6장. 철근콘크리트구조 (개 론)

1. 철근콘크리트 개요

철근콘크리트는 철근으로 보강한 콘크리트라는 뜻이다. 즉, 모래 · 자갈 등을 골재로 하고, 시멘트와 물을 섞어 제작된 콘크리트는 압축력에는 상당한 저항력을 가지고 있으나 인장력에는 극히 약하므로, 이 약점을 인장에 강한 철근으로 보강하여 형성한 합성구조재이다.

 

2. 철근콘크리트 구조체의 원리

 

 

위의 그림에서 (a)와 같이 단순보에 하중이 작용하면 (b)와 같이 중립축을 경계선으로 위쪽에는 압축응력, 아래쪽에는 인장응력이 생긴다. 이와 같은 보를 콘크리트만으로 만들면 ©와 같이 밑에 금이 가고 벌어지면서 쉽게 부러질 것이다. 콘크리트는 석재와 같이 인장력에 약하므로 (d)와 같이 인장측에 철금을 넣어 보강하면 콘크리트는 인장저항력이 없어도 철근이 인장력에 충분히 저항할 수 있어 안전하게 되며, 압축측은 물론 콘크리트로써 충분히 견디므로 전체적으로 안전하게 된다. 그림 에서 (d)와 같이 인장에 필요한 철근을 보강하였으나 하중 P가 증가하여 P`에 도달하면 (e)와 같이 양측 단부에 45° 방향의 균열파괴가 생긴다. 이와 같이 전단력에 의한 빗인장력에 대한 보강으로 (f)와 같이 늑근을 설치하여 균열을 방지한다. 위에서 기술한 바와 같이 보의 압축응력은 콘크리트가, 인장응력은 철근이 부담하여 서로의 약점을 보완하고 장점만을 발휘하도록 한 것이 철근콘크리트구조의 원리라 하겠다. 이 외에 철근과 콘크리트는 다음과 같은 성질이 있어 더욱 유리하다.

 

# 콘크리트는 철근이 녹스는 것을 방지한다.

# 콘크리트와 철근이 강력히 부착되면 철근의 좌굴이 방지되며 압축력에도 유효하게 된다.

# 철근과 콘크리트는 선팽창계수가 거의 같다.

# 콘크리트는 내구 · 내화성이 있어 철근을 피복 보호하여 구조체는 내구 · 내화적이 된다.

 

3. 철근과 콘크리트의 일체성

철근콘크리트구조체에 여러 가지 응력이 작용되더라도 철근과 콘크리트가 밀착되어 철근이 미끄러져 빠져나오지 않게 하는 저항력을 부착력 또는 부착응력이라 한다. 부착력은 다음과 같은 관계가 있다.

 

# 압축강도가 큰 콘크리트일수록 부착력은 커진다.

# 콘크리트의 부착력은 철근의 주장에 비례한다.

# 철근의 표면상태와 단면모양에 따라 부착력이 좌우된다.

# 부착력은 정착길이를 크게 증가함에 따라서 비례 증가되지는 않는다.

 

보의 주근과 같이 수평으로 배치된 철근에는 콘크리트를 부어 넣어 다진 후에도 콘크리트가 서서히 침하 안정되면서 철근의 하부에 물기가 생겨 부착력이 감소된다. 이런 형상은 물을 많이 쓰는 콘크리트일수록, 또 철근 밑의 콘크리트가 깊을수록 현저하게 생긴다. 또한 인장철근은 압축철근보다 부착력이 적으며, 철근에 대한 콘크리트의 피복두께가 얇으면 얇을수록 부착력이 감소되는 점에 유의해야 한다.

 

4. 철근콘크리트조 건축물의 우수성

일반적으로 철근콘크리트조의 건축물이 튼튼하다는 것은 내구 · 내화 · 내풍 · 내진 등의 점에서 우수한 성능을 발휘하고 있기 때문이다. 그러나 철근콘크리트조의 건축물은 재료학이나 역학에 대한 충분한 지식과 구조계산에 의하여 합리적으로 설계되고, 유능한 기술자의 감리로 과학적으로 시공되며, 또 한편 담당부서의 충분한 지도가 이루어짐으로써 튼튼하고 우수한 구조물이 되는 것이다. 지진력은 실용계산에서는 수평력이 되며, 그 크기는 건축물의 중량에 비례하므로 중량이 큰 철근콘크리트조가 내진적이라면 내풍적이라 해도 무방하다. 뼈대의 각부 응력상태에 따라 철근을 자유로 증가할 수 있으며 가장 불리한 휨에도 충분한 철근량으로 비교적 굳세게 만들 수가 있고 또한 일체식으로 이음없이 구축할 수 있는 것이다. 철근콘크리트조의 장점을 열거하면, 내진 · 내풍 · 내화 · 내구 · 설계자유 · 보안적 · 공사비 저렴 · 유지비 저렴 등이 있다.

 

5. 철근콘크리트조의 결점

 

표 1

철근콘크리트건축은 자체중량이 크고, 시공의 정밀도와 기일이 요구되며 강도계산이 복잡하다는 결점이 있다. 그러나 장점이 훨씬 크고 다른 구조법으로는 따를 수 없는 우수성이 있다. 구조계산에 쓰이는 철근콘크리트의 중량은 표 1번과 같고 보통 철근콘크리트조 건축의 중량은 표 2번과 같이 1.0~1.5t/㎡ 정도로서 자중은 전체중량의 약 90~95%가 되고 그 대부분이 철근콘크리트의 중량이고 나머지가 적재하중, 기타가 된다. 따라서 경량콘크리트가 중량의 경감에 유리하지만 시공법이나 경제성 등의 연구 개발할 여지가 있고, 고층 건축은 오히려 철골철근콘크리트조나 PC콘크리트조가 유리하며 철근콘크리트구조는 4~10층 정도에서는 가장 유리한 것이다. 시공에 있어서는 철근콘크리트이론의 확인과 엄정한 시공술이 갖추어지지 아니하면 안 된다. 따라서 PC 콘크리트의 응용 · 프리패브 · 리프트 슬래브의 구조개선 · 슬라이딩 폼에 의한 공기단축 등의 많은 연구 개발이 필요하다. 콘크리트조는 굳세고 무거우므로 불필요한 건물의 철거가 곤란한 단점도 있다.

 

표 2