철근 균열제어의 규정

안녕하세요. 윈트입니다.

오늘은 철근 균열제어 규정에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

균열제어 규정(Provisions for Cracking Control)

 균열폭을 제한하는 세 가지 주요한 이유는 외관(appearance), 누수(leakage) 및 부식(corrosion) 때문이다. 폭이 넓은 균열은 보기 흉할 뿐만 아니라 소유주와 거주자들의 걱정거리가 될 수 있다. CEB Manual에 의하면 눈에 띄기 쉽고, 표면이 깨끗하고 매끄러운 면에서는 균열폭이 0.25mm~0.33mm 이상이 되면 사람들의 걱정을 초래할 수 있다고 한다. 만약 표면이 거칠거나 해서 눈에 띄지 않으면 좀 더 넓은 균열도 문제가 되지 않을 수 있다.

 사용하중이 작용하게 되면 철근콘크리트 보는 휘면서 인장 측의 인장응력이 파괴계수를 초과할 수 있고 따라서 균열의 발생을 피할 수는 없다. 이러한 균열 한계상태(cracking limit state)에서 고려하는 것은 단지 균열이 구조물의 사용성이나 외관에 어떠한 영향을 미치느냐는 것이다. 보가 많이 휘면 휠수록 균열의 폭은 넓어지고 길이는 길어지게 된다. 비록 균열의 발생을 완전하게 방지할 수는 없지만, 주의 깊게 철근을 배근하면 폭이 좁고 넓게 분포된 균열로 유도하여 사용성이 손상되거나 외견상으로 불안감을 주지 않도록 할 수가 있을 것이다.

 2003년 이전의 기준에서는 균열폭의 계산은 ACI 318에서 적용한 Gergely와 Lutz의 계산식을 이용하여 계산하고, 허용균열폭은 건축물에 대해서는 AC1 318에 따라 건조 환경은 0.4mm로 습윤 환경은 0.3mm로 제한하고, 토목구조물에 대해서는 일본형의 허용균열폭인 최외단 철근의 표면과 콘크리트 표면 사이의 최소 피복두께(tc)에 대해서 건조 환경은 0.006tc로 습윤 환경은 0.005tc로 제한하였다. 이러한 종전의 균열 제어 규정이 너무 엄격하지 않으냐는 의문과 균열폭 계산식은 ACI에서 도입하고 허용균열폭은 유럽의 기준과 유사한 일본형을 적용하는 것에 대한 합리성 여부가 논란이 되었다.

 더군다나 전통적으로 균열폭이 보강철근의 부식과 관계가 있다고 이해되었지만, 근래의 연구에 의하면 비록 부식이 시작되기 위해서 소요된 기간은 균열폭에 좌우되지만, 종국적인 부식의 발전은 균열폭과는 관련이 없다는 것으로 이해되고 있다. 콘크리트로 둘러싸인 보강철근은 전해물(electrolytic cell)이 형성되기 전까지는 부식이 일어나지 않는다. 이러한 일은 콘크리트의 탄산화(carbonation)가 보강철근에 도달하거나 염화물(chloride)이 콘크리트를 침투해서 철근의 표면에 도달할 때 비로써 일어난다. 이러한 상태에 도달하기 위해서 요구되는 시간은 콘크리트에 균열이 있는지 없는지, 주변 환경, 피복의 두께 및 콘크리트의 투과성(permeability) 등에 영향을 받는다.

 따라서 2007년 이후 개정된 구조기준에서는 ACI 318-05와 같이 균열폭을 직접 계산하여 허용균열폭을 만족시키도록 하는 대신에 피복두께를 고려하여 철근의 중심간격을 검토함으로써 구조물에 발생하는 균열을 간접적으로 제어하도록 개정하였다. [구조기준 6.3.3(4), ACI 10.6.4] 그러나 구조기준 4.2(2~3)에서는 특별히 수밀성이 요구되거나 미관이 중요한 구조물의 균열 검토와 시공 중 혹은 완공 후에 균열이 발생한 구조물에 대하여 균열 발생의 원인과 그 유해성에 관한 검토가 필요할 때는 Euro-code 2에서 도입한 부록 Ⅲ의 방법을 적용하여 허용균열폭을 검토할 수 있도록 제안하고 있다.

 건조 수축(shrinkage)이나 온도변화(temperature change)와 같은 이유로 발생하는 체적변화(volumetric change)도 균열을 발생시키지만, 구조기준 6.3.3(4)(ACI 10.6.4)에는 기본적으로 휨 모멘트만 받는 부재의 균열 제어에 관한 규정이고, 부록 Ⅲ은 휨 모멘트 외의 작용에 의한 균열폭을 검토할 필요가 있는 경우에 적용할 수 있다고 Ⅲ. 1.1 해설에서 언급하고 있다.

실험적 연구에 의하면 사용하중이 작용할 때 균열폭은 철근의 응력에 따라 직접적으로 변화하며 인장영역에 잘 분포된 굵기가 가는 여러 개의 철근 배치가 굵은 몇 가닥의 철근을 배치하는 것보다 균열을 조종하는데 더 효과적인 것으로 나타났다.

 구조기준 6.3.3(4)(ACI 10.6.4)에서는 보 및 1방향 슬래브(beams and one-way slabs)의 균열 제어를 위해서 콘크리트 인장 연단에 가장 가까이에 배치되는 철근의 중심간격 s가 아래에 제시되는 [식 1]에 의해 계산된 값 이하로 하여야 한다는 인장철근의 간격 제한 규정을 제시하였다.

[식 1] 철근 간격 제한

 여기에서 kcr은 철근의 노출 조건을 고려한 계수로써 구조기준 부록 Ⅲ에 정의된 건조 환경에 노출될 때는 280이고, 그 외의 환경에 노출될 때는 210이다. 2007년도 기준에서는 kcr 대신에 상수 210으로 표현되었는데 이 값은 ACI 318-05의 상수 280에 0.75를 곱하여 제시한 값이었다. 이 값은 허용균열폭이 약 0.3mm인 습윤 환경을 대상으로 제시한 값으로 건물의 내부와 같은 건조 환경에도 동일 기준을 적용하는 것은 너무 엄격하다는 의견에 따라 합리적인 기준의 적용을 위하여 두 가지를 구분하여 적용할 수 있도록 수정하였다고 설명하고 있다.

 Cc는 인장철근이나 긴장재의 표면과 콘크리트 표면 사이의 최소두께(clear cover)이며, 철근이 하나만 배치되면 인장 연단의 폭을 s로 하고, fs는 사용하중 상태에서 인장 연단에 가장 가까이에 있는 철근의 응력으로 fs = Ms/(Asjd)로 결정하여야 하지만 간단한 방법으로 균열을 검증하고자 할 때는 근삿값으로 fs = (2/3) fy를 사용할 수 있다고 제안하고 있다.

 현행 구조기준에서 fy = 400 MPa인 철근이 순 피복두께 Cc=50mm로 배치된 일반적인 보에서 fs = (2/3) 400 = 267 MPa로 가정하면 최대 철근 간격은 269mm가 된다. [식 1]의 상한 한계를 사용하면 fs = 267 MPa일 때 피복두께에 상관없이 허용되는 인장철근의 최대간격은 s(max) ≤315mm가 된다. 이 간격 제한은 철근의 굵기에는 관련이 없다. 따라서 소요되는 휨 철근량에 대해서 [식 1]의 규정을 만족시키기 위해서 굵기가 가느다란 철근을 사용하도록 유도하는 것이다. 비록 [식 1]이 간단하게 계산될 수 있지만 다양한 철근의 사용응력 fs와 순 피복 두게 Cc에 대한 [표 1]는 설계에서 간편하게 사용될 수 있다.

[표 1] 건조환경 노출 kcr = 280인 경우의 철근 최대 간격 S(max) (mm)

 [그림 1]에서 보면 현행 균열 제어인 [식 1]이 순 피복두께가 증가할수록 철근의 중심간격이 너무 좁아지게 된다. 기준 2003 : 4.2.3(2) 나 도로교 설계기준에서 보면 허용균열폭은 피복두께가 100mm 이하인 구조물에 적용하라고 하여 피복두께가 100mm 이상이 되어도 허용균열폭이 더 이상 증가하지 못하도록 제한을 두고 있다.

[그림 1] SD400 철근에 대한 철근의 중심간격 s와 순 피복두께 Cc의 관계 : 기준 2003, 2007 및 2012와 ACI 318-05(또는 2008, 2011) 규정의 비교

 따라서 구조기준 2012 : 5.4 최소 피복두께에서 최대 피부 두께가 수중에 치는 콘크리트의 피복두께 100mm이므로 이를 기준으로 만약에 피복두께가 100mm 이상이어도 계산식에서는 100m를 사용하도록 하면 설계상으로 100mm 이상의 피복두께가 사용되더라도 현 구조기준과 같은 문제를 발생시키지 않을 것이다. 이렇게 순 피복두께 100mm(철근의 중심간격 125mm)까지 피복두께가 증가함에 따라 철근의 중심간격을 감소시키는 것은 ACI 318 위원회의 휨 철근의 배치에 대한 근본적인 개념과 일치한다고 볼 수 있다.