건축구조 구조재료 : 철근콘크리트구조(reinforced concrete structures) 정의 및 장점과 단점

철근콘크리트구조(reinforced concrete structures)

구조물을 건설하는데 사용되는 재료 : 나무, 석재, 강재(steel), 철근 콘크리트(reinforced concrete), 알루미늄, 플라스틱 (경량재료)

Reinforced concrete는 번역하면 오히려 보강콘크리트가 되어야 하지만 현재 보강재료로 대부분 철근을 사용하여 '철근콘크리트'라는 용어가 일반적으로 사용

구조물 : 건물, 교량, 육교, 옹벽, 터널, 댐, 수로, 탑 등의 여러 구조물

 

 

 

Development of Building Materials

 

철근콘크리트 구조 원리

철근콘크리트 = 압축강도는 높지만 인장강도는 아주 낮은 콘크리트 + 콘크리트 속 매립되어 콘크리트가 부족한 인장강도를 보충하는 보강 철근 (reinforcing steel bars)의 합리적인 결합체

 

 

 

철근 콘크리트 구조의 성립 근거

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

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

(3) 열 팽창 율이 거의 비슷하여 상온에서 철근과 콘크리트 사이에 거의 온도응력이 발생하지 않아요. 콘크리트의 열팽창율이 0.1에서 0.13x 10^-4/'c이고, 철근은 0.12 x 10^-4/'c이다.

 

 

보강철근의 역할

보강되지 않은 부재

압축강도가 35MPa 콘크리트로 만든 부재 - 축 인장력이 작용하면 : 2.1MPa에 도달하면 균열 -> 파괴된다.

보강된 부재

항복강도가 400MPa인 철근을 콘크리트 면적의 1.5% 정도 배치하면 : 균열- 지속적으로 작용하는 하중에 저항 - 큰 연성이 생긴다.

 

구조재료로서의 철근콘크리트의 장점

1. 높은 압축강도를 가지며 상대적으로 가격이 저렴하다.
2. 물과 불에 대해서 큰 내구력과 내화력을 가지고 있고, 피복두께가 적당한 부재에서 보강철근은 보통의 화재에 의해서 거의 손상을 받지 않는다.
3. 철근 콘크리트 구조물은 상당히 단단하여 처짐이 적고 진동 및 충격에 저항력이 크다.
4. 유지보수가 상대적으로 적게 들어 장기적인 관점에서 볼 때 경제성이 증가한다.
5. 다른 건설재료에 비해서 사용수명이 길다. 적절한 조건에서 철근콘크리트 구조물은 하중 저항 능력에 감소 없이 거의 무한대로 사용할 수 있다. 이러한 사실은 콘크리트의 강도가 시간이 지냄에 따라 지속적인 수화현상으로 인하여 감소하지 않고 오히려 증가하는 현상으로 설명할 수 있다.
6. 일반적으로 기초나 지하벽 또는 교량의 교대 등을 만들 때 가장 경제적인 재료이다.
7. 대부분의 지역에서 저가의 그 지역의 재료 (잔 골재, 굵은 골재 및 물)를 사용할 수 있고 상대적으로 작은 양의 시멘트와 보강철근이 필요하다.
8. 상대적으로 다른 건설재료(구조용 강재 등)에 비해서 덜 숙련된 인력을 사용할 수 있다.

 

구조재료로서의 철근콘크리트의 단점

1. 콘크리트는 인장강도가 매우 낮기 때문에 (압축강도의 10% ~ 15% 정도) 균열이 일어날 수 있고, 이러한 단점을 보완하기 위해서 인장 보강 철근이 필요하다.
2. 지붕이나 벽 또는 비슷한 구조물에서 콘크리트가 경화하여 강도를 갖기까지 지지하기 위해서 동바리나 거푸집이 필요하다. 거푸집은 전체 철근콘크리트 단가에 적게는 1/3에서 많게는 2/3까지 들며 보통 1/2정도가 들어간다.
3. 콘크리트의 무게에 대한 강도의 비가 낮기 때문에 고정하중(자중)이 커져서 장견간의 교량이나 연약지반의 구조물에는 불리하다.
4. 콘크리트의 무게(단위질량은 강재의 30% 정도)에 대한 강도(압축강도는 강재에 비해서 5~10% 정도)의 비가 낮기 때문에 부재가 상대적으로 커져서 (또는 높아져서) 고층빌딩이나 장경간의 구조물에는 아주 불리하게 된다.
5. 콘크리트는 배합이나 혼합에 따라 특성이 매우 서로 다를 수 있고, 특히 콘크리트의 배치나 양생이 구조용 강재나 합판과 같은 재료의 생산에 비해서 시공관리에 여러움이 많다. 따라서 아무리 잘 관리된 현장이라도 콘크리트의 품질에 상당한 변화가 있을 가능성이 있다.
6. 건조수축이나 크리프 등과 같은 장기변형이 일어나서 균열이 일어나기 쉽다.
7. 포틀랜트 시멘트가 수화하기 위해서는 물이 필요하므로 콘크리트가 충분히 강도를 가질 때까지 물이 얼지 않도록 하는 것이 중요하다.영하의 온도에서 좋은 품질의 콘크리트를 생산하기 위해서는 추가적인 시설이 필요하여 경비가 증가한다.

 

 

 

콘크리트 발달의 역사적인 배경

석회석 모르타르 : 인류의 문명이 발달하면서 석회석을 결합제로 사용하여 만든 콘크리트가 새로운 건설재료로서 사용되기 시작하였다.

Roman cement : 로마시대에는 대리석을 대응하기 위해서, 모래, 석회석과 화산재를 사용하여 만든 콘크리트가 새로운 건설재료로서 사용되기 시작하였다. 이 시대의 콘크리트 구조물의 대표적인 예로는 파르테논(판테온)을 들 수 있다.

 

 

 

파르테논 (판테온, Pantheon)

비례의 미 (돔의 안지름과 천장의 높이가 같은 43.2m)와 장엄한 내부 공간의 창조라는 당시의 경이적인 토목기술로서 건축사상 불후의 명작 가운데 하나로 꼽히는 구조물로 기원전 27년에 아우구스티누스 황제의 사위인 아그리파 장군이 올림프스의 신들을 제사하기 위하여 건설되어 115~125년 경에 하드리아누스황제 시대에 재건축된 신전이다.

 

이 파르테논은 보강철근을 사용하지 않고 콘크리트만 사용한 것이 특징으로 천정의 중앙에 지름 9m의 구멍이 뚫려 있으며, 건물 기반부터 돔의 정점까지 콘크리트를 사용하여 중량을 경감시키는 아치를 이용한 복잡한 공법으로 세운 구조물이다.

 

 

 

 

 

 

르네상스 시대 : 바티칸의 성 베드로 성당

콘크리트 구조물로는 1506년 공사가 시작되어 120년 뒤인 1626년에 완공된 바티칸의 성 베드로 성당을 들 수 있다. 이 성당의 설계는 브라만테가 하고 미켈란젤로 등의 르네상스 건축가들이 참여하여 완성되었다. 거대한 반구형 돔이 인상적인 성 베드로 성당은 로마 르네상스 건축의 정점으로 평가되고 있으며 로마 시멘트와 유사한 재료로 만들어졌다.

 

 

바티칸 시티

바티칸 박물관에는 그 유명한 미켈란젤로의 '천지 창조' '최후의 심판'등 수 많은 예술품들이 전시되어 있다.

성당 앞에는 피에트로 광장이 있는데 284개의 오리아식 기둥 회랑으로 둘러싸인 타원형 광장이다. 중앙에는 이집트의 오벨리스크가 서있고 좌우엔 분수가 시원하게 물을 내뿜고 있다. 회랑 위에는 140개의 성 인상 조각물이 있다. 광장은 좌우 폭이 240m로 30만 군중을 수용할 수 있어요. 정면에 대성당 입구가 있어요.

 

현대적인 시멘트의 발달

1824년 영국의 벽돌공인 joseph aspdin이 취득한 특허로부터 시작되었다고 볼 수 있는데. Aspdin은 석회석과 점토를 섞어 곱게 갈아 소성로에서 고온으로 구워서 만드는 시멘트가 경화한 뒤의 성질이 영국남부의 포틀랜드 섬에서 생산하는 석회석과 비슷하다고 하여 포틀랜드 시멘트라고 명명하였어요.

철근 콘크리트는 19세기에 들어서 도입되기 시작했는데 이 복합 건설재료의 발달로 인해서 19세기 중반에 이르러서는 프리스트레스트 콘크리트의 발달을 가져오게 되었습니다. 

1890년도에서 1920년도에 걸쳐 철근콘크리트의 역학에 대한 지식이 급속하게 발달하고 휨에 대한 허용응력설계법이 개발되었습니다. 그 이후로 지난 70년간 현행의 강도설계법이 발달하였습니다.

 

철근 콘크리트 부재 : 하중 전달 체계

 

철근콘크리트 측정 단위 (units of measure)

이전 : 우리나라 공학계는 공학단위계를 사용 : 힘 (중량)은 Kgf로 길이는 m(meter)로 표시되고 시간은 s (second)로 표현

현재 : 국제단위계(system of internatonal unit, 일명 SI 단위계)를 점차 사용하려고 노력하는 중이다. 우리나라도 국제적으로 경쟁하기 위해서는 공학단위계로부터 국제단위계로 조속한 시일 내에 전환이 필요. SI단위계는 길이 m(meter), 질량 kg(kilogram), 시간 s(second) 등의 7개 기본단위로 정의 된다.

미국은 현재 미국공용 단위계를 일반적으로 사용하고 있으며, 우리가 일반적으로 접하는 공학계몽의 원서도 대부분 USCU단위로 되어 있다고 해도 과언이 아니다. USCU의 기본단위로는 ft(feet), lb(pound), s(second)등이 있다.

단위 환산표 - 길이의 단위