철근콘크리트 구조
철근콘크리트 구조
콘크리트는 압축력에 강하고 내구적이지만 인장력에 약하므로 철근으로 이를 보강한 복합체로 하여 건축물을 일체식으로 하고 보, 기둥 등 구조상 중요 부분에 이를 이용한 건축물을 철근콘크리트 구조(Reinforced Concrete Construction, R.C 구조)라 한다.
철근콘크리트 구조는 1824년 영국의 Joseph Aspdin이 포틀랜드 시멘트를 발명하여 특허를 얻은 후 1867년에 프랑스 Goseph Monier가 화분을 철근콘크리트로 만들어 이것을 철근콘크리트 구조에 적용할 수 있는 특허를 획득함으로써 세상에 알려졌고, 건축물에는 1875년 뉴욕에서 처음으로 이용되었으며, 1886년 독일의 Weyss와 Koenen이 처음으로 철근콘크리트 구조의 단면 산정에 관한 논문을 발표한 후 현재까지 눈부신 발전을 거듭하여 현대건축 문화 발전에 가장 크게 공헌해 오고 있다.
철근콘크리트 구조의 원리
철근콘크리트 부재에 각종 하중이 작용될 때 콘크리트 단면상에 압축과 인장응력이 발생하게 된다. 콘크리트 단면상에서 인장응력이 발생되는 부분에 인장력이 강한 철근으로 콘크리트를 보강하게 함으로써 압축응력은 콘크리트가 인장응력은 철근이 부담하여 서로의 단점을 보완하게 함으로써 구조체를 형성하는 것이 철근콘크리트 구조의 원리이다.
철근은 압축력에는 좌굴을 일으키기 쉽고, 부식하기 쉬우며, 내화적이지 못한 결점을 가지고 있으나 콘크리트는 압축력이 강하고, 내화적이며, 내구적인 장점을 가지고 있다. 콘크리트는 철근에 비하여 영계수가 1/10, 압축강도는 1/20, 인장강도는 1/200 정도이며, 철근을 화열로부터 보호할 수 있고, 알칼리성이기 때문에 철근의 녹 발생을 막을 수 있다. 이외에 철근과 콘크리트는 부착성이 좋고, 열팽창률도 거의 같기 때문에 구조체로서의 일체성이 매우 높다. 철근과 콘크리트가 부착성이 충분하지 못할 경우 보강의 효과를 얻을 수 없다. 원형 철근보다는 콘크리트와 부착이 잘되도록 표면에 돌기가 있는 이형철근이 2.5배 정도의 부착력이 있으며, 부착력은 콘크리트와 철근의 접촉 면적에 영향을 받기 때문에 같은 철근량이라면 가는 철근을 사용하는 것이 부착강도를 크게 하는 방법이다.
철근콘크리트 구조의 특징
장점
1. 내화성, 내구성이 우수하다 - 철근은 고열에 닿으면 강도가 현저하게 낮아지지만 열전도율이 낮은 콘크리트가 감싸고 있기 때문에 내화적이 되고, 콘크리트는 강알칼리성이기 때문에 철근이 녹스는 것을 억제한다. 이와 같이 철근콘크리트 자체는 자연환경에 의한 영향을 비교적 덜 받기 때문에 구조물의 내구연한이 길어진다.
2. 내풍·내진적이다 - 철근콘크리트 구조는 일체식 구조이기 때문에 접합점이 강접합(Rigid Joint)이므로 내진벽의 합리적인 배치로 내풍·내진적으로 할 수 있다.
3. 설계를 자유롭게 할 수 있고, 유지관리가 쉽다 - 각부의 응력 상태에 따라 철근량을 자유롭게 할 수 있으며, 구조물을 일체식으로 크기와 형태를 자유롭게 구성할 수 있고, 다른 구조에 비하여 유지관리비가 저렴하다.
4. 기타 - 고층화가 가능하며, 공사비가 비교적 저렴하고 방음, 방도 등 보안적이다.
단점
1. 자중이 크다 - 철근콘크리트의 중량은 2.2~2.4t/m³이고, 구조체의 중량이 1.0~1.5t/m³으로 건물 전체 중량의 80%~90% 정도가 자체 중량이다.
2. 시공이 어렵고 강도계산이 복잡하다 - 철근의 가공·조립, 거푸집의 제작 · 조립·해제, 콘크리트의 타설, 양생 등 공정이 복잡하며, 시공의 정밀성을 유지하기가 어렵고 구조체의 구조계산이 복잡하다.
3. 공기가 길다 - 습식의 경우가 대부분이며, 양생기간이 충분히 필요하기 때문에 공사 기간이 길어진다.
4. 기타 - 건조수축에 의한 균열이 발생하기 쉽고, 이전이나 개축이 상당히 어렵다.
철근
제련된 강괴(ingot)를 압연기로 가늘고 길게 만든 연강 제품을 봉강(steel bar)이라 한다. 콘크리트 보강재로 사용되는 봉강을 철근이라 한다. 철근(reinforcing bar)은 원형봉강(round steel bar, SR24, SR30)과 이형봉강(deformed bar, SD30A, SD30B, SD35, SD40, SD50) 이 있고, (KS D 3504), 이형철근은 콘크리트와 철근의 부착강도를 높이기 위하여 철근의 표면에 돌기를 만든 것이고, 축선 방향의 돌기를 리브(rib), 가로 방향인 것을 마디(node)라 한다. 고장력철근(high tensile bar)은 고력철근 또는 하이바라고도 하며, 인장력이 크므로 고강도콘크리트에 사용하지만 부착력을 높이기 위해 이형철근을 쓴다. 피아노선(piano wire)은 인장력이 큰 중경강선(middle hard steel wire)으로 프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete)에 주로 쓴다.
철근의 가공
철근의 말단부 또는 정착 이음의 끝은 갈고리(hook)를 두어 콘크리트에 정착이 잘 되게 하고, 말단부는 180°, 135°, 90°로 구부리고 중간 구부림(bent bar)은 보통 45°로 하지만, 이형철근은 벽, 바닥판의 철근이음은 갈고리를 두지 않고 겹친이음으로 하고 중요한 정착 부분이나 기둥, 보 등의 주근은 갈고리를 두는 것이 보통이다.
철근의 이음
철근의 이음은 겹친이음과 용접이음 및 연결재를 사용하는 기계적 이음 등의 종류가 있다.
겹친이음(lapped splice)
철근을 나란히 옆에 대고 결속선(20#)으로 2개소 이상 묶지만 뗀 겹친이음으로 하는 경우도 있다. 겹친이음 길이는 철근의 종류 콘크리트의 강도에 따라 다르고, 갈고리는 이음 길이에 포함되지 않는다. 또 철근 지름이 서로 다를 때에는 작은 지름을 기준으로 한다.
용접이음(welded splice)
1. 용접 겹친이음(welded lap splice)
접합할 철근을 서로 겹쳐대고, 양쪽의 오목한 부분에 플레어(flar) 용접을 하는데, 편심을 막기 위해 겹친 부분을 구부려 용접하는 경우도 있다. 이음 길이는 철근 지름의 3.5~4.0배로 하며 주로 아크 용접을 한다. 용접 결과가 불확실한 관계로 중요한 철근에는 쓰지 않는다.
2. 용접 맞댄이음(welded butt splice)
접합할 철근 끝에 앞벌림(groove) 가공을 하여 맞댄 상태에서 용접을 한다. 용접을 확실하게 하기 위해 시스(sheath)에 앞벌림 따기를 하여 철근을 끼워 넣고 용접을 하는 경우도 있다.
콘크리트
콘크리트(concrete)는 시멘트(cement), 모래, 자갈 및 혼화재료(admixture)를 물로 혼합하여 경화시킨 일종의 인공 복합재료이다. 시멘트는 물과 화학반응(이것을 수화반응이라 한다.)을 하여 부착력을 갖는 시멘트 페이스트(paste)가 되고, 이것이 골재 사이에서 응결(setting)되고, 시간의 경과와 함께 경화(hardening)되어 석재와 같이 된다. 콘크리트는 기중에서 수분이 공급되면 강도(strength)가 증진되기 때문에 특히 초기에 습윤상태로 유지하여야 하며, 이것을 양생(curing) 또는 보양(curing and and protecting)이라 한다. 콘크리트는 최초 타설된 후 28일이 지나면 목표 강도에 도달되고, 이것을 설계 기준강도라 하며, 보통 210~240 kgf/cm²로 한다.