철근 콘크리트 구조물과 보강철근의 역할

안녕하세요 

오늘은 철근 콘크리트구조물과 보강철근의 역할에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

철근 콘크리트 구조물

 구조물을 건설하는데 가장 보편적으로 사용되는 재료로는 나무와 석재, 강재(steel) 그리고 철근 콘크리트(reinforced concrete)를 들 수가 있으며, 근래에 와서 알루미늄이나 플라스틱과 같은 경량 재료도 사용되고 있다. 철근 콘크리트는 서로 성질이 다른 두 재료 즉, 보강 강재(reinforcing bar)와 콘크리트를 동시에 사용하기 때문에 한 가지 재료만 사용하는 설계에 비해서 구조물의 설계를 지배하는 원리는 여러 방향에서 다르게 된다.

 철근 콘크리트를 사용해서 건설되는 구조물에는 건축물, 교량, 육교, 옹벽, 터널, 댐, 수로, 탑 등의 다양한 구조물이 있다. 축 하중이나 휨 모멘트, 전단력, 비틀림 모멘트 그리고 이러한 외력이 복합적으로 작용하는 철근 콘크리트 구조물의 해석과 설계에 대한 기본원리를 다루게 된다. 부재의 길이와 외력들이 어떻게 얼마나 작용하는지를 알게 되면 이러한 설계원리는 기본적으로 어떤 구조물의 설계에도 적용할 수 있다. 비록 해석(analysis)과 설계(design)가 각각 다루어지지만, 일반적으로 부정정 구조물인 철근 콘크리트 부재에서 이를 서로 구분하기는 불가능하다. 최종 설계를 하기 전에 앞서 기본설계에서 상대적인 부재의 크기를 가정하여야 하므로 해석과 설계의 관계는 오히려 시도(trial), 판단(judgment)과 경험(experience)의 문제가 된다.

 

 철근 콘크리트는 압축강도는 높지만, 인장강도는 낮은 콘크리트(plain concrete)의 콘크리트 속에 매립되어 콘크리트가 부족한 인장강도를 보충하는 보강철근(reinforcing steel bar)의 합리적인 결합체라고 볼 수 있다. 보강철근을 배치하지 않은 콘크리트 보는 압축강도에 비해서 대략 1/10밖에 안 되는 인장강도로 인해서 하중이 작용하면 균열이 발생하면서 갑작스러운 붕괴 파괴(sudden fracture failure)가 일어나게 된다. 그러나 인장영역에 보강철근을 배치하게 되면 콘크리트에 균열이 발생해도 철근이 인장력에 저항하여 보의 강도를 상당히 증가시켜서 보는 구조체로서 상대적으로 큰 하중을 지지할 수 있게 된다. 보강철근이 인장력뿐만 아니라 압축력에도 저항하므로 보강철근은 기둥과 같은 압축부재나 보의 압축영역에도 배치될 수 있다.

 복합적으로 저항하는 재료(composite-resistant material)인 철근 콘크리트는 보강철근과 같은 요소들이 어떻게 배치되느냐에 따라 커다란 영향을 받게 된다. 예를 들어서 보의 경우에 철근이 보의 바닥 부근이 아닌 보의 상부에 배치되었다면 철근이 인장력에 저항하지 못하게 되어 보강재의 역할을 하지 못하므로 철근 콘크리트라고 볼 수 없을 것이다.

 철근과 콘크리트는 아래와 같은 이유에 의해서 구조체로서 일체로 거동하게 된다.

① 단단하게 굳은 콘크리트와 철근(특히 이형철근) 사이의 부착력(bond)이 철근의 미끄러짐을 방지한다.

② 적절하게 배합된 콘크리트는 불침투성(impermeability)으로 철근의 부식을 방지한다.

③ 콘크리트와 철근은 열팽창률이 거의 비슷해 상온에서 철근과 콘크리트 사이에 거의 온도응력이 발생하지 않는다.

 

보강철근의 역할

 철근 콘크리트에서 보강철근의 역할은 강도만을 증가시키는 것이 아니라 부재가 붕괴가 되기 전까지 커다란 변형을 일으키면서도 파괴는 일어나지 않도록 상당한 연성(延性, ductility)을 보유하여 철근 콘크리트 구조물의 설계에 다양한 이점을 제공하고 있다.

 먼저 압축강도가 35 MPa인 콘크리트로 만든 보강되지 않은 콘크리트 부재에 축 인장력이 작용하게 되면 평균 인장응력이 대략 2 MPa에 도달하면 균열이 일어나면서 더 이상 하중을 지지하지 못하고 파괴되고 만다. 콘크리트의 인장강도가 매우 낮을 뿐만 아니라 그 값도 예측하기 어렵고 또한 파괴하기까지 변형은 아주 작게 나타난다.

 만약에 이 콘크리트 부재에 길이 방향으로 보장 철근을 보강하게 되면 부재의 인장 형상이 상당히 향상하게 된다. 앞의 보강철근을 배치하지 않은 부재와 같이 첫 번째 균열이 일어나자마자 파괴되지 않고 균열을 지나서 배치된 철근이 항복할 때까지 부재는 지속적인 하중에 저항할 수 있게 된다. 비록 균열이 일어난 뒤에 상당한 강성을 잃어서 응력-변형률 곡선의 기울기가 낮아지지만, 보강이 되지 않은 상태에 비해서 부재가 완전히 파괴되기 위해서는 상당한 추가적인 에너지가 필요하게 된다(즉, 응력-변형률 곡선으로 둘러싸인 면적이 훨씬 넓게 된다).

 보강철근을 보강함으로써 초기균열을 일으키는 평균응력이 거의 증가하지 않는 것을 알 수 있다. 철근이 매립되어 외력에 저항하기 위해서는 특히 마디가 있는 이형철근에서 철근과 콘크리트 사이의 화학적 접착력의 기여는 매우 미미하고 미세한 변형(철근의 미끄러짐)을 일으킨 뒤에 마디의 지압력에 의해서 외력에 저항하는 역할을 시작하기 때문이다.