철근 콘크리트

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1. 개요

철근 콘크리트는 콘크리트의 압축 강도와 철근의 인장 강도를 결합하여 만든 복합 건축 재료이다. 고대 로마 시대부터 콘크리트가 사용되었으나, 19세기 프랑스에서 철근을 콘크리트에 넣어 강도를 높이는 기술이 개발되면서 철근 콘크리트가 등장했다. 철근 콘크리트는 20세기 초 오귀스트 페레와 르 코르뷔지에 등 건축가들에 의해 디자인과 강도를 모두 만족시키는 건축 재료로 활용되었으며, 이후 다양한 구조물에 널리 사용되었다. 철근 콘크리트는 압축력에 강한 콘크리트와 인장력에 강한 철근의 상호 보완을 통해 구조적 효율성을 높이며, 내구성을 위해 콘크리트의 알칼리성이 철근의 부식을 방지한다. 철근의 양과 배치에 따라 보의 파괴 모드가 결정되며, 굽힘, 전단, 부착, 피로 등 다양한 파괴 메커니즘이 존재한다. 최근에는 비철강 보강재와 같은 기술이 개발되어 적용되고 있다.

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콘크리트 - 철근
철근은 콘크리트 구조물의 보강재로 사용되는 강철 막대로, 콘크리트의 인장 강도를 보완하여 구조물의 내구성을 향상시키는 역할을 한다.
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철근 콘크리트
이미지
철근 프레임 주위에 콘크리트가 제자리에 주조되기 전과 후의 무거운 철근 콘크리트 기둥
기본 정보
종류	복합재료
물리적 특성
인장 강도	콘크리트보다 강함
기체 투과 온도	20 °C
가격
각주

2. 역사

콘크리트는 압축력에는 강하지만 인장력에는 약하며, 일단 파괴되면 강도를 잃는다. 반면 철은 인장 강도가 높지만 압축에 의해 좌굴하기 쉽다. 하지만 철은 쉽게 파단되지 않는 점성(인성)을 가지고 있다. 콘크리트와 철, 이 두 재료를 결합하면 서로의 약점을 보완하여 압축력과 인장력 모두에 강하고, 약간의 파괴에도 쉽게 붕괴되지 않는 강도를 얻을 수 있다.^[47]

철은 녹슬면서(산화환원반응) 강도를 잃지만, 콘크리트는 높은 알칼리성을 띠기 때문에 철근이 콘크리트 속에서 장기간 녹으로부터 보호되어 높은 내구성을 얻을 수 있다.^[48] 또한, 돌이나 나무를 조합하는 구조와 달리 건축의 자유도가 높다는 장점도 있다.^[46]

2. 1. 콘크리트의 역사

콘크리트는 고대 로마 시대부터 사용된 오래된 건축 재료이다. 로마 콘크리트가 사용된 건축물로는 판테온(서기 128년) 등이 알려져 있으나, 이는 철근으로 보강되지 않은 무근 콘크리트였다.^[46]

19세기 프랑스에서 콘크리트에 철근을 배치하여 강도를 높이는 기술이 등장했다. 1853년 토목기사 프랑수아 코니에(François Coignet)는 생드니에 4층 주택을 건설했고, 1855년 조제프 루이 랑보(Joseph-Louis Lambot)는 소형 보트를 만들었다. 1867년 정원사 조제프 모니에는 원예용 화분의 강도를 높이기 위해 철망과 콘크리트 조합을 고안하여 특허를 취득했고, 1877년에는 철근을 격자무늬로 배치한 콘크리트 기둥과 보강 기술에 대한 특허도 받았다. 모니에의 기술은 교량 등 강도를 필요로 하는 건축물에 사용되었다.^[46]

어니스트 L. 랜섬(Ernest L. Ransome)은 철근을 비틀어 콘크리트와의 결합력을 향상시킨 철근 콘크리트 기술의 초기 혁신가였다.^[14] 그는 북미에서 최초의 철근 콘크리트 다리 두 개를 건설했다.^[15]

구스타프 아돌프 바이스(G. A. Wayss)는 독일의 토목 기술자이자 철골 콘크리트 건설의 선구자였다. 1879년 바이스는 모니에의 특허권을 독일에서 매입했고, 1884년 그의 회사인 바이스 & 프라이타그(Wayss & Freytag)가 최초로 철근 콘크리트를 상업적으로 사용했다. 1890년대까지 바이스와 그의 회사는 모니에의 철근 시스템 발전에 크게 기여하여 잘 발달된 과학 기술로 자리 잡았다.^[13]

20세기에 오귀스트 페레는 철근 콘크리트의 자유로운 조형성과 높은 강도에 주목하여, 기존의 석조나 벽돌조에서는 불가능했던 대개구부와 대공간 건축물을 건설했다. 랑시의 교회당(1923년) 등이 알려져 있으며, 오귀스트 페레가 재건한 르 아브르는 후에 세계유산이 되었다.^[46] 르 코르뷔지에의 건축에서도 철근 콘크리트의 특성을 살린 스타일을 찾아볼 수 있다.^[46]

우리나라에서는 교토제국대학 공학부 교수였던 히비 타다히코 등의 연구에 의해 이후 많이 채택되었다.

2. 2. 철근 콘크리트의 탄생

브뤼셀의 엑스포 58을 위해 건설된 필립스 파빌리온의 참신한 모양은 철근 콘크리트를 사용하여 만들어졌다.

철근 콘크리트 공법은 19세기 중반 프랑스에서 등장했다. 1853년, 프랑수아 코니에(François Coignet)는 파리 교외에 철근 콘크리트로 4층 주택을 건설하여 최초의 철근 콘크리트 구조물을 완성했다.^[4] 코니에는 콘크리트의 강도를 높이기 위해서가 아니라 벽체를 일체형 구조로 건설하여 뒤집히는 것을 방지하기 위해 철근을 사용했다.^[5] 1872년부터 1873년까지 그의 기술을 보여주는 증거로 뉴욕과 롱 아일랜드 코니에 스톤 컴퍼니 건물(브루클린(Brooklyn) 소재)이 있다.

1854년, 영국의 건축업자 윌리엄 B. 윌킨슨(William B. Wilkinson)은 자신이 짓고 있던 2층짜리 주택의 콘크리트 지붕과 바닥에 철근을 보강했다. 그의 철근 배치는 이전 사람들과 달리 인장 응력에 대한 지식이 있었음을 보여준다.^[6]^[7]^[8] 1869년과 1870년 사이에는 헨리 이턴(Henry Eton)이 디자인을 맡고, 런던의 W&T 필립스(Messrs W & T Phillips)사가 영국의 노퍽(Norfolk)과 서퍽(Suffolk) 카운티 사이의 와베니 강(Waveney river) 위에 15.25m 경간의 단조 철근 보강 호머스필드 다리(Homersfield Bridge)를 건설했다.^[9]

19세기 프랑스 정원사였던 조제프 모니에(Joseph Monier)는 내구성 있는 화분을 만들 수 있는 기존 재료에 불만을 품고 구조적이고 조립식이며 철근 콘크리트를 개발하는 선구자였다.^[12] 그는 철망과 모르타르 껍질을 혼합하여 철근 콘크리트 화분에 대한 특허를 받았다. 1877년, 모니에는 철근을 격자무늬로 배치한 더욱 발전된 철근 콘크리트 기둥과 보강 기술에 대한 또 다른 특허를 받았다. 모니에는 철근 콘크리트가 내부 응집력을 향상시킨다는 것을 분명히 알고 있었지만, 철근으로 인해 콘크리트의 인장 강도가 얼마나 향상되었는지 알고 있었는지는 분명하지 않다.^[13]

1877년, 새디어스 하이엇(Thaddeus Hyatt)은 "건축 자재로서 철과 결합된 포틀랜드 시멘트 콘크리트에 대한 실험 보고서, 건축에서의 금속 절약과 지붕, 바닥 및 보행 표면 제작에서의 화재 안전에 관하여"(An Account of Some Experiments with Portland-Cement-Concrete Combined with Iron as a Building Material, with Reference to Economy of Metal in Construction and for Security against Fire in the Making of Roofs, Floors, and Walking Surfaces)라는 제목의 보고서를 발표했다.^[10] 이 보고서에서 그는 철근 콘크리트의 거동에 대한 실험 결과를 발표했다. 그의 연구는 입증되고 연구된 과학으로서 콘크리트 건설의 발전에 중요한 역할을 했다. 하이엇의 연구가 없었다면 기술 발전을 위해 더 위험한 시행착오 방식에 의존했을 수도 있었다.^[5]^[11]

1870년대 이전에는 콘크리트 건설의 사용이 로마 제국까지 거슬러 올라가고 19세기 초에 다시 도입되었지만, 아직 입증된 과학 기술은 아니었다.

영국 태생의 기술자인 어니스트 L. 랜섬(Ernest L. Ransome)은 19세기 말 철근 콘크리트 기술의 초기 혁신가였다. 이전 50년 동안 개발된 철근 콘크리트에 대한 지식을 사용하여 랜섬은 이전 철근 콘크리트 발명가의 거의 모든 스타일과 기술을 개선했다. 랜섬의 핵심 혁신은 철근을 비틀어 콘크리트와의 결합력을 향상시킨 것이다.^[14] 콘크리트 건물로 명성을 얻은 랜섬은 북미에서 최초의 철근 콘크리트 다리 두 개를 건설할 수 있었다.^[15] 그의 다리 중 하나는 뉴욕 동부 끝의 쉘터 아일랜드(Shelter Island)에 아직도 있다. 미국에서 건설된 최초의 콘크리트 건물 중 하나는 1876년에 완공된 윌리엄 워드(William Ward)가 설계한 개인 주택이었다. 이 주택은 특히 내화성을 갖도록 설계되었다.

구스타프 아돌프 바이스(G. A. Wayss)는 독일의 토목 기술자이자 철골 콘크리트 건설의 선구자였다. 1879년 바이스는 모니에의 특허권을 독일에서 매입했고, 1884년 그의 회사인 바이스 & 프라이타그(Wayss & Freytag)가 최초로 철근 콘크리트를 상업적으로 사용했다. 1890년대까지 바이스와 그의 회사는 모니에의 철근 시스템 발전에 크게 기여하여 잘 발달된 과학 기술로 자리 잡았다.^[13]

2. 3. 20세기 이후의 발전

20세기에 들어서 오귀스트 페레는 철근 콘크리트가 자유롭게 조형할 수 있고 높은 강도를 가진다는 점에 주목하여, 기존의 석조나 벽돌 구조에서는 불가능했던 넓은 개구부와 공간을 가진 건축물을 건설했다. 대표적인 예로 랑시 교회당(1923년)이 있으며, 오귀스트 페레가 재건한 르 아브르는 세계유산으로 등재되었다.^[46] 페레에게 건축을 배운 르 코르뷔지에의 건축에서도 철근 콘크리트의 특성을 살린 스타일을 찾아볼 수 있다.^[46]

어니스트 L. 랜섬(Ernest L. Ransome)은 19세기 말 철근 콘크리트 기술의 초기 혁신가였다. 그는 이전 50년 동안 개발된 철근 콘크리트에 대한 지식을 바탕으로 이전의 철근 콘크리트 발명가들의 거의 모든 스타일과 기술을 개선했다. 랜섬의 핵심적인 혁신은 철근을 비틀어 콘크리트와의 결합력을 향상시킨 것이었다.^[14] 콘크리트 건물로 명성을 얻은 랜섬은 북미 최초의 철근 콘크리트 교량 두 개를 건설했다.^[15] 그의 다리 중 하나는 뉴욕 동부 끝의 쉘터 아일랜드(Shelter Island)에 아직도 남아있다.

1904년에는 미국 신시내티에 16층 높이의 잉갈스 빌딩(Ingalls Building)이 철근 콘크리트로 건설되어, 철근 콘크리트 마천루 시대의 개막을 알렸다.^[8]

2. 4. 한국의 철근 콘크리트 역사

일제강점기에 한국에 철근 콘크리트 기술이 도입되었다. 1910년대부터 1945년까지 일본 건설 회사들이 철근 콘크리트 구조물을 건설하기 시작했다. 당시에는 주로 교량, 터널, 공장 등 산업 시설에 사용되었으며, 일반 건축물에는 널리 사용되지 않았다.

1945년 광복 이후, 한국전쟁으로 국토가 황폐화되면서 재건 사업이 활발하게 진행되었다. 이 과정에서 철근 콘크리트는 저렴하고 빠르게 건물을 지을 수 있는 재료로 각광받았다. 1960년대부터 1970년대까지 경제 개발이 가속화되면서 건설 경기가 호황을 이루었고, 철근 콘크리트 구조물이 급증했다. 특히, 아파트, 고층 빌딩, 도로, 교량 등 대규모 건설 프로젝트에 철근 콘크리트가 널리 사용되었다.

그러나 이 시기에는 부실 시공으로 인한 안전 문제가 사회적 이슈로 부각되기도 했다. 1970년에 발생한 와우아파트 붕괴사고는 철근 콘크리트 건물의 안전성에 대한 불신을 증폭시키는 계기가 되었다. 이후 정부는 건설 기준을 강화하고 품질 관리를 강화하는 등 대책 마련에 나섰다.

최근에는 고강도 콘크리트, 섬유 보강 콘크리트 등 새로운 기술이 개발되어 철근 콘크리트의 성능 향상이 이루어지고 있다. 이러한 신기술은 건물의 내구성과 안전성을 높이는 데 기여하고 있다.

3. 구조적 특성

철근 콘크리트는 인장력에 약한 콘크리트와 압축력에 약한 철근의 단점을 상호 보완하여, 두 재료의 장점을 극대화한 복합 구조이다. 철근은 콘크리트 내에서 인장력을, 콘크리트는 압축력을 담당한다. 철근과 콘크리트의 열팽창 계수가 거의 같아 온도 변화에 따른 변형 차이가 적다. 콘크리트의 강알칼리성은 철근의 부식을 방지하여 구조물의 내구성을 높인다.^[48]

보에 외력이 가해지면 점선처럼 휘어진다. 1: 압축부, 2: 인장부. 1과 2 사이의 경계선은 중립축으로, 길이 변화가 없다. 붉은색: 철근

외력으로 휨을 받는 구조 부재를 보라고 하는데, 보에 외력이 가해지면 그림과 같이 아래쪽으로 휘어진다. 이때 휘어지는 부분의 위쪽은 압축되고 아래쪽은 인장된다. 콘크리트는 압축력에는 강하지만 인장력에는 약하고, 철근은 인장력에 강하므로, 철근 콘크리트 구조물에서는 압축력은 콘크리트가, 인장력은 철근이 받도록 설계된다.^[34] 콘크리트가 인장력을 받지 못함에도 중립축 하단의 인장부에도 콘크리트를 넣어주는 이유는 철근이 대기와 접촉할 경우 부식되어 성능이 저하되기 때문이다.

철근 콘크리트 보에는 주철근(휨 저항 철근) 외에도 전단 파괴를 방지하기 위한 전단 보강 철근(스터럽 등)이 사용된다. 단철근 보의 거동을 이해하기 위해서는 휨모멘트(M)와 곡률(Φ)의 관계를 나타내는 M-Φ 상관도를 살펴봐야 하며, M-Φ 상관도에서는 인장부 콘크리트 균열 발생점, 철근 항복점, 압축부 콘크리트 압축 파괴점(

\epsilon_{cc} = 0.003

인 점)에 주목해야 한다. 이 세 점을 계산하는 방법에는 정밀식과 약산식이 있는데, 둘 사이의 차이는 크지 않다.

3. 1. 철근의 역할

철근 콘크리트 구조물에서 철근은 주로 인장력을 받는 영역에 배치되어 콘크리트의 약한 인장 강도를 보완한다. 콘크리트는 압축력에는 강하지만 인장력에는 취약하기 때문에, 철근이 인장력을 대신 받아 구조물의 안전성을 확보하는 것이다.^[34]

철근과 콘크리트가 효과적으로 결합하여 작용하는 이유는 다음과 같다:

1. 철근은 콘크리트와의 부착력이 우수하여 외부 하중에 함께 저항하고 변형한다. 특히, 표면에 리브(마디)가 있는 이형 철근은 콘크리트와의 부착력을 더욱 높여준다.

2. 콘크리트와 철근의 열팽창계수는 거의 비슷하여(콘크리트: ~ , 철근: ) 온도 변화에 따른 두 재료 간의 분리 현상을 방지한다.

3. 콘크리트는 철근을 감싸 부식과 고온으로부터 보호하여 철근의 성능 저하를 막는다.

철근의 양과 배치에 따라 보의 휨파괴 양상은 달라진다. 철근비 (

\rho = \frac{A_s}{bd}

)를 통해 철근 콘크리트 보의 휨파괴 양상을 예측할 수 있는데, 철근비는 보의 유효단면적에 대한 철근 단면적의 비를 나타낸다.

'''과소 철근보''': 철근량이 적어 인장부 철근이 먼저 항복하는 상태이다. 연성 파괴를 일으켜 붕괴 전에 변형을 감지할 수 있어 상대적으로 안전하다.
'''균형 철근보''': 압축부 콘크리트와 인장부 철근이 동시에 항복하는 상태이다.
'''과다 철근보''': 철근량이 많아 압축부 콘크리트가 먼저 파괴되는 상태이다. 취성 파괴를 일으켜 붕괴 징후를 미리 알 수 없어 위험하다.

일반적으로 구조물의 안전을 위해 연성 파괴를 유도하는 과소 철근보로 설계하는 것이 바람직하다.

3. 2. 콘크리트의 역할

철근 콘크리트는 인장력에 약한 콘크리트의 단점을 보완하기 위해 철근을 함께 사용한 구조물이다. 콘크리트는 압축력에는 강하지만 인장력에는 약하기 때문에, 인장력을 받는 부분에 철근을 배치하여 강도를 높인다.

콘크리트는 철근 콘크리트 구조물에서 다음과 같은 중요한 역할을 수행한다.

압축력 담당: 콘크리트는 압축력에 매우 강한 재료이다. 따라서 철근 콘크리트 구조물에 가해지는 압축력은 주로 콘크리트가 담당한다.
철근 보호: 콘크리트는 철근을 감싸서 부식으로부터 보호하는 역할을 한다. 철근이 대기에 직접 노출되면 쉽게 부식되어 성능이 저하될 수 있다. 콘크리트는 철근을 외부 환경으로부터 차단하여 내구성을 높인다.
하중 분산: 콘크리트는 철근과의 부착을 통해 하중을 분산시키는 역할을 한다. 철근과 콘크리트는 서로 강하게 부착되어 있어, 하중이 가해지면 철근과 콘크리트가 함께 힘을 받아 구조물 전체로 하중을 분산시킨다.
철근 좌굴 방지: 철근은 직경과 길이의 비율인 세장비가 일정 한도를 넘으면 좌굴(휘어짐)이 발생하는데 콘크리트가 철근 주위를 구속함으로써 휘어지지 않도록 억제한다.

콘크리트의 압축 강도는 철근 콘크리트 구조물의 강도와 내구성에 큰 영향을 미친다. 압축 강도가 높은 콘크리트를 사용하면 더 튼튼하고 오래가는 구조물을 만들 수 있다.

4. 철근 콘크리트 보의 파괴 모드

철근비는 보의 유효단면적에 대한 철근 단면적(철근량)의 비를 의미한다. 철근 콘크리트 보는 이 철근비에 따라 파괴 모드가 달라진다. KDS 14 20 20:2018 콘크리트구조 휨 및 압축 설계기준은 연성 파괴를 유도하기 위해 최외단 인장 철근 변형률이 최소 허용 변형률 이상이 되도록 규정하고 있다.

과소 철근보: 철근이 너무 적으면 인장부 철근이 압축부 콘크리트보다 먼저 큰 변형을 일으키며 항복한다.
균형보: 압축 연단 콘크리트가 한계에 도달하는 동시에 인장부 철근이 항복하는 상태이다. 이때의 철근비를 '''균형 철근비'''라고 한다.
과다 철근보: 철근이 너무 많으면 철근이 항복하기 전에 압축부 콘크리트가 먼저 한계 변형률에 도달하여 파괴된다.

과다 철근보는 콘크리트의 취성 파괴를 유발하여 구조물의 붕괴 징후를 미리 알 수 없게 된다. 반면 과소 철근보는 철근의 연성 파괴를 통해 구조물이 완전 파괴되기 전에 변형을 감지할 수 있어 더 안전하다. 따라서 설계 기준에서는 연성 파괴를 유도하도록 규정하고 있다.

5. 단철근 보의 거동

실제 철근 콘크리트 보에는 주철근(보에서는 휨에 저항하는 철근) 외에도 전단파괴가 일어나지 않도록 배근하는 전단보강철근(스터럽 등)이 들어가나, 여기서는 주철근에 대해서만 설명한다. 보의 양쪽 끝단에 지지점이 있는 보는 아래쪽으로 휘어진다. 따라서 보의 아래쪽에만 철근을 넣는데, 이런 보를 '단철근' 보라고 한다. 만약 위쪽(압축부)에도 철근이 들어간다면 '복철근' 보라고 한다.

단철근 보의 거동을 이해하기 위해서는 휨모멘트(M)와 곡률(Φ)의 관계를 알아야 한다. 이 둘의 관계를 그래프로 나타낸 것이 M-Φ 상관도이다. M-Φ 상관도에서는 다음의 점들에 주목해야 한다.

인장부 콘크리트 균열 발생점
철근 항복점
압축부 콘크리트의 압축파괴점( $\epsilon_{cc} = 0.003$ 인 점)

계산 방법에는 정밀식과 약산식이 있는데, 이 둘의 차이는 거의 없다. 따라서 보다 편리한 약산식으로 M-Φ 곡선을 그려도 문제없다. 위 세 가지 점들에 대해 설명하면, 먼저 하중이 가해져서 보가 휘기 시작하면(곡률 Φ가 생기기 시작하면) 인장부 콘크리트에 가장 먼저 균열이 발생한다. 다음으로 철근이 항복한다. 철근 항복은 인장파괴(끊어짐)를 말하는 것은 아니다. 철근이 계속해서 외력을 받지만, 엿가락처럼 늘어지는 상태를 '철근이 항복'했다고 한다. 철근 항복은 인장부 콘크리트 균열이 생기는 곡률

\phi_{cr}

보다 큰 곡률에서 생긴다. 이때의 휨모멘트를 M_cr로 쓴다. 마지막으로 하중이 계속되면 압축부에 있는 콘크리트가 압축력을 견디지 못하는 순간이 온다. 이때 압축부 콘크리트가 압축파괴되었다고 하며, 대한민국의 구조설계기준에서는 변형률이 0.003에 도달하면 압축파괴로 본다.

콘크리트와 철근이 함께 작용할 수 있는 이유는 다음과 같다.

(1) 보강재는 콘크리트에 잘 부착될 수 있으므로, 외부 하중에 공동으로 저항하고 변형될 수 있다.

(2) 콘크리트와 철근의 열팽창 계수가 매우 유사하다. (콘크리트: ~ , 철근: ) 따라서 열응력으로 인한 두 구성 요소 간의 부착 손상을 방지할 수 있다.

(3) 콘크리트는 매립된 철근을 부식 및 고온에 의한 연화로부터 보호할 수 있다.

5. 1. 개요

외력으로 휨을 받는 구조부재를 보라고 한다. 휨을 받는 보는 그림처럼 아래쪽으로 휘어진다. 이때 보 단면의 위쪽은 압축되고, 아래쪽은 인장된다. 만약 콘크리트만으로 보를 만든다면 아래쪽의 인장부는 외력에 의해 발생되는 인장력에 버티지 못하고 파괴된다. 콘크리트는 압축력에는 잘 저항하지만, 인장력에는 거의 저항하지 못하기 때문이다.

반면 철근은 인장력에 잘 저항한다. 따라서 압축력은 콘크리트가 받도록 하고, 인장력은 철근이 받도록 만드는데, 이것이 철근 콘크리트 구조물의 기본 원리이다. 콘크리트는 인장력을 받지 못함에도 중립축 하단의 인장부에도 넣어주는 이유는 철근이 대기와 접해있을 경우 부식되어 성능 저하가 일어나기 때문이다.

주차장 슬래브에 통합된 두 개의 교차 보. 보강철과 배선, 접속함 및 아래층 주차장의 천장 조명 설치에 필요한 기타 전기 부품을 포함합니다.

보는 휨 모멘트에 의해 휘어져 약간의 곡률이 생긴다. 곡률의 바깥쪽 면(인장면)에서는 콘크리트에 인장 응력이 작용하고, 안쪽 면(압축면)에서는 압축 응력이 작용한다.

'''단근 보'''는 콘크리트 요소가 인장면 근처에서만 보강되고, 인장철근이라고 하는 보강재가 인장력에 저항하도록 설계된 보이다.

'''이중근 보'''는 인장 보강재 외에도 콘크리트 요소가 압축면 근처에서도 보강되어 콘크리트의 압축 저항을 돕는 단면이다. 후자의 보강재를 압축철근이라고 한다. 콘크리트의 압축 영역이 압축 모멘트에 저항하기에 부적절할 때, 설계자가 단면의 치수를 제한하면 추가 보강을 해야 한다.

'''부족근 보'''는 인장 보강재의 인장 용량이 콘크리트와 압축철근의 결합된 압축 용량보다 작은 보이다(인장면에서 부족근). 철근 콘크리트 요소에 휨 모멘트가 증가하면, 인장철근이 항복하지만 콘크리트는 궁극적인 파괴 상태에 도달하지 않는다. 인장철근이 항복하고 늘어나면서 "부족근" 콘크리트도 연성적으로 항복하여 궁극적인 파괴 전에 큰 변형과 경고를 보인다. 이 경우 강재의 항복 응력이 설계를 지배한다.

'''과근 보'''는 인장철근의 인장 용량이 콘크리트와 압축철근의 결합된 압축 용량보다 큰 보이다(인장면에서 과근). 따라서 "과근 콘크리트" 보는 압축 영역 콘크리트의 파괴로 인해 인장 영역 철근이 항복하기 전에 파괴되며, 파괴가 즉각적이므로 파괴 전에 어떠한 경고도 제공하지 않는다.

'''균형근 보'''는 압축 영역과 인장 영역 모두 보에 동일한 하중이 가해질 때 항복에 도달하고, 콘크리트는 파괴되고 인장철근은 동시에 항복하는 보이다. 그러나 이 설계 기준은 콘크리트가 파괴되는 동시에 인장철근이 항복하여 인장 파괴 시 매우 적은 경고만 제공하기 때문에 과근 콘크리트만큼 위험하다.^[34]

철근 콘크리트 모멘트 지지 부재는 일반적으로 구조물 사용자가 임박한 붕괴에 대한 경고를 받도록 부족근으로 설계되어야 한다.

'''특성 강도'''는 시험편의 5% 미만이 더 낮은 강도를 보이는 재료의 강도이다.

'''설계 강도''' 또는 '''공칭 강도'''는 재료 안전 계수를 포함한 재료의 강도이다. 안전 계수의 값은 일반적으로 허용응력설계에서 0.75~0.85이다.

'''궁극 한계 상태'''는 특정 확률을 가진 이론적인 파괴 지점이다. 이는 작용하중과 작용저항력으로 나타낸다.

철근 콘크리트 구조물은 일반적으로 ACI-318, CEB, 유로코드 2 등과 같은 규정 또는 권장 사항에 따라 설계된다. WSD, USD 또는 LRFD 방법은 RC 구조 부재 설계에 사용된다. RC 부재의 해석 및 설계는 선형 또는 비선형 접근 방식을 사용하여 수행할 수 있다. 안전 계수를 적용할 때 건축 기준은 일반적으로 선형 접근 방식을 제안하지만, 경우에 따라 비선형 접근 방식을 사용한다. 비선형 수치 시뮬레이션 및 계산의 예를 보려면 참조를 참조하십시오.^[35]^[36]

단철근 보의 거동을 이해하기 위해서는 모멘트 M과 곡률 Φ의 관계를 알아야 한다. 이 둘의 관계를 그래프로 나타낸 것이 M-Φ 상관도이다. M-Φ 상관도에서는 다음의 점들에 주목하여야 한다.

인장부 콘크리트 균열 발생점
철근 항복점
압축부 콘크리트의 압축파괴점

콘크리트와 철근이라는 두 가지 다른 재료가 함께 작용할 수 있는 이유는 다음과 같다.

(1) 보강재는 콘크리트에 잘 부착될 수 있으므로, 외부 하중에 공동으로 저항하고 변형될 수 있다.

(2) 콘크리트와 철근의 열팽창 계수가 매우 유사하다. (콘크리트: ~ , 철근: ) 따라서 열응력으로 인한 두 구성 요소 간의 부착 손상을 방지할 수 있다.

(3) 콘크리트는 매립된 철근을 부식 및 고온에 의한 연화로부터 보호할 수 있다.

PC 콘크리트(Prestressed concrete)는 콘크리트 보의 내하력을 크게 증가시키는 기술이다. 보의 하부에 위치하여 사용 중 인장력을 받게 될 철근을 콘크리트를 타설하기 전에 미리 인장시킨다. 콘크리트가 경화되면 철근의 인장력이 해제되면서 콘크리트에 내부 압축력이 작용한다. 하중이 가해지면 철근은 더 많은 응력을 받고 콘크리트의 압축력은 감소하지만 인장력으로 바뀌지는 않는다. 콘크리트는 항상 압축 상태를 유지하므로 균열 및 파괴에 대한 저항성이 높아진다.^[37]

5. 2. M-Φ 상관도 계산 방법

훅 법칙에 따르면, 변형률을 이용해 각 부분의 응력을 구할 수 있다. 변형률 ε을 중립축 깊이 c와 곡률 Φ로 나타내기 위해 삼각함수를 쓸 수 있다.

:

\tan \phi = \frac{\epsilon_{cc}}{c}

실제 철근 콘크리트 보에 하중이 가해지더라도, 눈에 보이는 곡률은 아주 미소하다.(

\phi \approx 0

) 따라서 탄젠트 없이 Φ로만 쓰더라도 값은 차이가 없다.

:

\phi = \frac{\epsilon_{cc}}{c}

이런 원리로, 각 부분이 받는 응력 f를 다음 식으로 표현 가능하다.

:

f_{cc} = E_c \epsilon_{cc} = E_c \phi c

:

f_{ct} = E_c \epsilon_{ct} = E_c \phi (h - c)

:

f_s = E_s \epsilon_s = E_s \phi (d-c)

각 부분이 받는 하중을 계산하고, 힘의 평형을 이용하여 중립축 거리 c를 구한다.

:

N_{cc} = \frac 12 f_{cc} bc = \frac 12 E_c \phi c^2 b

:

N_{ct} = \frac 12 f_{ct} (h-c)b = \frac 12 E_c \phi (h-c)^2 b

:

N_s = A_s f_s = A_s E_s \phi (d-c)

E_c : 콘크리트의 탄성 계수
E_s : 철근의 탄성 계수(=200,000MPa)
A_s : 철근의 단면적

콘크리트 탄성계수는 아래 식으로 구한다.

:

E_c = 8500 \sqrt[3]{f_{cu}} (MPa)

$f_{cu} = f_{ck} + \Delta f$
* f_ck : 콘크리트의 설계기준 압축강도
* $f_{ck} \leq 40MPa$ 이면 $\Delta f = 4MPa$
* $f_{ck} \geq 60MPa$ 이면 $\Delta f = 6MPa$
* 사이는 직선 보간.

N_{cc} - N_{ct} - N_s = 0

임을 이용하면 콘크리트 보의 단면 치수, 철근의 단면적 등을 안다고 할 때, 미지수는 c뿐이므로 이차방정식의 해를 구하여 c를 계산가능하다. c를 구하면 변형률 ε, 응력 f, 하중 N을 전부 계산 가능하다. 계산하여 나오는 N_cc, N_ct, N_s가 평형을 이루는지 확인하여 검산할 수 있다.

N까지 구했다면, 균열 발생 시 모멘트 M_cr을 구할 수 있다. 모멘트의 합력을 이용한다.

:

M_{cr} + N_{cc} \times \frac c3 = N_{ct} \left[ c + \frac 23 (h-c) \right] + N_s \cdot d

균열 발생 시 곡률 역시 변형률도를 통해 구할 수 있다.

:

\phi_{cr} = \frac{\epsilon_{cc}}{c}

균열 이후에는 인장부 콘크리트에 변형은 있지만, 인장력은 전혀 받지 못하는 것으로 한다. 따라서 인장부에서는 철근에 대해서만 계산해주면 된다. 또한 압축부 콘크리트는 원래 압축응력이 곡선형태로 나타나지만, 계산의 편의 상 곡선으로 했을 때의 압축력과 동일한 압축력을 동일 작용점에 받도록 직사각형 응력분포로 계산한다. 이때의 응력분포를 '등가직사각형 응력분포'라고 한다.

균열시까지의 거동과 마찬가지로 중립축 c부터 구해준다. 여기서는 인장부 콘크리트가 받는 응력이 무시되므로 N_ct = 0이다. N_cc = C, N_s = T로 쓰면

:C = T

:

\alpha f_{ck} \beta c b = A_s f_s

여기서 α, β는 곡선응력을 직사각형 응력분포로 만들어주기 위해 곱하는 계수로, 다음 표와 같다.


ε_cc	0.0005	0.001	0.002	0.003	0.004
α	0.335	0.592	0.888	0.900	0.667
β	0.682	0.700	0.750	0.835	1.000

C = T 식에서 ε_cc별로 중립축 계산, M, Φ 계산이 이루어진다. 이때 임의의 ε_cc에 대해 철근의 항복 여부를 모르기 때문에 철근 항복 여부를 가정한 뒤 c 계산, 항복 가정 검토를 거쳐야 한다. 표에 주어진 ε_cc에 대해서 각각 M, Φ를 계산해주고, 철근이 항복할 때의 ε_cc도 계산을 통해 찾고, M, Φ값을 알아둔다. 여기에는 반복적인 계산이 필요하지만, 구체적인 과정은 생략한다.

: $M = A_s f_s \left( d - \frac a2 \right)$

f_s : 철근의 응력. 항복점 이후에 대해서는 f_y(철근의 항복강도)를 사용

Φ의 계산은 변형률도를 이용한다.

이상이 정밀식을 이용한 단철근 보의 휨 거동을 알아보는 과정이다.

6. 파괴 메커니즘

콘크리트 부재의 균열은 거의 피할 수 없지만, 적절한 보강재, 줄눈, 양생 방법 및 콘크리트 배합 설계를 통해 균열의 크기와 위치를 제어할 수 있다. 균열은 수분이 침투하여 보강재를 부식시킬 수 있으며, 이는 사용성에 대한 극한상태설계에서의 파괴에 해당한다. 균열은 일반적으로 철근의 양이 부족하거나 철근 간 간격이 너무 넓어서 발생하며, 과도한 하중이나 양생 중 초기 열 수축과 같은 내부적 영향으로 인해 발생하기도 한다.

압축 응력이 강도를 초과하면 콘크리트가 파쇄되고, 굽힘 또는 전단 응력이 보강재의 강도를 초과하면 철근이 항복하거나 파괴된다. 콘크리트와 철근 사이의 부착력이 파괴될 경우에도 붕괴가 발생할 수 있다.^[38]

철근 콘크리트의 주요 파괴 메커니즘은 다음과 같다:

굽힘 인장 파괴: 굽힘 모멘트 작용 시 인장 측 철근이 항복하여 파괴되는 현상.
굽힘 압축 파괴: 굽힘 모멘트 작용 시 압축 측 콘크리트가 파괴되는 현상. 철근량이 매우 많을 때 발생.
피로 파괴: 반복 하중에 의해 국부적인 균열이 발생하고 성장하여 파괴되는 현상.

굽힘 파괴 방지 철근은 주철근, 전단 파괴 방지 철근은 전단 보강 철근이라고 한다. 보의 전단 보강 철근은 늑근 또는 스터럽, 기둥의 전단 보강 철근은 띠철근 또는 후프라고도 한다. 주철근은 부재의 긴 방향으로, 전단 보강 철근은 수직으로 배치된다. 보는 보통 하중이 위에서 작용하므로 주철근이 상하단에, 기둥은 지진 등 다양한 방향의 외력에 대비하여 사변 모두에 배치된다.

6. 1. 굽힘 파괴

b) 단철근 보의 응력분포 변화. IIa까지는 인장부 콘크리트가 응력을 받다가, IIb부터는 전혀 받지 못한다. 또한 IIb부터는 콘크리트의 응력이 선형 구간을 지나서 곡선형태로 변화한다. 계산을 위해서 곡선부 응력분포를 직사각형으로 만들어주는데, 이때 α, β가 쓰인다.

철근 콘크리트 부재는 굽힘 모멘트에 의해 파괴될 수 있으며, 이는 인장 측 철근의 항복(굽힘 인장 파괴)이나 압축 측 콘크리트의 파괴(굽힘 압축 파괴)로 인해 발생한다.

균열 이후, 인장부 콘크리트는 변형은 있지만 인장력을 전혀 받지 못하는 것으로 간주한다. 따라서 인장부에서는 철근만 계산한다. 압축부 콘크리트는 압축응력이 곡선 형태로 나타나지만, 계산 편의상 곡선 형태의 압축력과 동일한 크기의 압축력을 동일 작용점에 받는 직사각형 응력분포로 계산한다. 이를 '등가직사각형 응력분포'라고 한다.

중립축 c는 다음 식으로 계산한다.

: C = T

:

\alpha f_{ck} \beta c b = A_s f_s

여기서 α, β는 곡선 응력을 직사각형 응력분포로 만들기 위한 계수로, 다음 표와 같다.


ε_cc	0.0005	0.001	0.002	0.003	0.004
α	0.335	0.592	0.888	0.900	0.667
β	0.682	0.700	0.750	0.835	1.000

C = T 식에서 ε_cc별로 중립축, 굽힘 모멘트(M), 곡률(Φ)을 계산한다. 이때 임의의 ε_cc에서 철근의 항복 여부를 모르므로, 철근 항복을 가정한 뒤 c를 계산하고 항복 가정을 검토한다.

굽힘 모멘트(M)는 다음과 같이 계산한다.

: $M = A_s f_s \left( d - \frac a2 \right)$

f_s : 철근의 응력. 항복점 이후에는 f_y(철근의 항복강도)를 사용

곡률(Φ)은 변형률도를 이용하여 계산한다.

철근 콘크리트의 굽힘 파괴에는 굽힘 인장 파괴와 굽힘 압축 파괴가 있다.

굽힘 인장 파괴: 콘크리트 부재에 굽힘 모멘트가 작용할 때, 인장측 철근이 항복하여 부재가 파괴되는 현상이다.
굽힘 압축 파괴: 콘크리트 부재에 굽힘 모멘트가 작용할 때, 압축측 콘크리트가 파괴되어 부재가 파괴되는 현상이다. 철근량이 매우 많을 때 발생한다.

6. 2. 전단 파괴

콘크리트 부재에 전단력이 작용할 때, 전단 저항력에 도달하여 파괴되는 모드이다. 전단 파괴는 매우 취성적인 파괴이므로 반드시 방지해야 한다.^[38]

전단 파괴를 방지하기 위한 철근을 전단 보강 철근이라고 한다. 보의 전단 보강 철근을 늑근 또는 스터럽이라고 부른다. 전단 보강 철근은 주철근에 수직으로 고정된다.

6. 3. 부착 파괴

철근 콘크리트에는 굽힘 인장 파괴, 굽힘 압축 파괴, 전단 파괴, 부착 균열 파괴, 피로 파괴 등 다양한 파괴 유형이 있다.^[38] 부착 균열 파괴는 철근의 인장으로 인해 철근을 따라 균열이 발생하고, 이것이 점차 커져서 부재가 파괴되는 현상이다. 주로 이형 철근이 인장에 견디지 못할 때 발생한다.

6. 4. 피로 파괴

반복적인 하중 작용으로 인해 철근이나 콘크리트에 피로 균열이 발생하고, 이 균열이 점차 성장하여 최종적으로 파괴에 이르는 현상이다.^[38]

6. 5. 기타 파괴

콘크리트에 박은 앵커가 인장력에 의해 뽑히면서 원뿔 형태(콘형)로 파괴되는 것을 콘형 파괴라고 한다.^[38]

7. 내구성

철근 콘크리트는 시간이 지남에 따라 열화되어 결국 강도를 잃게 되는데, 주요 원인으로는 중성화, 염해, 동해, 알칼리골재반응이 있다.^[48]

철은 공기 중에 노출되면 산소와 결합하여 산화, 즉 녹이 발생한다. 이로 인해 철근 단면적이 부식되어 강도가 저하된다. 그러나 콘크리트 속 시멘트는 알칼리성이 강해 철근 콘크리트 내 철근은 부동태화되어 부식되지 않고 성능을 유지한다.

하지만 여러 요인에 의해 철근 콘크리트의 내구성이 저하될 수 있다.

중성화: 공기 중 이산화탄소로 인해 콘크리트 성분인 수산화칼슘이 탄산칼슘으로 변화하는 현상이다. 콘크리트 자체 강도는 크게 영향받지 않지만, 내부 철근이 중성화되면 부식이 진행된다. 콘크리트의 알칼리성이 약해지면 철근이 녹슬기 시작하고, 팽창된 녹은 콘크리트를 박락시켜 중성화를 가속화한다.^[48]^[49]^[47]^[50] 중성화 속도는 이산화탄소 농도와 온도에 비례하고, 콘크리트 수분량에 반비례한다. 따라서 건축물 실내에서 중성화가 빠르며, 수중이나 지중 구조물에서는 느리게 진행된다.^[48]
염해: 콘크리트에 염화물 이온이 과다하게 포함되어 발생하는 현상이다.^[48] 바다에서 채취한 모래를 사용하거나, 해안 지역의 염분, 제설제 등이 원인이다.^[48] 염해는 콘크리트 내부에서 진행되므로 내구성에 큰 영향을 미친다. 과거 탈염 불충분한 건축물은 사회 문제를 야기하기도 했다.^[48] 나가사키현 사세보시 우쿠시마의 우쿠 나가사키하나 등대는 1959년 해수 혼합 콘크리트로 건설되었으나 50년 이상 사용되고 있다.^[51]
동해: 습하고 추운 환경에서 제설용 염 등에 노출되어 발생하며, 내식성 철근(무도장 저탄소/크롬, 에폭시 코팅, 용융 아연 도금, 스테인리스강 철근) 사용으로 대응할 수 있다.

각 문제에 대한 자세한 내용은 하위 섹션을 참조.

7. 1. 중성화

탄산화 또는 중성화는 공기 중의 이산화탄소가 콘크리트 내부로 침투하여 콘크리트의 알칼리성을 저하시키는 현상이다. 이는 콘크리트 내의 수산화칼슘 및 수화된 규산칼슘과의 화학 반응으로 발생한다.^[48] 콘크리트 자체의 강도는 중성화에 의해 크게 저하되지는 않지만, 내부 철근은 중성화로 인해 부식이 진행된다.^[48]

콘크리트 속 철근은 높은 알칼리성 환경에서 부동태화되어 부식되지 않고 성능을 유지한다. 그러나 시간이 지남에 따라 콘크리트의 알칼리성이 약해져 중성화되면 철근이 녹슬기 시작한다. 녹슨 철근은 팽창하여 콘크리트가 박락되고, 이로 인해 중성화가 더욱 진행된다.^[48]^[49]^[47]^[50]

중성화 속도는 주변 환경에 따라 달라진다. 이산화탄소 농도와 온도가 높으면 중성화가 빨라지고, 콘크리트 수분이 많으면 중성화 진행이 억제된다. 따라서 건축물 실내가 중성화가 더 빨리 진행되고, 수중이나 지중 구조물에서는 중성화가 거의 진행되지 않는다.^[48]

구조물의 탄산화(중성화)를 시험하는 방법은 표면에 구멍을 드릴로 뚫고 페놀프탈레인 지시약 용액을 처리하는 것이다. 이 용액은 알칼리성 콘크리트와 접촉하면 분홍색으로 변하여 탄산화 깊이를 확인할 수 있다.
대책

콘크리트 표면부터 철근까지의 피복두께를 크게 하여 중성화가 철근에 도달하는 시간을 늦춘다.^[48]
물-시멘트 비율을 낮춰 중성화를 늦춘다. (물을 적게, 시멘트를 많이)^[48]
콘크리트 표면에 보호 도장이나 타일을 시공하여 중성화를 늦춘다.^[48]
인산아연으로 철근을 코팅한다.^[33]
부식 억제제 (예: 아질산칼슘)를 콘크리트 혼합물에 첨가한다.
내식성 철근(예: 무도장 저탄소/크롬, 에폭시 코팅, 용융 아연 도금, 스테인리스강 철근)을 사용한다.

7. 2. 염해

염해는 콘크리트 내부에 염화물 이온이 침투하여 철근을 부식시키는 현상이다. 염화물 이온은 강재 보강재의 국부 부식(피팅 부식)과 일반 부식을 모두 유발한다.^[33] 염해의 주요 원인으로는 해수, 제설제, 해풍 등이 있으며, 콘크리트 재료 자체에 염화물 이온이 포함된 경우에도 발생한다.^[48]

특히 콘크리트 내부 염화물 이온에 의한 염해는 공기 중 이산화탄소에 의한 중성화와 달리, 내부에서 부식이 진행되기 때문에 철근 콘크리트의 내구성에 큰 영향을 미친다.^[48] 고도 경제 성장기에는 탈염이 불충분한 상태로 건설된 건축물이 많아 사회 문제가 되기도 했다.^[48] 나가사키현 사세보시 우쿠시마에 위치한 우쿠 나가사키하나 등대는 1959년에 해수 혼합 콘크리트를 사용한 철근 콘크리트로 건설되었지만, 50년 이상 지난 후에도 여전히 사용 중이다.^[51]

과거에는 염화칼슘을 콘크리트 초기 강도 발현을 촉진하는 혼화제로 사용하기도 했지만, 염화물의 해로운 영향이 알려지면서 이러한 관행은 사라졌다. 도로 제빙에 사용되는 염은 철근 콘크리트 교량 상판, 도로, 주차장 등의 조기 파손의 주요 원인 중 하나이다. 에폭시 코팅 철근, 음극방식보호, FRP(섬유강화폴리머) 철근 등을 사용하여 이 문제를 완화할 수 있다.

바닷물 역시 염화물 이온의 주요 공급원이다. 바닷물에는 약 3.5%의 염분이 포함되어 있으며, 이 염들은 물 속에서 자유 이온으로 해리되어 콘크리트의 모세관으로 이동한다. 이 중 염화물 이온은 탄소강 철근 부식의 주요 원인이다.

1960년대와 1970년대에는 염화물이 풍부한 탄산염 광물인 마그네사이트를 바닥 마감재로 사용하기도 했다. 그러나 마그네사이트가 수분과 접촉하면 약한 염산 용액을 생성하여 매립된 철근의 부식을 유발한다는 사실이 밝혀졌다.
염해 대책:

내식성 철근 사용: 무도장 저탄소/크롬(마이크로 복합), 에폭시 코팅, 용융 아연 도금, 스테인리스강 철근 등
인산아연 코팅: 철근을 인산아연으로 코팅하여 하이드록시아파타이트 층을 형성, 부식 방지.^[33]
투과성 실란트 사용: 콘크리트 경화 후 투과성 실란트를 적용하여 염화물 이온 침투 방지. 실란트에는 페인트, 플라스틱 폼, 필름, 알루미늄 호일, 타르로 밀봉된 펠트 또는 직물 매트, 벤토나이트 점토 층 등이 있다.
부식 억제제 사용: 콘크리트 타설 전 물 혼합물에 아질산칼슘 [Ca(NO₂)₂]과 같은 부식 억제제를 첨가. 아질산 이온은 철근 표면의 제1철 이온(Fe²⁺)을 산화시켜 수산화제2철(Fe(OH)₃)로 침전시켜 부식을 방지한다.

7. 3. 동해

습하고 추운 기후에서 철근 콘크리트는 제설용 염에 노출될 수 있어 부식에 취약해진다. 따라서 도로, 교량, 주차 시설 등에는 내식성 철근을 사용하는 것이 좋다. 이러한 내식성 철근에는 무도장 저탄소/크롬, 에폭시 코팅, 용융 아연 도금, 스테인리스강 철근 등이 있다.^[33]

내식성 철근의 종류와 특징
종류	특징
무도장 저탄소/크롬 철근	코팅이 없어 표준 탄소강 철근과 비슷하게 보이지만, 강철 미세구조에 높은 내식성을 가진다. 매끄럽고 어두운 숯 색상 마감과 ASTM 규격 제조 표시로 식별할 수 있다.
에폭시 코팅 철근	에폭시 코팅의 연한 녹색으로 쉽게 식별할 수 있다.
용융 아연 도금 철근	노출 기간에 따라 밝거나 칙칙한 회색을 띨 수 있다.
스테인리스 철근	탄소강 철근과 쉽게 구분되는 전형적인 흰색 금속 광택을 나타낸다.

관련 ASTM 표준 규격으로는 A1035/A1035M, A767, A775, A955 등이 있다.^[33]

철근을 보호하는 또 다른 방법으로는 인산아연 코팅이 있다.^[33] 인산아연은 시멘트 기공수에 존재하는 칼슘 양이온, 수산화 이온과 반응하여 안정적인 하이드록시아파타이트 층을 형성한다.^[33]

투과성 실란트도 보호 방법으로 사용될 수 있는데, 여기에는 페인트, 플라스틱 폼, 필름, 알루미늄 호일, 타르로 밀봉된 펠트 또는 직물 매트, 벤토나이트 점토 층 등이 있다.

부식 억제제를 콘크리트 타설 전 물 혼합물에 첨가할 수도 있다. 아질산칼슘 [Ca(NO₂)₂]이 대표적인 예시이며, 일반적으로 시멘트 무게의 1~2wt.% 정도가 필요하다. 아질산 이온은 부식되는 강철 표면의 제1철 이온(Fe²⁺)을 산화시켜 불용성 수산화제2철(Fe(OH)₃)로 침전시켜 강철의 부동태화를 유도한다.^[33]

8. 재료

철근 콘크리트는 주로 콘크리트와 철근으로 구성되며, 필요에 따라 기타 재료가 사용될 수 있다.

콘크리트는 골재, 포틀랜드 시멘트, 물을 혼합하여 만든다. 콘크리트는 압축에는 강하지만 인장에는 약하기 때문에, 인장 강도가 높은 철근을 사용하여 보강한다.

철근은 일반적으로 원형 단면의 봉 형태이며, 표면에 리브(마디)가 있는 이형 철근이 주로 사용된다. 철근은 콘크리트 내에서 인장 응력을 받아 구조물의 균열 및 파괴를 방지한다. 철근은 높은 강도, 인장 변형 허용치, 콘크리트와의 우수한 결합, 열적 적합성, 내구성 등의 특성을 가져야 한다.

콘크리트와 철근은 다음과 같은 세 가지 물리적 특성으로 인해 함께 사용될 때 특별한 성능을 발휘한다.

# 콘크리트의 열팽창 계수는 강철과 유사하여 온도 변화에 따른 내부 응력 발생이 적다.

# 콘크리트 내 시멘트 페이스트가 경화되면 강철 표면과 결합하여 응력을 효과적으로 전달한다.

# 경화된 시멘트 페이스트의 알칼리성 환경은 강철 표면에 부동태 피막을 형성하여 부식을 방지한다.

하지만 콘크리트의 탄산화와 염화물 유입은 콘크리트 내 철근 부식의 주요 원인이 될 수 있다.^[31]

숏크리트에는 섬유 보강이 주로 사용되지만, 일반 콘크리트에도 사용될 수 있다. 강철, 유리, 플라스틱 섬유, 셀룰로오스 폴리머 섬유 등이 사용되며, 섬유의 모양, 치수, 길이에 따라 콘크리트의 성능에 미치는 영향이 달라진다.

8. 1. 콘크리트

콘크리트는 거친 골재(돌이나 벽돌 조각)와 고운 골재(일반적으로 모래 및/또는 부순 돌)를 포틀랜드 시멘트 결합재와 물의 페이스트와 혼합한 것이다.^[29]^[30] 시멘트를 소량의 물과 섞으면 수화 반응을 일으켜 미세한 불투명한 결정 격자를 형성하고, 이것이 골재를 단단한 형태로 감싸서 고정시킨다. 콘크리트 제조에 사용되는 골재는 유기 불순물, 미사, 점토, 갈탄 등의 유해 물질이 없어야 한다. 일반적인 콘크리트 혼합물은 높은 압축 강도(약 4000psi)를 가지지만, 어느 정도의 인장력(예: 굽힘으로 인한)은 미세한 단단한 격자를 파괴하여 콘크리트의 균열 및 분리를 초래한다. 이러한 이유로 일반적인 비철근 콘크리트는 인장력의 발생을 방지하기 위해 잘 지지되어야 한다.

강철과 같이 인장 강도가 높은 재료를 콘크리트에 배치하면, 복합 재료인 철근 콘크리트는 압축뿐만 아니라 굽힘 및 기타 직접적인 인장 작용에도 저항한다. 콘크리트가 압축에 저항하고 철근이 인장에 저항하는 복합 단면은 건설 산업에 거의 모든 형태와 크기로 만들 수 있다.

철근이 인장대에 정착될 때 실제 부착응력은 철근 길이에 따라 달라지므로, 현재 국제 규격에서는 부착응력보다는 정착길이 개념을 사용한다. 부착파괴에 대한 안전을 위한 주요 요구사항은 철근이 항복응력을 발휘해야 하는 지점을 넘어 충분한 철근 연장 길이를 확보하는 것이며, 이 길이는 최소한 정착길이와 같아야 한다. 그러나 실제 사용 가능한 길이가 완전한 정착에 불충분한 경우, 톱니 또는 갈고리 또는 기계식 단부판과 같은 특수 정착장치를 설치해야 한다. 이와 같은 개념은 규격에 언급된 랩 스플라이스 길이^[32]에도 적용되는데, 이는 스플라이스 영역에서 필요한 응력 연속성을 유지하기 위해 인접한 두 개의 철근 사이에 이음(겹침)을 제공하는 경우이다.

8. 2. 철근

콘크리트는 인장 강도가 약하기 때문에 이를 보강하기 위해 강재를 사용한다. 일반적으로 철근은 원형 단면의 봉 형태로, 표면에 리브(마디)가 있는 이형 철근이 주로 사용된다. 철근 콘크리트 보강의 목적은 콘크리트의 특정 영역에서 발생할 수 있는 인장 응력으로 인한 균열 및 구조적 파괴를 방지하는 것이다.^[28]

철근은 다음과 같은 특성을 가져야 한다.

높은 상대적 강도
높은 인장 변형 허용치
pH, 수분 등에 관계없이 콘크리트와의 우수한 결합
온도 변화에 따른 부적절한 응력을 발생시키지 않는 열적 적합성
콘크리트 환경에서의 내구성

철근 콘크리트는 다음과 같은 세 가지 물리적 특성으로 인해 특별한 성능을 발휘한다.

# 콘크리트의 열팽창 계수는 강철과 유사하여 열팽창 또는 수축으로 인한 큰 내부 응력이 발생하지 않는다.

# 콘크리트 내 시멘트 페이스트가 경화되면 강철 표면과 결합하여 응력을 효과적으로 전달한다. 일반적으로 강철 막대는 거칠거나 골이 지도록 가공하여 콘크리트와 강철 사이의 결합을 향상시킨다.

# 경화된 시멘트 페이스트의 알칼리성 환경은 강철 표면에 부동태 피막을 형성하여 부식에 강하게 만든다.

하지만 콘크리트의 탄산화와 염화물 유입은 콘크리트 내 철근 파손의 주요 원인 중 하나이다.^[31] 강철은 pH가 ~11보다 높으면 보호되지만, 콘크리트가 탄산화되면 pH가 ~10 이하로 떨어져 부식되기 시작한다.

일반적인 철근 콘크리트에 필요한 강철의 상대적인 단면 면적은 매우 작으며, 대부분의 보와 슬래브에서는 1%, 일부 기둥에서는 6% 정도이다. 철근은 일반적으로 원형 단면이며 직경이 다양하다.

8. 3. 기타 재료

섬유 보강은 주로 숏크리트에 사용되지만 일반 콘크리트에도 사용될 수 있다. 섬유 보강 일반 콘크리트는 대부분 지상 바닥 및 포장에 사용되지만, 단독으로 또는 수작업으로 묶은 철근과 함께 다양한 건축 부재(보, 기둥, 기초 등)에도 사용될 수 있다.^[42]

섬유(일반적으로 강철, 유리, 플라스틱 섬유) 또는 셀룰로오스 폴리머 섬유로 보강된 콘크리트는 수작업으로 묶은 철근보다 저렴하다. 섬유의 모양, 치수 및 길이는 중요하다. 예를 들어 짧고 머리카락 모양의 유리 섬유와 같이 얇고 짧은 섬유는 콘크리트를 타설한 후 처음 몇 시간 동안에만 효과적이다. 그러나 콘크리트의 인장 강도를 증가시키지는 않는다. 유럽 숏크리트용 일반 크기 섬유(직경 1mm, 길이 45mm—강철 또는 플라스틱)는 콘크리트의 인장 강도를 증가시킨다. 섬유 보강은 대부분 주요 철근을 보완하거나 부분적으로 대체하는 데 사용되며, 경우에 따라 철근을 완전히 대체하도록 설계될 수 있다.^[42]

강철은 일반적으로 사용 가능한 섬유 중 가장 강하며, 다양한 길이(유럽에서는 30mm~80mm)와 모양(후크형 끝단)으로 제공된다. 강철 섬유는 부식 및 녹 얼룩을 견딜 수 있거나 피할 수 있는 표면에만 사용할 수 있다. 경우에 따라 강철 섬유 표면은 다른 재료로 마감된다.

유리 섬유는 저렴하고 부식 방지 기능이 있지만 강철만큼 연성이 높지 않다. 최근 동유럽에서 오랫동안 사용되어 온 방사형 현무암 섬유가 미국과 서유럽에서도 사용 가능해졌다. 현무암 섬유는 유리보다 강하고 저렴하지만, 역사적으로 포틀랜드 시멘트의 알칼리성 환경에 충분히 저항하지 못하여 직접 보강재로 사용되지 못했다. 새로운 재료는 플라스틱 바인더를 사용하여 현무암 섬유를 시멘트로부터 분리한다.

고급 섬유는 흑연 강화 플라스틱 섬유이며, 강철만큼 강하고 무게가 가볍고 부식 방지 기능이 있다. 탄소 나노튜브를 사용한 일부 실험에서 초기 결과가 유망했지만, 이 재료는 여전히 건물에 사용하기에는 너무 비싸다.

9. 비철(非鐵) 보강

철근 대신 유리 섬유, 탄소 섬유, 아라미드 섬유 등 비철 재료를 사용하여 콘크리트를 보강하는 방법이다. 비철 보강은 철근의 부식 문제를 해결할 수 있어, 염해 환경이나 자기장 발생 환경 등 특수한 조건에서 유리하다. 하지만 비철 보강재는 철근에 비해 강성, 내화성 등이 낮아 설계 및 시공에 주의해야 한다.^[43]^[44]

비철강 보강 콘크리트의 도입은 비교적 최근의 일이며, 크게 두 가지 형태가 있다. 비금속 철근 봉과 시멘트 매트릭스에 포함된 비철강(대개 비금속) 섬유이다. 예를 들어, 유리섬유 보강 콘크리트(GFRC)와 콘크리트에 포함된 폴리머 섬유의 다양한 응용 분야에 대한 관심이 높아지고 있다.

섬유강화 플라스틱/폴리머(FRP) 및 유리섬유강화플라스틱](GRP)]는

10. 현대적 응용

강판 구조에서는 스트링거(stringer)가 평행한 강판들을 연결한다. 강판 조립체는 현장 밖에서 제작되어 현장에서 용접하여 스트링거로 연결된 강벽을 형성한다. 이 벽은 콘크리트를 타설하는 거푸집이 된다. 강판 구조는 철근을 묶고 거푸집을 짓는 시간이 많이 걸리는 현장 수작업 단계를 생략하여 철근 콘크리트 공사 속도를 높인다. 강재가 인장력이 가장 큰 외부에 위치하기 때문에 우수한 강도를 발휘한다.^[1]

참조

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