CFT

왜 배우는가: CFT는 고층 건물, 대공간, 송전탑, 장대교량에 쓰이는 대표적인 합성 기둥이다. 강재의 강성과 콘크리트의 압축 성능을 함께 얻고, 시공 단계에서는 이음과 충전 품질이 성능을 좌우하므로 시험에서 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제139회 4교시 5번, 제120회 4교시 4번, 제115회 2교시 4번, 제109회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

정의 문장은 다음과 같이 쓴다. 콘크리트 충전 강관(CFT)은 강관 내부에 콘크리트를 채워 강재와 콘크리트가 일체로 거동하도록 한 합성 부재다. 정의 뒤에는 구조적 장점 한 줄을 덧붙인다. 예를 들어 구속효과와 연성 향상을 함께 적는다.

핵심 키워드

• 콘크리트 충전 강관: 원형 또는 각형 강관 속에 콘크리트를 충전한 기둥 부재다.
• 합성구조: 강재와 콘크리트가 축력과 휨을 나누어 분담하는 구조 방식이다.
• 구속효과: 강관이 내부 콘크리트의 옆 방향 팽창을 막아 압축강도와 변형능력을 높이는 작용이다.
• 국부좌굴: 판폭에 비해 얇은 강판이 부분적으로 휘는 현상이며, 내부 콘크리트가 이를 지연시킨다.
• 하부 압입 충전: 강관 하부 주입구로 콘크리트를 펌핑하고 상부 배기구로 공기를 배출하는 충전 방식이다.
• 연성: 최대 내력 이후에도 변형을 흡수하는 능력으로, 지진 시 급격한 붕괴를 늦춘다.
• 이음부: 층별 강관을 현장에서 연결하는 부위이며, 용접 품질과 콘크리트 연속성을 함께 관리한다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 CFT는 기둥을 속이 빈 강관으로 만들고 그 안을 콘크리트로 채운 것이다. 철골은 가볍고 강하지만 판이 얇아 압축을 받으면 찌그러지기 쉽다. 콘크리트는 압축에 강하지만 인장과 횡방향 변형에 약하다. 두 재료를 붙여 쓰면 서로의 약점을 보완한다.

정식 정의는 Concrete Filled Steel Tube(CFT)라는 영문 명칭으로 쓰며, 강관이 내부 콘크리트에 가하는 구속효과를 핵심으로 한다. 강관 안의 콘크리트 핵은 사방에서 압축을 받는 상태가 되어 지지력과 변형능력이 함께 커진다. 이 상태에서 파괴 양상은 준소성(quasi-plastic)에 가까워지므로 지진 시 구조물의 생존성이 높아진다.

구속효과는 강관이 콘크리트의 옆 방향 팽창을 막는 힘이다. 같은 콘크리트라도 3축 압축 상태에서는 압축강도가 올라가고 변형 능력이 커진다. 원형강관은 구속이 전 둘레에 비교적 균등하게 작용하고, 각형강관은 판면마다 구속 정도가 달라진다는 차이가 있다.

국부좌굴은 판두께에 비해 판폭이 넓은 강판이 압축을 받을 때 부분적으로 튀어나오는 현상이다. 내부 콘크리트가 강판을 안쪽에서 받쳐 이 현상을 늦춘다. 따라서 CFT는 얇은 강관을 쓰면서도 강재 단독 기둥보다 큰 내력을 얻을 수 있다.

구성 형식은 원형과 각형 강관이 대표적이다. 내부에 보강근을 넣는 방식도 있고, 두 겹의 동심 강관 사이에 콘크리트를 채운 이중 강관 합성(CFDST) 형식도 있다. 어느 형식이든 강관 구속과 충전 콘크리트가 함께 작용하는 합성 거동이 성립해야 설계 가정이 유효하다.

3. 등장 배경과 필요성

건물이 고층화되고 기둥 간격이 넓어지면서 철근콘크리트 기둥은 단면이 커졌다. 단면이 커지면 유효 면적이 줄고 거푸집과 철근 작업이 늘어나 공기가 길어진다. 반대로 강재 기둥은 단면을 줄일 수 있지만 판이 얇아 좌굴에 취약하다. CFT는 이 두 가지 한계를 함께 줄이는 대안으로 등장했다.