고 있 다. 노출 59일 후 시험체의 전체 수축변형률은 일반배합 콘크 리트의 경우 약 650 με으로 나타났으며, 균열저감 콘크리트의 경우 약 350 με으로 나타났다. 본 과업으로부터 기준 건조수 축 시험체에 대한 건조수축량 산정 해석 기법을 개발하였으 며, 해석 결과를 통해 개발된 해석기법을 검증하였다.

Fig. 13.

Mesh Modelling of Concrete Box Culvert

3.3. 전력구 실증시험체 건조수축량 수치해석 결과

그림 Fig. 14와 그림 Fig. 15은 각각 바닥판 완전구속시와 약한 구속조건에서의 건조수축 응력 분포를 나타내고 있다. 전반적으로 건조수축에 의한 종방향 및 횡방향 응력은 약한 구속 조건에서 완전구속시에 비해 10~15% 정도의 응력감소 를 보이는 것으로 나타났다. 이와 같은 결과는 전력구 바닥의 완전구속시는 전력구의 수축에 의한 수축변형이 바닥부의 외 부구속효과에 의해 인장응력의 증가를 유발하기 때문인 것으 로 사료되나, 두 구속조건 사이의 차이는 전력구 균열발생 예 측에 있어 그리 크지 않은 것으로 판단된다. 현실적으로 전력 구 바닥판의 구속도는 두 경우의 사이에 위치할 것이므로 두 가지 경우의 결과를 참조하여 균열발생여부를 예측하는 것이 타당할 것으로 사료된다. 균열저감 콘크리트 배합의 경우 종 방향 및 횡방향 응력에 있어 일반배합에 비해 40~50%정도의 현저한 감소를 보이며, 이에 따라 균열저감 콘크리트를 전력 구에 적용하였을 경우 현저한 균열감소 효과를 보일 것으로 예측된다.

Fig. 14.

Drying shrinkage stress distribution(Bottom restraint)

Fig. 15.

Drying shrinkage stress distribution(Slightly restrained)

모든 조건에 있어 종방향 응력이 횡방향 응력에 비해 약간 큰 것으로 나타났으나, 그 차이가 그리 크지 않아 실제 전력구 에 균열이 발생한다면 횡방향 및 종방향 균열이 모두 발생할 수 있을 것으로 판단된다.

그림 Fig. 16은 약한 구속조건하의 전력구 실증시험체의 건 조수축 응력 이력과 변형률 분포를 보이고 있다. 앞에서 기술 한 바와 같이 상부슬래브의 모서리부와 상단, 하단 표면부의 최대 인장응력이 균열저감 콘크리트의 경우 현저히 감소하 며, 일반배합의 경우 모서리부와 상단슬래브의 상면의 응력 이 인장강도를 크게 초과하는 것으로 나타나 실증시험체의 건조수축에 의한 종방향 및 횡방향 균열발생 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 균열저감 콘크리트의 경우는 최대 인 장응력이 예측되는 인장강도를 초과하지만 그 차이가 그리 크지 않아 일반배합에 비해 균열발생 가능성과 균열발생량이 현저히 작은 것으로 사료된다. 결과적으로 상부슬래브의 모 서리, 상면, 하면, 헌치부의 종방향응력은 여섯 지점 모두 인 장강도를 초과하는 것으로 나타나 횡방향 응력의 발생가능성 이 높으며, 슬래브 상면과 하면의 횡방향 응력도 인장강도를 초과하므로 상부슬래브의 종방향 균열을 예측할 수 있다. 전 력구 전체의 종방향 변형률을 비교해보면, 일반배합의 경우 전력구 벽체 전반에 걸쳐 타설 후 60일 경 110 με정도의 압축 변형률을 보이며, 균열저감배합의 경우 60 με정도의 압축변 형률을 보이는 것으로 나타나, 최소부재크기가 30 cm를 초과 하는 전력구 벽체 및 슬래브의 경우 부등건조수축에 의한 부등 수축현상에 있어 균열저감효과가 매우 큰 것으로 판단된다.

Fig. 16.

Stress History Drying shrinkage And strain distribution (slightly constrain)