증기양생 시 프리스트레스 손실에 대한 이론모델링 및 실험 : Theoretical Modeling and Experiments of Prestress Loss due to Steam Curing :

고민혁

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자료유형: 학위논문

저자정보: 고민혁 (중앙대학교, 중앙대학교 대학원)

지도교수: 이차돈

발행연도: 2014

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2014

증기양생 시 프리스트레스 손실에 대한 이론모델링 및 실험 : Theoretical Modeling and Experiments of Prestress Loss due to Steam Curing

고민혁 건축공 2014.01 학위논문

2012

증기양생에 따른 프리스트레스 긴장력 손실 이론적 예측

고민혁 , 이차돈 한국콘크리트학회 학술대회 논문집 2012.11 학술대회자료

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증기양생 시 프리스트레스 콘크리트 부재 내에 있는 긴장재의 열팽창에 의해 긴장력 손실이 발생한다. 그 손실은 긴장재와 콘크리트 사이에 충분한 부착력이 형성될 때까지 일어난다. 열적 프리스트레스 손실량을 예측하는 것은 부재의 단면형상, 콘크리트의 수화열, 콘크리트와 긴장재 사이의 상호작용 등과 같은 많은 요소들이 영향을 주어 상당히 복잡한 과정을 고려해야 한다.
이러한 영향을 고려하는 이론모델이 없는 상태에서, 간헐적으로 연구된 증기양생에 따른 프리스트레스 손실량에 대한 실험들은 결과가 서로 상이하며 명확하지 않다. 이에 따라, 비록 일부 기준에서 열적 긴장력 손실량을 제시하고는 있으나 서로 상당한 차이를 보이고 있다.
이를 규명하기 위해 첫 번째 단계로, 등가재령에 따른 긴장재의 인발실험과 강연선으로 프리텐션된 콘크리트 부재의 리텐셔닝 실험을 수행하였다. 인발실험은 각기 다른 등가재령에 콘크리트와 긴장재 사이의 부착응력과 미끌림을 측정하는 데 목적이 있다. 인발실험의 결과를 기반으로 하여, 등가재령에 관한 경험적 본드-슬립 모델을 개발 하였다.
리텐셔닝 실험은 프리스트레스 전이 이후에 긴장재에 남아 있는 긴장력을 측정하기 위해 수행되었다. 이 실험을 통해, 35.0 MPa에서 40.2 MPa 사이의 긴장력 손실이 있음을 관찰하였다. 열적 프리스트레스 손실은 콘크리트 압축강도가 증가할수록 미미하게 증가하는 경향을 나타냈고, 초기 긴장력과 무관하였다.
두 번째 단계로, 열에 의한 긴장력 손실량 예측을 위한 이론 모델을 개발하였다. 증가하는 콘크리트 온도에 따라, 긴장재 내의 축방향력과, 긴장재와 콘크리트의 본드-슬립 관계의 평형조건으로부터 이계 상미분 방정식을 유도하였고, 이를 수치모델로 개발하였다. 수화열, 증기양생, 단면형상 등 많은 요소들을 고려하여 열적 프리스트레스 손실량을 예측할 수 있다.
단면형상, 콘크리트 압축강도, 증기양생온도 등 많은 변수에 대해 변수고찰을 실시하였고, 단면 형상이 가장 큰 영향을 미친다고 예상이 되었다. 변수고찰의 결과를 통해, 증기양생에 따른 프리스트레스 손실량 예측을 위한 실용적 공식을 제시하였고, 기존 기준들 보다 더욱 정확한 예측을 할 수 있다.

Instantaneous thermal prestress loss occurs during steam curing process due to thermal expansion of embedded strand. The loss continues to occur until a sufficient bond forms between the embedded strand and the surrounding concrete. Complexity is involved in predicting the amount of thermal prestress loss as it is affected by many factors such as sectional shape of the member, steam curing schedule and its temperature distributions, hydration heat related to chemical composition of concrete, material properties, and interactions between strand and concrete at elevated temperature.
In addition to the lack of comprehensive theoretical model, sporadic experimental results on the thermal prestress loss have led the amount of thermal prestress loss to remain inconsistent and inconclusive. Accordingly, there exist inconsistent code provisions regarding the amount of thermal prestress loss if any.
In the first phase of this research, two experiments were performed: pull-out test on prestressing strand at different equivalent ages in the condition of steam curing; and re-tensioning tests on prismatic concrete member pretensioned with the strand. Pull-out test is intended to measure the relationships between bond stress and slip for steam cured concrete at various levels of equivalent age. Based on the pull-out test results, the empirical bond-slip model at elevated temperature was developed in terms of the equivalent age.
Re-tensioning test is intended to measure the remained prestress in tendons after prestressing transfer. From these tests, the instantaneous thermal losses in the range of 35.0 MPa to 40.2 MPa were observed. Marginal increase of the loss was observed for the members with higher concrete compressive strength. Moreover, prestress loss is indifferent to the amount of initial prestress.
In the second phase of the research, a theoretical model to predict the thermal loss was developed. The developed model was composed of heat transfer model and the empirical bond-slip model between the strand and concrete at elevated temperature. A second order ordinary differential equation was developed from the equilibrium condition on the axial forces in the strand and the local bond-slip relationships between the strand and concrete at elevated temperature. Based on this differential equation, a numerical model was developed. The model was able to predict when a sufficient bond occurs and the amount of thermal prestress loss until then with due considerations given to the heat of hydration of concrete, steam curing schedule and its temperature distributions, various sectional shapes of the member and material properties.
Using the developed model, parametric studies were performed on the effects of sectional shape, concrete strength, steam curing schedule, the maximum temperature, and cover thickness from the bottom. The model predicted that the maximum temperature of steam chamber during the steam cuing period and sectional shape are of significant factors for the thermal prestress loss.
Based on the results from the parametric studies, a refined practical formula was proposed to predict instantaneous thermal prestress loss due to steam curing. The proposed formula was shown to be superior to those by the existing codes in predicting the thermal prestress losses.

1 Introduction 1
1.1 Background 1
1.2 Need of research 5
1.3 Objectives 6
2 Literature review 10
2.1 Heat transfer 10
2.2 Maturity method and equivalent age 14
2.3 Hydration model development and background 18
2.3.1 Quantifying total heat of hydration of cementitious materials 19
2.3.2 Method to determine the degree of hydration 21
2.3.3 Ultimate degree of hydration 23
2.3.4 Temperature sensitivity of cementitious materials 23
2.3.5 Hydration time parameter and hydration shape parameter 25
2.3.6 Modeling heat generation and associated concrete temperature 26
2.4 Additional factors for the theoretical modeling 27
2.4.1 Specific heat of hardening concrete 27
2.4.2 Thermal conductivity of hardening concrete 29
2.4.3 Convection coefficient 30
2.4.4 Prediction of concrete strength 31
2.4.5 Concrete set time 31
2.4.6 Modulus of elasticity of hardening concrete 32
2.5 Prestress losses of prestressed concrete members 34
2.5.1 Definitions 34
2.5.2 Proposed thermal instantaneous prestress loss 7
2.5.3 Code previsions 38
3 Experimental program for verification of thermal prestress loss 67
3.1 Pull-out test 68
3.1.1 Preparation of experiment 69
3.1.2 Experimental procedure 75
3.1.3 Test results 80
3.1.4 Empirical modeling with respect to equivalent age 85
3.2 Re-tensioning test 99
3.2.1 Preparation of experiment 100
3.2.2 Experimental system 107
3.2.3 Steam curing 116
3.2.4 Measurement 118
3.2.5 Experimental procedure 119
3.2.6 Test results 125
4 Theoretical modeling of thermal prestress loss due to steam curing 137
4.1 Prediction of temperature distribution 141
4.1.1 Temperatures inside concrete 144
4.1.2 Edge boundaries 149
4.1.3 Corner boundaries 154
4.1.4 Validity of theoretical model 160
4.2 Thermal prestress loss during steam curing 163
4.2.1 Prestress loss in stage 1 163
4.2.2 Prestress loss in stage 2 182
4.2.3 Prestress loss in stage 3 191
4.2.4 Prestress loss in stage 4 199
4.2.5 Total amount of stress loss due to thermal effect after perfect bonding 205
4.3 Overall algorithm 205
4.4 Validity of theoretical model 207
4.5 Parametric studies 215
4.5.1 Effect of sectional shape of concrete member 218
4.5.2 Effect of concrete compressive strength 221
4.5.3 Effect of steam curing schedule 226
4.5.4 Effect of the maximum elevated temperature 231
4.5.5 Effect of distance from the bottom surface of a section to the nearest center of a strand 234
4.6 Derivation of practical formula for thermal prestress loss 237
5 Conclusions 248
Appendix I 253
Appendix II 258
Appendix III 275
Notation 315
References 323
국문초록 328

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