사용하중에서의 균열과 종류(1) - 인장 균열, 휨 균열, 전단 균열, 비틀림 균열, 부착 균열, 파열 균열

안녕하세요. 윈트입니다.

오늘은 콘크리트의 균열과 종류에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

사용하중 하에서의 균열(Control of Cracking under Service Loads)

 

콘크리트는 인장강도가 낮으므로 균열이 발생하는 것을 피할 수는 없다. 일반적으로 설계과정에서 콘크리트의 인장 저항력은 무시하며, 사용하중이 작용할 때 철근의 응력이 낮도록 설계한 구조물은 미세한 균열을 일으키더라도 요구되는 기능에는 이상이 없을 것이다. 일반적으로 사용하중 전체가 작용하지도 않을뿐더러 콘크리트가 인장강도를 갖고 있으므로 식별할 수 있는 균열은 거의 나타나지 않게 된다. 그러나 고강도 철근을 사용해서 사용하중이 작용할 때 큰 철근의 응력이 발휘되기 위해서는 변형률이 높아야 하므로 사용하중 하에서도 균열이 나타나는 것을 예상하여야 한다. 철근콘크리트 구조물에 사용하중이 작용할 때 균열의 폭이 0.25 mm~0.38 mm 이상이 되지 않아야 외관상 보기 나쁘지 않을 뿐만 아니라, 콘크리트의 높은 알칼리성(alkalinity (중성화로 부식방지 성질이 손상)을 보호하여 철근의 부식도 방지할 수 있을 것이다.

콘크리트에 균열을 일으키는 2가지 근본 원인은 ① 작용하중에 의한 응력과 ② 구속된 조건에서 건조수축(shrinkage)이나 온도변화(temperature differentials)에 의한 응력과 부등침하(differential settlements) 때문에 발생한다.

 

 

균열의 종류(Types of Cracks)

하중, 모멘트, 전단력에 의해서 발생하는 인장응력 때문에 부재는 그림에 보는 바와 같이 각각 특징적인 균열이 발생한다. 직접 인장하중이 작용하는 부재는 전체 단면에 걸쳐서 균열이 발생하고, 그림 (a)와 같이 균열의 간격은 대략 부재 최소두께의 0.75~2.0배가 된다.

그림 (b-1)과 (b-2)와 같이 부재에 휨 모멘트가 작용하면 휨 균열이 발생한다. 이 연직 균열들은 거의 변형률이 0인 중립축까지 전진하게 된다. 깊이가 900mm~1,200mm의 깊은 보에서는 철근의 위치에서는 상대적으로 간격이 좁은 균열이 발생하지만 그림 (b-2)에 보는 바와 같이 주철근을 지나서는 몇 개의 균열이 서로 모이거나 사라져 버리면서 A 균열의 폭이 보통 B 균열의 폭보다 넓게 된다.

그림 (c)에는 전형적인 경사진 전단균열을 보여주고 있다. 이런 경사 균열은 일반적으로 중립축까지 연장되지만 때때로는 압축영역을 침범하는 때도 발생한다. 비틀림 균열도 전단균열과 비슷한데, 순수 비틀림에서는 보의 축을 따라 나선형으로 경사 균열이 발생하게 된다. 전단과 휨 모멘트가 동시에 작용하게 되면 전단에 의한 전단응력과 비틀림에 의한 전단응력이 서로 더해지는 면에서는 균열이 뚜렷하게 나타나지만, 그 반대인 면의 경우에는 균열이 미미하거나 거의 나타나지 않게 된다.

그림 (e)와 같이 부착응력이 보강철근을 따라 쪼갬 균열(splitting crack)을 발생시킨다. 집중하중이 작용할 때는 그림 (f)와 같이 파열 균열(bursting crack)을 발생시킨다. 이러한 형태의 균열은 지압 영역이나 스트럿-타이 모델의 스트럿에서 발생하며 이런 형태의 스트럿을 병 모양 스트럿(bottle-shaped strut)이라고 부른다.