온도하중에 의한 구속균열

정의와 핵심 키워드

온도 강하나 체적변화가 구속되어 생긴 인장응력이 인장강도를 넘으면 균열이 된다.

매스콘크리트나 대형 슬래브·벽체에서 시공 초기에 생겨 내력과 내구성을 떨어뜨린다.

그래서 설계와 시공 단계에서 반드시 미리 검토해야 한다.

구속 응력의 원리

구속된 부재의 온도응력은 구속계수, 탄성계수, 열팽창계수, 온도 하강량을 곱해 구한다.

온도가 내려가면 콘크리트는 수축하려 하는데, 이 수축이 막히면 인장응력이 생긴다.

이 인장응력이 그 재령의 인장강도를 넘으면 균열이 생긴다.

구속계수 R이 1에 가까울수록 응력이 커진다.

외부구속과 내부구속

정답은 생기지 않는다. 변형이 자유로우면 응력은 생기지 않는다.

구속은 외부구속과 내부구속으로 나뉘며, 두 유형은 응력이 생기는 장소가 다르다.

외부구속은 접촉면 근처에 인장이 몰려 관통 균열로 이어지기 쉽다.

내부구속은 표면이 먼저 식으며 생기는 표면 균열이 주된 형태다.

매스콘크리트 기준

매스콘크리트는 부재 최소치수 80cm 이상, 내외부 온도차 25℃ 이상인 콘크리트다.

매스콘크리트 기준은 부재 치수와 내외부 온도차로 정해진다.

온도균열지수는 인장강도를 인장응력으로 나눈 값이다.

이 값이 관련 기준이 정한 값 이상이면 균열 위험이 낮다고 본다. 수치는 정확히 써야 감점을 막는다.

계산 예제

양단이 구속된 부재가 변형 없이 온도가 내려가는 경우를 계산해 보자.

균열은 구속 응력이 인장강도와 같아질 때 시작한다. 그래서 한계 온도차는 ft를 Ec·α로 나눈 값이다.

균열 발생 온도는 기준 온도 20℃에서 이 온도차를 뺀 값이다.

단위를 보면 ΔT가 ℃로 나온다. 결과가 수 ℃에서 수십 ℃ 사이인지 확인한다.

온도균열 대책

온도균열은 사후 보수보다 타설 전 사전 대책으로 막는 것이 핵심이다.

내부구속은 발열 저감과 양생, 파이프 쿨링으로, 외부구속은 블록 분할과 슬립 줄눈으로 줄인다.

온도철근은 균열 폭을 줄이는 보조 수단이다. 여러 대책을 조합하는 것이 일반적이다.

정리

정리하면 온도하중에 의한 구속균열은 구속된 온도응력이 인장강도를 넘을 때 생기는 균열이다.

외부구속은 접촉면, 내부구속은 표면과 중심의 온도차에서 응력이 생긴다는 점을 구분한다.

시험에서는 구속 조건별 인장응력 방향과 원리를 그림과 함께 설명하는 문제가 나온다.