온도하중에 의한 구속균열

왜 배우는가: 온도하중에 의한 구속균열은 매스콘크리트, 대형 슬래브·벽체에서 시공 초기에 발생해 내력과 내구성을 떨어뜨리므로 실무에서 반드시 검토해야 한다. 시험에서는 구속조건에 따른 인장응력 계산과 외부·내부 구속의 구분을 묻는 문항이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제110회 1교시 7번, 제97회 1교시 9번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

온도하중에 의한 구속균열은 온도 강하 또는 체적변화가 구속되어 생기는 인장응력이 콘크리트 인장강도를 넘을 때 발생하는 균열이다.

• 온도 구속
• 외부구속
• 내부구속
• 온도응력
• 열팽창계수
• 인장강도
• 매스콘크리트
• 수화열

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 콘크리트는 온도가 내려가면 줄어든다. 그런데 주변의 기존 구조물이나 다른 부위가 그 줄어듦을 붙잡고 있으면 콘크리트는 자유롭게 줄지 못하고 당겨지는 힘을 받는다. 이 힘이 콘크리트가 버틸 수 있는 인장강도를 넘으면 균열이 생긴다.

정식 정의로는 온도변화에 따른 체적변화가 구속 조건에 의해 저지될 때 발생하는 인장응력(온도응력)이 인장강도를 초과하여 생기는 균열을 온도하중에 의한 구속균열이라 한다. 구속은 부재 외부의 지지 조건에서 오는 외부구속과, 같은 부재 안에서 온도차나 수축차로 생기는 내부구속으로 나뉜다.

원리는 간단하다. 변형이 자유로우면 응력은 생기지 않는다. 온도 변화량 ΔT, 열팽창계수 α, 탄성계수 E에 대해 구속된 부재의 온도응력은 σ = E·α·ΔT 로 나타낼 수 있다. 여기서 구속률이 1에 가까울수록 응력이 커진다. 따라서 균열 여부는 온도 강하량, 재료의 열팽창계수, 탄성계수, 구속 정도를 함께 보아야 한다.

수화열은 시멘트 수화반응으로 발생하며, 타설 후 10~30시간에 최고온도에 이르고 이후 온도가 내려간다. 온도가 오를 때는 콘크리트가 굳지 않아 문제가 적고, 온도가 내려가고 강도가 발현되기 시작하는 시기에 구속균열이 주로 생긴다.

3. 등장 배경과 필요성

예전에는 온도균열이 콘크리트댐 같은 대형 구조물에서만 문제가 되었다. 최근에는 고강도 콘크리트의 사용과 시멘트 사용량 증가로 수화열이 커졌고, 비교적 작은 치수의 구조물에서도 유해한 균열이 보고된다. 그래서 매스콘크리트 기준으로 부재 치수와 내외부 온도차를 관리하는 것이 중요해졌다.

온도균열은 폭이 크고 구조물을 관통하는 경우가 많다. 시공 초기에 생겨 내력, 수밀성, 장기 내구성을 떨어뜨리므로 설계와 시공 단계에서 미리 검토해야 한다. 매스콘크리트에서는 온도 상승기에 생기는 내부구속응력과, 최고온도 이후 온도 하강기에 생기는 외부구속 응력과 내부구속 응력이 겹친 복합응력이 함께 작용한다. 이 두 응력의 크기에 따라 균열 발생 시기와 양상이 달라진다.

따라서 온도균열 제어는 사후 보수보다 타설 전 배합 검토, 온도 제어 양생, 구속 조건 완화 같은 사전 대책이 핵심이다.

4. 구성요소·원리·절차

온도균열은 콘크리트의 온도 변화량, 변형 구속의 정도, 인장강도 발현 속도가 맞물려 생긴다. 구성요소를 나누면 온도변화량, 구속도, 인장강도, 탄성계수, 열팽창계수의 다섯 가지다. 이 중 하나라도 커지면 인장응력이 커지고 균열 위험이 높아진다.

각 구성요소의 역할은 서로 연결되어 있다. 온도가 내려가면 콘크리트는 열팽창계수만큼 수축하려 한다. 이 수축이 구속되면 인장응력이 생기고, 인장강도가 그보다 작을 때 균열이 발생한다.

원리는 다음 식으로 정리한다. 구속된 부재가 온도 \Delta T 만큼 변할 때 자유 변형률은 \varepsilon_f = \alpha \Delta T 이고, 완전 구속 시 응력은 \sigma = E_c \alpha \Delta T 이다. 여기서 \alpha 는 열팽창계수(1/℃), E_c 는 탄성계수(MPa), \Delta T 는 온도 하강량(℃)이다. 실제 구속은 완전하지 않으므로 구속계수 R 을 곱해 \sigma = R E_c \alpha \Delta T 로 쓴다.

균열 판정은 인장응력과 인장강도를 비교한다.

$\sigma_{t} \le f_t \quad \text{이면 균열 없음}$

$\sigma_{t} > f_t \quad \text{이면 균열 발생}$

여기서 \sigma_t 는 구속 인장응력(MPa), f_t 는 해당 재령의 인장강도(MPa)다.

온도균열의 발생 절차는 다음과 같다.

• 타설 후 수화열로 콘크리트 온도가 최고점에 도달한다.
• 온도가 하강하며 콘크리트가 체적 수축을 시작한다.
• 수축이 기초나 기존 콘크리트, 내부 온도 차에 의해 구속된다.
• 구속에 의한 인장응력이 커진다.
• 인장응력이 그 재령의 인장강도를 넘으면 균열이 발생한다.

온도 하강기에 구속 인장응력이 재령별 인장강도를 넘으면 균열이 생긴다

흐름을 도식으로 나타내면 아래와 같다.

이 흐름에서 구속도와 인장강도 발현 속도가 핵심 변수다. 구속도는 부재 형상과 기초 조건으로 정해지고, 인장강도는 재령과 배합으로 정해진다. 따라서 대책은 온도 하강폭을 줄이거나 구속을 줄이거나 인장강도 발현을 늦추는 방향으로 세운다.

5. 관련 법령·기준·표준

온도균열 관련 기준은 콘크리트 구조설계기준과 매스콘크리트 시공 기준에 나뉘어 있다. 설계기준은 구조 해석과 철근 배근을, 시공 기준은 온도 제어와 양생을 규정한다. 본 절에서는 기준의 이름과 구분만 정리하고, 조항 번호는 확인된 범위에서만 쓴다.

매스콘크리트는 부재 치수와 내외부 온도차로 정의된다. 일반적으로 부재 최소치수 80cm 이상, 내외부 온도차 25℃ 이상인 콘크리트를 매스콘크리트로 본다.

위 표의 값은 설계와 시공 검토의 출발점이다. 온도균열지수는 인장강도를 인장응력으로 나눈 값으로, 관련 기준이 정한 값 이상을 확보하면 균열 위험이 낮다고 본다. 열팽창계수는 골재 종류에 따라 달라지므로 구조계산에는 재료 시험값을 우선한다.

탄성계수 산정은 콘크리트 설계기준압축강도 f_{ck} 와 단위체적질량에 따라 달라진다. 보통 중량 콘크리트(m_c = 2300\,\text{kg/m}^3)의 할선 탄성계수는 기준식으로 산정하며, 본 절에서는 식의 계수를 외우지 않고 시험 또는 기준식으로 구한 값을 대입한다.

개정 연혁으로는 콘크리트 구조설계기준이 설계 방법과 재료 물성을 갱신해 왔다는 점만 확인된다. 해외 기준은 이름과 개념 차이만 구분한다. 국내 기준은 구조설계 중심이고, 해외 규정은 온도 제어 기준을 별도 항목으로 두는 경우가 많다.

실무 적용에서는 다음 값을 함께 본다. 콘크리트 온도 상승 제한과 온도차 제한은 시공 계획서에 명시하고, 온도 하강 속도는 타설 높이와 거푸집 해체 시기로 조절한다.

6. 유형과 비교

온도균열은 구속의 위치와 원인에 따라 외부구속 균열과 내부구속 균열로 나뉜다. 두 유형은 응력이 생기는 장소와 균열 양상이 달라 설계·시공 대책도 다르다.