파괴에너지를 고려한 콘크리트 배합설계 자동화 프로그램
Concrete Mixture Design Program Considering the Fracture Energy
초록/요약
콘크리트 구조물은 부재내에 미소균열, 또는 초기에 존재치 않더라도 사용중에 피로나 부식등에 의하여 생성 발전된 균열이 존재할 가능성이 많아진다. 또한, 콘크리트가 인장응력을 받은 경우 미세균열이 충분히 발달한 후, 주균열이 발생하여 전단에 이르므로 강도 개념만으로는 파괴거동을 충분히 설명할 수 없다. 그러나 현재의 구조물의 해석과 설계는 콘크리의 강도를 기준으로 설계하고 있어 콘크리트의 구조적인 문제점을 해소 할 수 없는 상태이다. 따라서, 본 논문에서는 콘크리트의 배합설계를 자동화 시키고, 배합 조건에 따른 파괴에너지를 고려할 수 있는 배합설계 자동화 프로그램 개발을 목적으로 하였다. 1985년 RILEM 50 FMC위원회에서 파괴에너지 G_F를 3점 휨시험에 의하여 구할 수 있는 방법을 제안하였다. 이 방법은 Hillerborg의 가상 균열 모델을 기본으로 하여, 파괴에너지, 인장응력 그리고 가성 균열 변위의 세가지의 인자를 포함하고 있다. Kang et al19)등은 Mix Design Nomogram을 기본으로하여 배합한 재령 28일인 습윤양생 콘크리트를 3점 휨시험을 실시하여 압축강도, 탄성계수 그리고, 파괴에너지를 구하고 상호간의 역학적 특성을 규명하였다. 또한, "동적하중을 받는 콘크리트의 파괴특성과 파괴에너지의 크기효과 관한 연구(1990, 오병환, 정철헌)35)"은 일정한 배합에서 시편의 크기와 굵은 골재 치수에 따른 콘크리트 배합인자(파괴에너지, 탄성계수)와의 관계를 규명하여 파괴에너지 예측공식을 제안하였다. 이와 같은 실험값과 결과 식을 이용하여, 본 논문에서는 MicrosoftTM 社의 Visual Basic을 이용하여, 배합설계 자동화 프로그램을 개발하였다. 본 논문에서 제시된 배합설계 자동화 프로그램은 두가지 부분으로 나누었다. 첫 번째로는 강도를 기준으로 시방서에서 제시한 배합설계로 파괴에너지 예측공식을 이용하여 파괴에너지를 계산하였고, 두 번째는 파괴에너지를 기준으로, Kang et al19)이 제안한 Mix Design Nomogram을 이용하여 배합설계를 하여, 파괴에너지를 계산하였다. 연구 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 1. 파괴에너지를 고려하여 콘크리트 배합설계를 함으로써, 기존의 압축강도만을 기준으로 한 배합설계에서 고려되지 않았던 콘크리트의 취성적 성질에 대한 평가가 가능하고, 에너지 흡수능력을 평가하여 콘크리트의 구조적인 문제점을 보완할 수 있다. 2. 강도를 기준으로 한 배합설계는 콘크리트 시방서에서 제시한 방법으로 배합설계를 하였으며, 파괴에너지의 평가는 파괴에너지 예측공식을 이용하였다. 3. 파괴에너지를 기준으로 한 배합설계는 Mix Design Nomogram을 이용하여 배합하였으며, 배합인자(파괴에너지, 탄성계수)는 동적하중을 받는 콘크리트 보의 파괴거동25)의 실험결과를 회귀분석한 식을 이용하여 산출하였다. 4. 본 프로그램을 이용한 계산된 파괴에너지의 값을 비교해보면, Mix Design Nomogram을 이용한 배합설계와 파괴에너지를 고려한 배합설계에서 값의 차이가 나타난다. 이 값의 차이는 실험 방법과 배합방법에 의한 차이로서, 동적하중을 받는 보의 파괴거동(1996, 강성후)25)에서는 Mix Design Nomogram을 이용하여 배합설계를 한후에 노치비 0.5, 하중 재하 속도를 0.75 mm/min로 실험을 하였으나, 파괴에너지 예측공식에서는 노치비 0.5, 하중 재하속도 0.05 mm/min로 실험을 하여, 같은 배합에서 서로 다른 값을 나타내고 있다. 본 연구에서는 각 배합에 따른 파괴에너지를 추정할 수 있도록 하였으며, 강도만을 기준으로 한 배합설계보다 콘크리트의 품질을 평가할 수 있도록 하였다. 그러나, 표준적인 실험값의 부재로 인하여, 정확한 값의 산출 보다는 추정에 그치고 있는 것이 현실이다. 그러므로, 더욱 많은 실험과 실험값의 분석으로 정확한 파괴에너지를 산출함으로써, 콘크리트 제품을 제작하는 업체에서도 적용을 할 수 있도록 하여야 할 것이다.
more초록/요약
In the concrete structure, there are many possibilities existing cracks that are produced and developed from the infinitesimal crack in the member, fatigue or corrosion being not existing in the early period. Also, it is not enough to explain the fracutre behavior using the strength theory. Because the concrete reach to the shear due to main cracking after developing infinitesimal crack when it is received the tension stress. But it is hard to solve the structural problem of concrete, because current analysis and design methods of structure are based on the strength of concrete. Hence the subject of this thesis is programming the design of automatic mix design program to do automatic concrete mix design and to consider fracutre energy depending on mix condition. In 1985, the committees of RILEM 50 FMC proposed the calculating method of fracutre energy G_F in according to Three Point Bending Test. This method is including the three factors, fracutre energy, tension stress and caustic crack displacement, which are based on the imagine crack model of Hillerborg. Kang et al computed the compression strength, elastic modulus and fracutre energy and also examined the dynamical characteristic of those via Three point bending test. For this test it was used to the wet curing concrete which had been passed 28 days after being made by Mix Design Nomogram Method. And fracutre estimating equation was proposed by the research, Dynamic Fracture Characteristics and Size-dependence of Fracture Energy of Concrete under Dynamic Loading, through the analysis of relation of concrete mix factor, fracutre energy and elastic modulus which are depending on the size of specimen and large aggregate in the regular mix ratio. Applying these test results and equations, I made a mixing design automation program, using Visual Basic of Microsoft company. This program is divided by two main categories. First, based on the strength, it is calculating the fracutre energy using fracutre Energy Estimate Equation provided by the specification. Second, based on fracutre energy, it is calculating the fracutre energy using Mix Design Nomogram proposed by Kang et al. I could reach these results from the research. 1. Considering fracutre energy in the concrete mix design, it is possible to evaluate about brittle characteristic, which is not considered in the current mix design based on compression strength only. And also it is available to cover the structural issue of concrete through evaluating the ability of absorbed energy that has not proportioned value to the strength. 2. Mix design being suggested by the Concrete Standard Specification was used to design mix design for strength basis design and Strength Estimate Equation was used to evaluate fracutre energy. 3. Mixture design that is based on the fracture design is mixed by Mix Design Nomogram and The concrete mix factor, fracture energy and elastic modulus are computed by the regresivehumo analysis. 4. They were showed the different results in fracutre energy between the mix design using Mix Design Nomogram and mix design considering fracutre energy. This difference of value was result from different test method. In case of Fracutre Behavior of Concrete Beam Subjected to Dynamic Loading , It was tested with the notch ratio 0.5 and load applying speed 0.75mm/min using Mix Design Nomogram. But in case of fracture energy estimate equation, it was respectively the notch ration 0.5 and load applying speed 0.05mm/min. The result of my research, it is possible to estimate the fracutre energy according to each mixing and also possible to improve the concrete quality comparing with Strength basis mix design. But there are some limitations that it is estimated value rather than exact calculated value because of rack of standard test value. Therefore, it is demand to calculating the fracutre energy through many tests and data analysis for applying this program to the concrete manufacture.
more목차
목차
List of Figures = iii
List of Table = iv
Nomenclature = vi
Abstract = viii
제1장 서론 = 1
1.1 연구개요 및 목적 = 1
1.2 연구동향 = 2
1.3 연구내용 및 방법 = 3
제2장 기초이론 = 4
2.1 선형탄성파괴역학 = 4
2.1.1 응력확대계수 = 4
2.1.2 탄성파괴규준 = 8
2.1.3 파괴진행대(Fracture process zone) = 11
2.2 콘크리트의 비선형 파괴역학 = 14
2.2.1 콘크리트의 파괴거동 = 14
2.2.2 파괴에너지(G_F)의 결정 = 16
2.2.3 특성 길이(Characteristic length, ) = 19
2.3 콘크리트 배합설계 (Concrete mixture design) = 20
2.3.1 개요 = 20
2.3.2 배합설계의 순서 = 20
2.3.3 배합설계시 배합 요소의 결정방법 = 21
2.3.4 배합설계도 (Mix Design Nomogram) = 23
제3장 콘크리트의 배합설계 = 27
3.1 Mix Design Nomogram을 이용한 배합설계 = 27
3.2 파괴에너지 예측공식 = 33
3.3 프로그램 코딩 및 순서도 = 37
3.3.1 Option form = 37
3.3.2 Setting form = 38
3.3.3 Main form = 42
3.3.4 Mix form = 46
3.3.5 배합설계 프로그램의 사용예 = 47
제4장 결론 = 54
참고문헌 = 59
국문요약 = 56
참고문헌 = 59
APPENDIX = 63