콘크리트 크리프

왜 배우는가: 콘크리트 크리프는 장기 하중을 받는 PSC 부재, 보, 기둥의 처짐과 프리스트레스 손실을 좌우하는 현상이라 실무 설계와 유지관리에서 항상 검토된다. 건축시공기술사 시험에서도 개념 정의, 영향 인자, 저감 대책을 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제123회 1교시 13번, 제92회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장 콘크리트 크리프는 일정한 지속 하중 아래에서 시간 경과에 따라 변형이 계속 증가하는 현상이다.

핵심 키워드

• 크리프 계수(creep coefficient)
• 탄성변형과 크리프 변형의 구분
• 건조 크리프(drying creep)
• 기본 크리프(basic creep)
• 재하 재령(age at loading)
• 장기 처짐

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 콘크리트에 무거운 짐을 오래 올려 두면 처음 생긴 변형에 더해 시간이 지나며 변형이 조금씩 더 커진다. 이 추가 변형이 크리프다. 짐을 올리는 순간 생기는 변형은 탄성변형이고, 그 뒤에 같은 하중이 계속 작용해서 생기는 추가분이 크리프 변형이다.

정식 정의는 다음과 같다. 크리프는 지속 하중에 의한 시간 종속적 변형의 증가이며, 총 변형에서 탄성변형과 건조수축 변형을 뺀 값으로 구한다. 크리프는 직접 관측할 수 없고 총 변형을 분리해서 결정한다는 점이 시험에서 자주 확인되는 포인트다.

핵심 용어 풀이는 아래와 같다.

기본 크리프는 외부와 수분 교환이 없는 밀봉 상태에서 생기는 크리프다. 시편 크기의 영향을 받지 않는다.

건조 크리프는 건조 과정에서 수분이 빠져나가며 생기는 추가 크리프다. 외기 습도가 낮을수록, 부재가 얇을수록 커진다. 하중과 건조 수축이 상호작용하므로 응력 유도 수축(Pickett 효과)이라고도 부른다.

크리프 계수는 재하 후 최종 크리프 변형을 탄성변형으로 나눈 값으로, 장기 처짐 계산의 기본 계수다.

콘크리트의 크리프는 응력이 낮을 때 대체로 선형으로 거동한다. 부재 응력이 콘크리트 압축강도의 40~50% 정도 이하의 낮은 범위이면 선형 점탄성으로 근사할 수 있고, 이때 중첩의 원리가 성립한다. 엄밀히는 비탄성이다. 이 가정 덕분에 구조 해석에서 장기 변형을 계산할 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

콘크리트는 재료 자체가 점탄성 거동을 보인다. 시멘트 페이스트 내부의 겔 수분이 하중 아래에서 이동하고, 미세 균열과 재배열이 일어나면서 변형이 시간에 따라 증가한다. 초기에 설계할 때는 탄성 해석만으로 충분했지만, 장대 교량과 고층 건물, 프리스트레스트 콘크리트 구조가 늘면서 장기 거동을 설계에 반영하는 것이 필수가 되었다.

프리스트레스트 콘크리트에서는 크리프와 건조 수축이 긴장재의 응력을 줄여 프리스트레스 손실을 일으킨다. 실제 장대 박스 거더 교량에서 장기 처짐이 과대해져 균열이 생긴 사례가 보고되었다. 이 때문에 설계 단계에서 크리프 계수를 정확히 반영하고, 재하 재령을 높여 크리프를 줄이는 시공 관리가 요구된다.

또한 크리프는 항상 해로운 것만은 아니다. 적당한 크리프는 인장 응력을 완화해 온도·건조 수축에 따른 균열을 줄이는 효과가 있다. 따라서 시공기술사는 크리프를 무조건 막는 대상이 아니라, 처짐 한계 이내로 예측하고 제어하는 대상으로 이해해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

크리프 변형은 지속하중, 재료 상태(시멘트 페이스트·골재), 습도·재하 시기가 함께 작용해 생긴다. 콘크리트에서는 시멘트 페이스트가 주된 크리프 발생원이고 골재는 크리프를 구속하는 역할을 한다. 그래서 골재율과 철근량이 많을수록 전체 크리프는 줄어든다.

표 설명: 시멘트 페이스트는 변형의 원천이고 골재와 철근은 변형을 억제하는 구속재다. 두 요소의 체적 비율이 크리프 크기를 좌우한다.

원리는 다음과 같다. 하중이 지속되면 시멘트 겔 속 물이 점성 유동으로 이동하면서 변형이 시간에 따라 증가한다. 이 변형은 처음에는 빠르고 시간이 지나며 감소한다. 콘크리트 크리프는 로그 함수에 가깝게 증가하며, 종국치가 있어 유한하다. 그래서 콘크리트는 점성 액체가 아니라 고체로 거동한다.

크리프 변형은 다음 식으로 나타낸다.

$\varepsilon_{total}(t)=\varepsilon_{el}(t_0)+\varepsilon_{cr}(t,t_0)+\varepsilon_{sh}(t)$

여기서 \varepsilon_{total}은 총 변형률, \varepsilon_{el}은 재하 시점의 탄성 변형률, \varepsilon_{cr}은 크리프 변형률, \varepsilon_{sh}은 건조수축 변형률이다. 크리프 계수는 \varphi(t,t_0)=\varepsilon_{cr}/\varepsilon_{el}로 정의한다. 크리프 계수는 무차원 값이다.

수축과 크리프는 독립 현상이 아니므로 실험에서는 총 변형에서 탄성 변형과 수축 변형을 빼서 크리프만 구한다. 구조 해석에서는 두 변형을 중첩한다고 가정한다.

절차(크리프 변형 산정)

• 재하 시점의 재령 t_0와 재하 응력 \sigma_c를 정한다.
• 재하 시점의 탄성 변형률 \varepsilon_{el}=\sigma_c/E_c를 구한다.
• 환경(상대습도 RH), 부재 두께 또는 V/S 비, 재령을 입력해 크리프 계수 \varphi를 구한다.
• 크리프 변형률 \varepsilon_{cr}=\varphi\,\varepsilon_{el}를 구한다.
• 건조수축 변형률을 더해 총 장기 변형을 구하고 처짐·응력 재분배에 반영한다.

재하 재령이 낮을수록 크리프 계수가 크다

도식은 아래와 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

콘크리트 크리프 산정은 설계기준의 장기 변형 규정을 따른다. 국내에서는 콘크리트구조 설계기준(KDS 14 20 00 계열)과 콘크리트구조 해석 규정이 근거다. 크리프 계수 산정식은 재령, 재하 재령, 부재 두께(V/S), 상대습도를 변수로 쓴다. 주요 기준 값은 다음 표와 같다.

표 설명: 응력 한계와 크리프 계수 산정이 실무에서 가장 많이 쓰인다. 습도와 두께는 건조 크리프 항에만 영향을 준다.

개정 연혁: 국내 설계기준은 콘크리트구조 설계기준의 개정에 따라 크리프 계수 산정 방식이 바뀌어 왔다. 현행 기준 명칭과 세부 식은 최신 고시본으로 확인되어야 하며, 이 절에서는 원리 중심으로 정리했다.

응력이 설계기준강도의 40% 이하이면 크리프는 응력에 비례하는 선형 거동으로 본다. 이 범위를 넘으면 미세균열이 생기고 크리프가 비선형으로 커진다.

6. 유형과 비교

콘크리트 크리프는 재하 조건과 수분 교환 여부에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 가장 기본적인 구분은 기본 크리프(basic creep)와 건조 크리프(drying creep)이다. 기본 크리프는 외부와 수분 교환이 없는 조건에서도 발생하는 변형이고, 건조 크리프는 건조 과정의 수분 이동과 맞물려 추가로 생기는 변형이다. 두 성분을 구분해 두면 부재 치수, 습도, 재하 시기에 따른 변화를 설명하기 쉽다.