안녕하세요, 여러분!
오늘은 토목/건축 분야에서 빼놓을 수 없는 “철근콘크리트의 구조와 철근의 항복강도”에 대해 알아보려 합니다.
철근콘크리트는 구조물의 안정성과 내구성을 보장하는데 큰 역할을 하는 재료로서, 철근의 항복강도는 이를 구현하는 핵심적인 지표입니다.
위 사진은 현재 벽체를 위한 철근을 배치한 이후 콘크리트를 타설하기 위해 거푸집을 설치한 단계입니다.
그럼 도대체 왜 철근과 콘크리트를 섞었을까요?
1. 철근콘크리트의 구조와 역할
철근콘크리트는 “인장강도”와 “압축강도”를 효과적으로 결합한 현대 건축의 핵심 재료입니다. 구조물의 토대를 이루는 콘크리트에 철근을 투입함으로써 구조물의 안전성과 내구성을 동시에 확보할 수 있습니다. 이 조합은 콘크리트의 높은 압축강도와 철근의 높은 인장강도를 절묘하게 조합한 결과입니다. 3가지 이유를 들 수 있습니다.
1-1. 콘크리트는 압축에 뛰어나나, 인장에 저항할 수 없다.
그림과 같이 콘크리트는 “깨지는 성질”을 가지고 있습니다. 시멘트+물+골재 등 다양한 물질이 섞이 혼합물이 수화반응을 일으킨 재료이기도 하고요. 압축에는 보통 30MPa 까지 저항할만큼 강력하지만, 인장에는 취약합니다. 모두 콘크리트가 “늘어난다”는 익숙하지 않으시죠?
1-2. 철근은 인장에 저항하며, 바로 파괴되지 않고 휘거나 늘어난다.
철근은 잡아당기는 힘 혹은 휨(모멘트)에 저항하며, 바로 파괴되지 않고 “변형”이 많이 발생합니다. 아래 그림은 파괴된 철근콘크리트에서 휘어진 철근을 모은 것입니다.
1-3. 철근은 부식된다.
철은 공기 중, 그리고 물에 노출되면 산화반응을 일으켜 부식이 발생합니다.
위의 3가지 이유로 인해,
- (1) 만들기 쉽고 압축에 대해 강도가 강한 콘크리트와
- (2) 인장에 약한 콘크리트를 위해 철근을 추가로 배치하며
- (3) 인장은 강하지만 부식에 약한 철근을 콘크리트로 감싸주는 (보호해주는)
“철근콘크리트”가 탄생하게 됩니다.
2. 철근의 항복강도와 의미
“항복강도가 뭐고, 항복하는데 파괴가 일어나지 않는다고?”
철근의 항복강도는 철근이 처음으로 특정 변형을 견디는 강도를 의미합니다. 변형이 나타나는 순간을 항복점이라 하며, 이를 통해 철근이 어느 정도의 인력을 견딜 수 있는지를 나타냅니다.
중요한 점은 “철근의 항복” ≠ “철근의 인장파괴” 라는 점입니다. 아래의 그림을 함께 보시죠.
이렇게 변형이 일어나는 지점이 항복점, 그리고 그때의 강도를 항복강도라고 표현하며, 철근은 이 이후 엿가락처럼 늘어지며 변형을 지속하게 됩니다. 콘크리트 처럼 바로 파괴되지 않는다는 것이죠. 이 성질은 다음에 설명할 설계과정에서 매우 중요합니다.
3. 철근 선택과 설계 과정
구조물의 크기, 사용 용도, 환경 등을 고려하여 철근을 선택하고 설계하는 것이 중요합니다. 철근의 직경, 재질, 간격 등은 구조물의 인력 전달과 변형에 큰 영향을 미치며, 구조물의 안정성을 결정짓습니다.
자, 그럼 설계 시, 철근이 그렇게 좋으면 최대한 많이, 더 강도가 강한 것으로 넣으면 되지 않을까요?
3-1. 구조물의 안정성을 위해 “인장파괴”가 필요하다.
앞서 설명드린대로, 철근은 항복점에 가도 엿가락처럼 늘어지며 변형을 이어갑니다. 그러다 “인장파괴강도”가 주어지면 끊어지게 되겠죠. 하지만 그 전에, “콘크리트의 압축파괴” 가 발생하게 됩니다.
콘크리트의 최대압축변형률은 “0.0033”으로 평가되고 있습니다. 쉽게 말해 콘크리트가 압축력을 받아 0.0033 비율보다 더 줄어들게되면 “압축파괴”됩니다.
인장파괴랑 압축파괴는 철근콘크리트 양쪽에서 발생할 수 있습니다.
이해를 위해 그림을 보겠습니다. 다음 그림은 철근콘크리트가 힘을 받았을 때의 거동을 나타내고 있습니다.
(1) 위쪽은 콘크리트의 압축이 발생하고
(2) 아래쪽은 철근의 인장이 발생합니다. (아래쪽 콘크리트에 인장이 발생하면 콘크리트는 균열)
누르는 힘이 강해질 수록 인장력과 압축력은 커지게 됩니다. (많은 변형이 일어남)
그럼 이때, 강력한, 많은 양의 철근을 아래쪽에 설치했을 경우,
철근이 너무 강력해서 항복강도에 도달하지 않았는데 콘크리트가 이미 변형률이 0.0033 이상이 되는 경우가 발생합니다. (철근을 보강한 것이지, 콘크리트를 보강한게 아닙니다) 예를 들어,
- 1st. 철근 항복강도 : 50 / 콘크리트 항복강도 : 100 / 인장력 : 70 / 압축력 : 70
– 철근 항복 O, 변형 발생
- 2nd. 철근 항복강도 : 150 / 콘크리트 항복강도 : 100 / 인장력 : 100 / 압축력 : 100
– 철근 항복 X, 콘크리트 항복 = 파괴
앞서, 콘크리트는 늘어나는 성질 없이 바로 깨진다고 했었죠. 2번째 상황일 경우, 곧바로 파괴가 발생합니다. 우리가 건물안에 있는데 천장이 갑자기 무너져 내린다면 안전상 위험이 크겠죠.. 이 때를 “압축파괴”라고 합니다.
그렇기 때문에 우리는 1번째 상황을 원합니다. 철근이 먼저 항복하며 늘어지기 때문에, 콘크리트에 균열은 생기되 구조물은 파괴되지 않습니다. 천장이 바로 무너지진 않는 다는 뜻이죠. 그렇기에 대피할 시간을 벌 수 있습니다. 이 때를 “인장파괴”라고 합니다.
** 더 정확하게 말하자면, 철근이 먼저 항복하는 것을 “연성파괴”라고 하고, 변화구간단면, 인장지배단면에서 모두 나타날 수 있습니다.
안전을 위해 “인장파괴”를 발생시켜야 하기 때문에, 과다 철근은 오히려 독이 될 수 있습니다.
때문에, 철근콘크리트에서 “최대철근비”를 말할 때, 이렇게 철근의 항복에 의한 파괴, “연성파괴” (인장파괴)가 일어날 수 있는 최대의 철근 비율을 의미합니다.
3-2. 비싸다. 돈.. Money..
철근은 비쌉니다. 단가가 오르면 철근을 뺀다는 말이 괜히 있는게 아니죠.
콘크리트를 그럼 강한걸 쓰자! 고강도 콘크리트 또한 일반 콘크리트보단 비쌉니다.
최적의 물량으로 최고의 강도를 내고자 하기 때문에 무한정 좋은 재료를 많이 쓰긴 어렵습니다.
4. 항복강도 시험과 평가
철근의 항복강도는 시험을 통해 측정됩니다. 일반적으로 철근을 늘여서 변형이 발생하는 지점을 파악하며, 이를 통해 항복점과 항복강도를 계산합니다.
콘크리트의 항복강도 또한 시험을 통해 평가됩니다. 압축강도를 평가하게 되죠.
이렇게 오늘은 철근콘크리트의 구조와 강도에 대해서 알아봤습니다.
철근콘크리트의 구조와 철근의 항복강도는 구조물 안정성과 내구성을 위한 핵심적인 요소입니다.
적절한 철근의 선택과 설계, 항복강도의 활용을 통해 안전하고 지속 가능한 구조물을 건설하고 유지하는데 큰 도움이 될 것입니다.