E D R , A S I H C RSS

철근 콘크리트

last modified: 2015-03-19 16:04:55 by Contributors

reinforced_concrete.jpg
[JPG image (126.22 KB)]


Contents

1. 개요
2. 특징
3. 주의점
4. 현황

1. 개요

Reinforced concrete. 건축 자재의 일종. 콘크리트 내에 을 넣어 강도를 늘린 자재이다. 두가지 재료를 함께 사용하기 때문에, 두 소재의 장점을 모두 살릴수 있다는 이점이 있다. 철근 외에 철골 (H형강 등) 등을 같이 콘크리트에 파묻은 자재를 '복합 자재'라고 하고, 특히 보(Beam. 대들보 할 때 그 보)로 쓸 때는 복합 보(Composite Beam)라고 한다.

둘을 섞어쓴다는 게 별 거 아니게 보이지만, 사실은 철근과 콘크리트의 열팽창계수가 우연히도 거의 동일하다는 기적이 있기 때문에 가능한 일. 신이 건축가에게 내린 선물이라고 표현하기도 한다. 근대건축에서 철근 콘크리트의 위치를 생각해보면 정말로 고마운 기적이 아닐 수 없다.

이 기적의 건축자재는 1867년 프랑스의 정원사(!!) 조제프 모니에가 특허를 신청함으로서 세상에 알려졌다. 여담으로 그가 이 기적의 건축자재를 발명하게 된 이유는 화분을 떨어뜨리자 깨지는 것 때문에 좀 더 튼튼한 재료를 찾다보니... 그 이전에도 콘크리트를 금속으로 보강한다는 아이디어가 없었던 건 아니지만[1], 그의 발명은 그 원리가 정확하게 설명되어 있었다고. 이후 이 자재에 주목한 건축가들이 여러모로 수단을 강구하면서, 이전에는 비싼 철강을 사용해야만 만들 수 있는 거대한 건물들을 저렴하면서 빠르게 만들 수 있게 되었다.

위에서 말했다시피 영어로는 reinforced concrete. 한국에서는 철근콘크리트로 번역하지만 사실은 보강된 콘크리트가 맞다. 즉 철근만이 아닌 다른 재료로도 보강하면 reinforced concrete이다. 물론 합성보와는 다르다. 제작방법이 다르기 때문이다.

2. 특징

콘크리트의 경우 압축을 견디는 힘이 우수하고 횡방향으로 가해지는 힘, 즉 전단응력에도 매우 잘 견딘다. 긴 콘크리트 부재의 한 지점에 전단응력을 가해도 한계를 넘어 부서질 때까지 부재 전체가 전단응력에 저항한다. 하지만 콘크리트는 재료의 특성 상 인장 응력은 전혀라고 해도 좋을 정도로 잘 견디지 못한다.

추가설명 : 위에서 왜 전단응력이라고 표현했는지 모르겠지만, 정정하자면 압축응력이다. 전단응력은 전혀 다른 압력상태이다.[2] 철근콘크리트에서 전단응력 또한 설계시 인장응력과 함께 가장 큰 골치거리이다. 전단력 자체는 문제가 되지 않는데, 이 전단력이 휨응력과 결합하면 사선방향(대각선 방향)으로 인장응력이 발생하기 때문에 파괴를 가속시킨다. 따라서 이에 따른 전단철근을 보강하게 되며, 인장철근과 달리 그 역학상태가 복잡하여 여러 경우에 대해 검토해봐야 한다.[3]

콘크리트는 모래 알갱이 등이 시멘트, 물 등과 섞이며 강하게 접착되어 있는 상태라고 할 수 있다. 때문에 압축의 경우는 견딜 수 있자만 인장이 가해져 입자들의 사이가 벌어지고 접착이 떨어지면 다시 붙기가 힘들다. 철근의 경우 철이 하나의 화학적 결합을 이루고 있기 때문에 각 입자가 전자기력에 의해 압축력이 작용할 경우 척력으로 입자들끼리 밀어내면서 저항하고 인장력이 작용할 경우 인력으로 입자들끼리 잡아당기면서 저항하기 때문에 압축과 인장 모두에 잘 견딘다.

이 때문에 보통 고체역학, 재료역학에서 어떤 물체의 강도를 측정할 때는 보통 인장과 압축에 대한 강도를 둘 다 측정하지만 콘크리트만은 압축에 대한 강도만 측정하고 인장에 대한 강도는 고려하지 않는다. 콘크리트는 압축은 잘 견디지만 인장이 조금만 가해져도 바로 부서지기 때문이다.[4]

실제로 토목공학과에서 쓰는 교재 중에는 콘크리트의 응력-변형률 그래프를 그릴 때 일반적인 재료에 대한 그래프처럼 인장에 대한 변형률과 응력을 양(+)의 부호로 두지 않고 반대로 압축에 대한 변형률과 응력을 양의 부호로 놓고 압축에 대한 응력-변형률 그래프만 고려한다. 인장에 대한 저항이 거의 없는 콘크리트를 가지고 일반 재료처럼 인장이 일어나는 방향을 양의 부호로 하여 콘크리트의 강도 그래프를 그리면 제 3사분면에만 그래프가 그려지기 때문이다.[5]

반면 철근은 인장과 압축을 둘 다 잘 견딘다. 다만 소성구간에 들어서면 인장이건 압축이건 철근은 그 힘에 저항하지 못한다. 철근은 전단력에 매우 잘 저항하며 미국과 한국 시방서에서는 철근이 받을 수 있는 전단력을 그 단면에서 콘크리트가 받는 전단력의 네 배까지 허용하고 있다. 단, 전단력에 의한 파괴에서는 콘크리트가 취성파괴를 일으키며 갑자기 파단을 일으키기 때문에 강도저감계수를 인장의 경우(0.9)[6]와는 달리 0.75를 사용하고 있다. 이유는 그만큼 역학적 거동이 이상적 거동에서 먼 취성형태를 뛰기 때문에 예측이 어려워서이다.

따라서 콘크리트를 철근으로 보강하여 철근 콘크리트를 만들면, 압축에 매우 잘 견디는 콘크리트의 약점인 인장에 대한 저항을 철근으로 보강할 수 있다. 또한 철근의 약점인 횡방향의 힘에 약하다는 점을 철근을 둘러싼 콘크리트를 통해 보완할 수 있다. 이렇게 해서 인장과 압축에 둘 다 강하며 횡방향 외력에도 강한, 우수한 건축자재가 만들어진다. 여기에 더해서 철근을 구성하는 철 성분의 산화로 인한 강도저하를 강한 염기성인 콘크리트가 보완해주고 공기와의 접촉을 차단하여 장기간의 강도 유지가 가능하다. 더구나 철근과 콘크리트의 열에 의한 팽창률이 거의 같기 때문에 조립된 자재더라도 뜨거운 여름 혹은 겨울에 철근과 콘크리트가 서로 다른 열 팽창률에 의해 분리되고 내부부터 붕괴되는 대참사가 벌어지지 않을 수 있다.[7]

3. 주의점

물체는 기본적으로 탄성을 동시에 가지고 있고[8] 완벽하게 금이 안 간 철근콘크리트는 이상적인 소성의 성질(=탄성 0%)을 가진 취성 재료라고 가정하는데 이런 재료는 공학적으로 매우 위험하다.

일반적으로 소성인 물체는 탄성인 물체에 비해서 강도한계가 크지만 강도한계까지 진행되는 동안 어떤 변화가 없기 때문에 위험을 예측하기 어렵다. 한 마디로 가만히 있다가 어느 날 갑자기 훅 가버리는 경우. 무작정 철근을 넣거나 콘크리트만 넣을 수도 없는게 철근과 콘크리트의 비율이 어긋나면 위에서 말한 강도한계의 영역에서 폭삭! 하고 무너질 수 있다. [9]

철근 콘크리트의 표면에 잔금이 어느 정도 있는 경우라도 아직 재료가 탄성의 영역에 있다는 증거니 너무 걱정하지 말자. 재료가 탄성의 영역에서 소성의 영역으로 넘어가는 구간의 응력을 항복응력이라고 하는데 이 때에는 변형이 급격하게 많이 일어난다. 그러니까 갑자기 잔금의 변화가 심해진다던가 하면 문제가 커지지만 잔금이 있되 변화가 심하지 않다면 아직은 괜찮다는 소리. 물론 금에 손가락이 들어간다는 식으로 너무 크다던지 잔금이라고 해도 너무 많다면 문제가 된다. 어디서나 적당한 게 중요하고 금이 깊숙히 들어가서 내부의 철근이 노출된 경우면 꽤 심각한 문제이다.

다만 화장실 벽에 금이 갔다 라고 하면 집을 떠나는게 좋다...는 아니고 만약 주변의 발파공사나 진동을 일으키는 공사로 인해서 피해조사에 나선다면 금이 가서 화장실 벽의 타일이 떨어진게 가장 좋은 증거이다. 벽에 간 금은 벽지 안에 숨어서 보이지 않을수도 있고 예전부터 생겼다고 할 수 있지만 금이 간 화장실 벽의 타일은 여러개가 한번에 떨어지므로 피해조사에서 숨길 수 없는 증거.

배관이 들어가는 벽이라고 딱히 강도가 떨어지진 않고 (물론 배관 부피만큼 강도 감소는 있겠지만) 구조역학적으로 내부부피가 물론 영향을 주지만 그 보단 자재종류와 양와 구조가 더 큰 영향을 주기때문에 아파트처럼 하중을 벽이 받아주는 구조에선 일반 방구조와 화장실이 구조해석으로 보면 같은 모양인데 이런 말이 도는 이유를 추가바람. [10]

또한 콘크리트는 그 재료적 특성 때문에 예측이 불가능한 거동을 보이는 경우가 많다. 예를 들면 shrinkage[11]와 건조수축[12] 등이 있으며, 재료가 불균질한 것도 그 이유에 한 몫을 한다. 기본적으로 소성설계법을 이용하지 못하고 강도설계법이라는 것을 개발하여 따로 적용하는 가장 큰 이유.[13] 그렇기 때문에 콘크리트에 금이 가는 것은 결코 막을 수 없으며 단지 수 많은 실험을 통해 균열의 폭과 깊이를 통제하거나 단면을 줄여 균열부위를 통제하는 방법을 사용하고 있을 뿐이다. 이 쯤되면 대체 왜 콘크리트를 사용하는지 모를 정도.[14]

4. 현황

개발 이후 현대에 이르기까지 건축재료의 주류 중 하나. 현대에 쓰이는 콘크리트의 상당수는 바로 이 철근 콘크리트로 쓰인다.

다만 강도에 비해 하중이 크다는 단점이 있어서, 5~6층 이상의 건물은 경제성문제로 강구조로 기초를 잡아주는 경우가 많다.

다만 콘크리트의 재료로 들어가는 의 염분 함유정도가 중요한데, 이는 염분으로 인한 철근의 부식이 문제가 되기때문. 역설적으로 염분을 첨가하면 콘크리트는 더 빨리 굳는다. [15] 법정기준으로는 골재를 세척하여 염도 0.04% 이하여야 한다. 강에서 채취하는 골재용 모래의 수요를 생산이 못따라가기 때문에, 바다에서 퍼오거나 산에서 채취하는 속칭 마사 즉, 간 을 의미하는 쇄석을 이용하는 경우도 많다.
----
  • [1] 1855년의 파리 만국박람회에 프랑스의 램보트가 철망을 넣은 콘크리트 선박을 출품해 특허를 냈었다고 한다.
  • [2] 압축응력은 말 그대로 압축력이 가해질 때의 압력이지만, 전단응력은 작용면이 작용력과 수평일 때 발생하는 응력상태이다. 쉽게 이해하면 손을 마주 붙이고 한 손은 아래로 한 손은 위로 움직일 때 생기는 응력이다. 마찰응력과는 다르다! 주의하자. 마찰응력은 수직력에 영향을 받지만 전단응력은 받지 않는다. 또 전단력을 적분하면 휨모멘트의 변화량을 얻을 수 있기도 하다.
  • [3] 깊은 보(DEEP BEAM), 내민받침(Cobel) 등
  • [4] 여기서 오해가 많은데, "철근은 압축에 약하고 인장에 강하며, 콘크리트는 압축에 강하고 인장에 약해서 철근콘크리트는 환상의 조합이다." 라는 말이 많다. 그런데 이는 완벽한 오해이며, 콘크리트가 압축에 그럭저럭 잘 저항하는 것은 사실이나 철근은 콘크리트보다 압축강도가 10배 이상 높다. 인장강도는 100배를 훌쩍 뛰어넘고. 게다가 재료파괴도 연성파괴를 나타내고 재료의 역학적 거동도 이상적인 거동과 잘 부합한다. 한 마디로 이상적인 재료. 그럼에도 불구하고 콘크리트를 사용하는 이유는 어디까지나 경제성 때문이다. 모양 만들기도 쉽고.(쉽게 말하면 철근이 강도가 훨씬 높지만, 비싸니까 인장력만 담당하게 만들어놓은거다. 콘크리트는 엄청싸니까 압축력을 담당하는거고...)
  • [5] 물론 토목공학과의 특성상 부재에 인장보다는 압축이 가해지는 상황이 압도적으로 많기 때문에 필요한 부분만 떼어놓고 보려는 이유도 있다. 부재에 인장과 압축이 시도때도 없이 가해지는 기계과가 인장과 압축을 둘 다 중요하게 여기는 경우.
  • [6] 현재 철근 콘크리트에서 휨에서의 설계 모멘트에 대한 강도 저감계수는 0.85를 사용하고 있다. 확인바람 -> 2012년 개정되고 2014년까지 혼용기간을 거치며, 2015년도에 전면시행되는 LRFD설계법에서는 콘크리트 강도에 따라 강도저감계수를 조정하도록 하고 있으며, 그 전 강도설계법에서는 0.85를 기본적으로 이용하되, 파괴 시 철근 변형에 따라 최소 0.65까지 변형하여 적용하고 있다.
  • [7] 만약 두 재료의 열 팽창률이 달랐더라면, 제작 당시 상황과 온도가 달라지면 내부의 각 부재의 길이가 따로따로 변하면서 내부의 부재끼리의 접촉면에서 엄청난 마찰이 작용할 것이고, 온도 변화가 심하다면 이 마찰력으로 인한 응력때문에 자재가 부서질 것이다!! 복합보가 가진 상당한 장점에도 불구하고 복합보의 종류가 많지 않은 이유.
  • [8] 탄성이란, 물체가 외부에 의해서 변형되었을 때 그 힘이 없어지면 원래 모양으로 돌아오려고 하는 성질. 소성이란, 물체가 외부에 의해서 변형되었을 때 그 힘이 없어져도 변형된 모양 그대로 남아 있는 성질.
  • [9] 보충하자면 취성 재료인 콘크리트에 연성을 주기위한 철근의 비율은 콘크리트가 콘크리트 변형률 한계인 0.003에 달할때 인장 측에 있는 철근의 변형률이 0.004, 혹은 항복변형률의 2배 중 최소값에 달할때로 규정하고 있다. 이 조건을 만족 시켜주는 조건이 최대 철근비다. 이는 콘크리트가 취성 파괴 되기전에 철근이 항복해서 변형률이 늘어 남으로써 균열등으로 거주자에게 위험을 알리는 역할과 대피까지의 시간을 벌어준다. 이런 최대 철근비 이상의 철근을 넣을시 철근이 항복하고 얼마 있지 않아 바로 콘크리트가 변형률 한계에 도달해 취성파괴되는 위험을 가지고 있고, 또 반대로 콘크리트가 변형률 한계에 도달할때 철근이 최대 강도에 도달하면, 콘크리트가 파괴되기전에 철근이 먼저 파괴되어 이 역시 취성파괴 되므로, 콘크리트에 철근을 넣을땐 최소 철근비 이상 최대 철근비 이하로 넣는것이 중요하다. 여기서 철근의 항복강도는 철근이 탄성 구간에 있는 상태로, 후크의 법칙을 적용 받는 구간이고, 이를 넘어가면 철근의 소성 구간으로 넘어간다. 철근의 최대강도는 항복강도 이후에 철근이 완전히 끊어질때의 강도로, 항복강도와 최대강도는 전혀 다르다는것을 인식해야한다.
  • [10] 아마도 지진이 많은 일본에서는 건물을 지을때 되도록 목조를 많이 이용하고(유연하면 흔들림에도 무너지지 않기 위해서) 대신 화장실을 제일 튼튼히 짓는다고 하는데(일단 화장실에는 물이 있다! 큰 지진이 날것같으면 화장실로 대피하는게 기본이라고) 이 얘기가 와전된 것인듯 하다 또한 일본의 경우 콘크리트로 지은 아파트(맨션)의 경우도 기둥구조를 많이 쓴다는 것도 알아두면 좋다.
  • [11] 콘크리트가 완전하게 굳기 전에 지속적으로 가해지는 하중에 의해 생기는 변형
  • [12] 콘크리트가 굳을 때 필요한 수분을 제외하고 나머지는 공기 중으로 증발한다. 이 때문에 콘크리트의 부피가 굳기 전과 비교해서 굳은 후가 더 작게 된다. 즉 수축이 일어난다. 그런데 표면에서 증발하는 수분량이 더 많으므로, 표면이 더 빨리 수축하면서 내부와 생기는 부피차이 때문에 균열이 발생한다.
  • [13] 강도설계법은 콘크리트의 비이상적 거동을 고려해서 설계한다.
  • [14] 다시말하지만, 경제성 때문이다. 건물 전체를 금속소재로 짓는다고 하면 돈이... 거기에다 건물 규모가 커지는 마천루쯤 되면 자원보존 때문에라도 콘크리트를 도저히 안쓸수가 없다.(모든 빌딩들을 금속 소재로만 짓는다면 지구의 자원은 빠르게 고갈되어갈것이다! 아직 우주진출도 못했는데 고립후 멸망, 인구수를 줄여보자) 상황이 이러다보니 현존 세계 최고높이의 건축물인 부르즈 할리파도 콘크리트가 사용되었다. 사실 콘크리트도 특수제작하면 강도가 매우 좋아지므로 금속소재보다 꼭 불리한것만은 아니다.
  • [15] 다만 시공의 용이성을 위해서 강도를 희생하는 것은 구조물의 안정이 첫번째 목표인 토목공학에서 어불성설이기에 논외로치고 있다.
Valid XHTML 1.0! Valid CSS! powered by MoniWiki
last modified 2015-03-19 16:04:55
Processing time 0.0870 sec