📝 예상문제 & 모범답안
용어예상크리프(Creep)에 대하여 설명하시오. (10점)
1. 정의
콘크리트에 지속하중이 작용할 때 응력증가 없이 시간경과에 따라 변형이 계속 증가하는 소성변형 현상으로, 탄성변형에 이어 서서히 진행된다.
2. 종류·영향인자
재하시기(어릴수록↑)·응력수준(높을수록↑, 특히 고응력영역에서 비선형)·물-시멘트비(높을수록↑)·부재크기(작을수록↑)·양생상태(불량 시↑)·대기 상대습도(낮을수록↑)의 6대 인자로 구분된다.
3. 유의사항
크리프계수(φ=크리프변형/탄성변형)를 과소 산정하면 장기처짐 예측이 빗나가고, PSC 구조물에서는 프리스트레스 손실의 주요 원인이 되므로 재하시기 관리가 특히 중요하다.
용어예상건조수축(Drying Shrinkage)에 대하여 설명하시오. (10점)
1. 정의
콘크리트 중 자유수(모세관수·겔수)가 대기 중으로 증발함에 따라 체적이 감소하는 현상으로, 하중 재하 여부와 무관하게 발생한다.
2. 종류·영향인자
단위수량(가장 큰 영향)·시멘트량·종류·골재 종류·입도·부재 단면크기·양생방법·기간·습도·온도의 6대 인자가 있으며, 특히 단위수량이 지배적이다.
3. 유의사항
부재가 구속된 상태에서는 수축변형이 인장응력으로 전환되어 균열로 이어지므로, 수축줄눈·철근배근 등 구속 완화·균열분산 대책이 함께 검토되어야 한다.
용어예상크리프계수(Creep Coefficient)와 자기수축(Autogenous Shrinkage)에 대하여 설명하시오. (10점)
1. 정의
크리프계수 φ는 크리프변형을 탄성변형으로 나눈 값(φ=εc/εe)이며, 자기수축은 물-시멘트비가 낮은 콘크리트에서 수화반응 자체가 소비하는 수분에 의해 외부건조와 무관하게 발생하는 수축이다.
2. 종류·특징
일반 건조수축은 외부로의 수분 이동(증발)에 의한 것인 반면, 자기수축은 밀봉 상태에서도 내부 수화반응만으로 발생하므로 고강도(저W/C) 콘크리트일수록 그 비중이 커진다.
3. 유의사항
구조설계기준(KDS)의 장기처짐 계수 산정 시 크리프·건조수축을 함께 고려해야 하며, 고강도콘크리트를 사용하는 부재는 자기수축을 별도로 검토해야 한다.
용어예상콘크리트 수축·온도철근(균열제어철근)에 대하여 설명하시오. (10점)
1. 정의
건조수축 및 온도변화에 의한 인장응력으로 발생하는 균열의 폭을 제어하고 균열을 미세하게 분산시키기 위해 배근하는 철근이다.
2. 종류·적용
슬래브·벽체 등 구속을 받기 쉬운 면 부재에 배근하며, 수축줄눈(Control Joint)·신축줄눈과 함께 적용하여 균열을 계획된 위치로 유도·분산시키는 역할을 한다.
3. 유의사항
철근비가 부족하면 균열폭 제어 효과가 떨어지므로 부재 두께·구속조건에 따라 규정된 최소 철근비 이상을 확보해야 한다.
서술형예상콘크리트 크리프의 영향인자와 저감대책에 대하여 설명하시오. (25점)
Ⅰ. 개요
크리프는 지속하중 하에서 응력증가 없이 시간경과에 따라 변형이 증가하는 현상으로, 장기처짐 증가 및 PSC 구조물의 프리스트레스 손실의 주된 원인이 되어 구조물의 사용성·내구성에 지속적인 영향을 미친다.
Ⅱ. 크리프 변형의 구조/원리
크리프계수 φ = 크리프변형(εc) / 탄성변형(εe)으로 정의되며, 장기처짐은 탄성처짐×(1+φ) 형태로 산정된다. 크리프는 시멘트페이스트 내부의 겔 구조에서 하중 지속에 따라 수분이 서서히 이동·재배치되며 발생하는 것으로 설명되고, 골재는 크리프에 저항하는 반면 페이스트만 실질적으로 크리프를 일으킨다.
Ⅲ. 영향인자 (두문자 재·응·물·부·양·습)
① 재하시기 : 재령이 어릴수록 크리프가 크다 — 수화가 충분히 진행되지 않은 상태에서 하중을 받기 때문.
② 응력수준 : 응력이 높을수록, 특히 고응력영역에서는 비선형적으로 크리프가 급증한다.
③ 물-시멘트비 : 높을수록 페이스트 비율과 공극이 늘어 크리프가 증가한다.
④ 부재크기 : 부재가 작을수록(표면적/체적비가 클수록) 내부 수분이 쉽게 이동해 크리프가 증가한다.
⑤ 양생상태 : 초기 양생이 불량하면 수화 진행이 저해되어 크리프가 증가한다.
⑥ 대기 상대습도 : 습도가 낮을수록 내부 수분의 외부 이동이 촉진되어 크리프가 증가한다.
Ⅳ. 저감대책
① 재하시기 지연 : 콘크리트 재령이 충분히 진행된 후 하중을 재하하도록 거푸집 존치기간을 준수한다.
② 배합관리 : 물-시멘트비·단위수량을 저감하여 페이스트 비율을 낮춘다.
③ 골재 활용 : 골재량을 상대적으로 많이 사용하여 크리프에 저항하는 골재 골격의 비중을 높인다.
④ 부재단면 확대 : 단면을 크게 하여 표면적/체적비를 낮춰 내부 건조를 지연시킨다.
⑤ 양생관리 : 충분한 습윤양생으로 초기건조를 방지하고 수화를 촉진한다.
크리프계수 φ = 크리프변형(εc) / 탄성변형(εe), 장기처짐 = 탄성처짐×(1+φ) 형태로 산정하며 KDS 구조설계기준의 장기처짐계수를 적용한다.
PSC 교량에서 크리프에 의한 장기처짐이 설계예측치를 초과하여 준공 후 노면 요철(처짐)이 발생한 사례가 있다 — 크리프계수 과소평가 및 조기재하가 복합 원인으로 지목되었다.
Ⅴ. 맺음말
크리프는 장기간에 걸쳐 서서히 진행되므로 설계단계의 정확한 크리프계수 적용과 시공단계의 재하시기·배합관리가 함께 이루어져야 하며, 준공 후에도 처짐 계측을 통해 예측치와의 편차를 지속적으로 확인하는 것이 바람직하다.
서술형예상콘크리트 건조수축에 의한 균열의 원인과 방지대책에 대하여 설명하시오. (25점)
Ⅰ. 개요
건조수축은 콘크리트 중 자유수 증발에 따른 체적감소 현상으로, 부재가 구속된 상태에서는 수축변형이 인장응력으로 전환되어 균열로 이어지므로 시공 초기단계의 관리가 균열 예방의 핵심이다.
Ⅱ. 건조수축 균열의 발생 구조/원리
구속조건에서 발생하는 인장응력은 σ = Ec × εsh × 구속계수로 표현되며, 이 값이 콘크리트의 인장강도를 초과하면 균열이 발생한다. 즉 수축변형률 자체보다 구속의 정도(슬래브·벽체의 단부 구속 여부)가 균열 발생을 좌우하는 핵심 변수가 된다.
Ⅲ. 균열발생 원인 (영향인자, 두문자 단·시·골·부·양·습)
① 단위수량 : 단위수량이 많을수록 건조수축이 커지는 가장 지배적인 인자.
② 시멘트 : 시멘트량이 많거나 분말도가 높을수록 수축이 증가한다.
③ 골재 : 흡수율이 낮고 강성이 큰 골재를 사용할수록 골재가 수축을 구속해 수축이 감소한다.
④ 부재단면 : 단면이 얇을수록 건조가 빨라져 수축균열 위험이 증가한다.
⑤ 양생 : 초기건조(양생불량) 시 표면이 급속 건조되어 표면균열이 발생하기 쉽다.
⑥ 습도·온도 : 저습도·고온 환경에서 수분 증발이 촉진되어 수축이 촉진된다.
Ⅳ. 방지대책
① 단위수량 저감(AE감수제 병용)으로 수축량 자체를 줄인다 ② 팽창재(수축보상용 콘크리트)를 사용하여 초기 팽창으로 수축을 상쇄한다 ③ 적절한 초기 습윤양생으로 표면 급속건조를 방지한다 ④ 수축줄눈(Control Joint)·신축줄눈을 설치하여 균열을 계획된 위치로 유도한다 ⑤ 온도철근·수축철근을 배근하여 균열폭을 제어·분산시킨다.
구속조건에서 발생하는 인장응력 σ = Ec×εsh×구속계수 이며, 콘크리트 인장강도를 초과하면 균열이 발생 — 온도(수축)철근비 산정 시 수축변형률을 반영한다.
대형 슬래브 상부에서 초기양생 소홀로 표면 건조수축균열이 격자형으로 다수 발생한 사례가 있다 — 초기 양생관리 미흡과 수축줄눈 간격 과다가 원인으로 지적되었다.
Ⅴ. 맺음말
건조수축균열은 구조내력보다는 내구성·미관에 주로 영향을 미치므로, 배합관리와 초기양생·줄눈계획을 통해 사전에 제어하는 것이 사후 보수보다 경제적이며, 부재별 구속조건을 설계단계에서부터 검토하는 것이 근본 대책이다.