크리프 현상

왜 배우는가: 크리프는 지속하중 아래에서 콘크리트 변형이 시간에 따라 늘어나는 현상으로, 장기 처짐과 프리스트레스 손실을 좌우한다. 실무 설계에서 장기 변형을 검토할 때 가장 먼저 확인하는 거동이며, 시험에서는 정의, 영향 인자, 표현 방법을 묶어 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제139회 1교시 9번, 제115회 1교시 8번, 제94회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

크리프는 콘크리트에 일정한 지속하중이 작용할 때 응력이 거의 일정해도 변형률이 시간에 따라 증가하는 현상이다.

• 지속하중: 시간에 따라 크기가 변하지 않고 계속 작용하는 하중
• 크리프변형률: 시간 경과에 따라 추가로 증가하는 변형률
• 크리프계수: 크리프변형률을 초기 탄성변형률로 나눈 값
• 재령: 하중 재하 시점의 콘크리트 나이
• 상대습도: 주변 공기의 습도로, 건조 정도를 좌우하는 환경 인자
• 응력 재분배: 크리프로 부재 간 응력이 옮겨 가는 현상

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 콘크리트 기둥이나 보에 무거운 짐을 오래 올려 두면 처음 순간에 생긴 변형 말고도 시간이 지날수록 천천히 더 휘고 줄어든다. 이 추가 변형이 크리프다. 하중을 빼도 전부 되돌아가지 않고 일부는 남는다.

정식 정의는 다음과 같다. 크리프는 지속된 하중에 의해 시간에 따라 증가하는 변형이다. 하중 재하 직후 나타나는 변형은 탄성변형이고, 같은 지속하중에 의해 그 뒤에 추가로 생기는 변형이 크리프변형이다. 크리프는 직접 측정할 수 없고, 총변형에서 탄성변형과 건조수축변형을 빼서 구한다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 크리프계수는 크리프변형률을 초기 탄성변형률로 나눈 무차원 값이다. 설계에서는 이 값에 장기 처짐과 손실을 곱해 계산한다. 기본 크리프는 수분 출입이 없는 조건의 크리프이고, 건조 크리프는 건조가 진행되는 동안 응력과 함께 나타나는 추가 변형이다. 건조 크리프는 수축과 크리프가 독립적으로 일어나지 않고 서로 얽혀 있음을 보여 준다.

また 크리프는 콘크리트 구조에서 나쁜 면만 있는 것이 아니다. 완만한 크리프는 인장 응력을 줄여 균열을 늦추는 효과도 있다. 그러나 설계에서는 주로 장기 처짐 증가와 프리스트레스 감소를 위험 요인으로 본다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 철근콘크리트 설계는 단기 하중에 대한 탄성 해석이 중심이었다. 이후 장기간 사용되는 건축물과 교량에서 처짐이 설계 값보다 크게 증가하는 사례가 보고되면서 장기 거동을 따로 검토할 필요가 생겼다. 이에 따라 크리프와 건조수축을 함께 고려하는 장기 처짐 계산법이 정리되었다.

PSC 구조가 보편화되면서 크리프의 중요성이 더 커졌다. 긴장재에 가한 힘은 콘크리트 크리프와 건조수축, 강재 릴렉세이션과 함께 시간에 따라 감소한다. 이 감소를 프리스트레스 손실이라 하며, 크리프는 그중 가장 큰 비중을 차지하는 원인 중 하나다. 손실이 과소 평가되면 사용 중 처짐과 균열 제어가 기대에 못 미친다.

또 장기하중을 받는 기둥에서는 크리프가 편심을 키워 좌굴 위험을 높인다. 이처럼 크리프는 처짐, 손실, 안정성의 세 방면에서 설계 검토 항목으로 자리 잡았다. 시험에서 크리프를 묻는 이유도 여기에 있다.

재료 측면의 배경은 시멘트 페이스트와 골재의 상호작용이다. 시멘트 페이스트는 수분 이동과 미세 균열을 통해 시간에 따라 변형하고, 골재는 이를 구속한다. 따라서 콘크리트 크리프는 배합, 재령, 습도 같은 여러 조건이 함께 작용하는 복합 현상이다.

4. 구성요소·원리·절차

크리프 변형은 콘크리트 내부의 시멘트 페이스트에서 주로 일어난다. 골재는 변형을 구속하므로 골재 구속이 크리프 크기를 줄이는 역할을 한다. 구성요소를 나누어 보면 다음과 같다.

표에서 보듯 골재는 크리프를 줄이고 페이스트는 크리프를 일으킨다. 두 성분의 상대 비율이 콘크리트 크리프의 크기를 좌우한다. 표 아래 설명처럼 골재 구속과 세공수 이동을 함께 보아야 한다.

원리는 지속 응력에 의해 페이스트 내부의 흡착수가 재배열되고, 점성 흐름과 미세 균열이 누적되는 것이다. 재하를 제거하면 탄성 회복 후 일부만 회복되고 나머지는 영구 변형으로 남는다. 이 과정이 시간에 따라 로그 함수 형태로 진행된다.

크리프의 절차는 다음과 같이 진행된다.

• 지속하중 재하 시 즉시 탄성변형이 발생한다.
• 재하 후 시간이 지나며 페이스트의 점성 흐름과 수분 이동으로 변형이 증가한다.
• 변형률 증가 속도는 초기에 빠르고 시간이 지나며 점차 감소한다.
• 재하를 제거하면 탄성 회복 후 크리프 회복이 일부 일어나고 잔류 변형이 남는다.

크리프 계수는 다음 식으로 정의한다.

$\phi(t,t_0)=\frac{\varepsilon_{cc}(t,t_0)}{\varepsilon_{ci}}$

여기서 \phi는 크리프 계수(무차원), \varepsilon_{cc}는 크리프 변형률(무차원), \varepsilon_{ci}는 초기 탄성변형률(무차원), t는 관측 재령, t_0는 재하 재령이다.

계산 예를 든다. 초기 탄성변형률이 \varepsilon_{ci}=300\times10^{-6}이고 크리프 변형률이 \varepsilon_{cc}=600\times10^{-6}이면 \phi=600/300=2.0이다. 결과는 일반 콘크리트의 크리프 계수 범위 안의 값이므로 상식 범위에 맞다.

크리프 변형 흐름도는 다음과 같다.

크리프 계수는 크리프 변형률을 초기 탄성변형률로 나눈 값이다

5. 관련 법령·기준·표준

크리프 계산은 설계기준의 크리프 계수 식을 따른다. 국내 콘크리트 구조 설계기준은 콘크리트 구조기준으로 정하며, 장기 처짐과 프리스트레스 손실 계산에 크리프 계수를 쓴다. 기준값은 다음 표와 같다. 조항 번호는 확실하지 않아 기준 이름만 쓴다.

표의 값은 설계 계산에 쓰는 기준이다. 실제 계산은 해당 기준의 최신 식과 조건을 따른다.

CEB-FIP 모델과 ACI 209 모델은 크리프와 건조수축을 시간 함수로 나타내는 대표 예측식이다. 두 모델의 예측 정확도는 자료 조건에 따라 편차가 있다. 이는 설계 여유를 두고 장기 변형을 검토해야 함을 뜻한다.

6. 유형과 비교

크리프는 재료 종류, 응력 상태, 재하 시기와 환경에 따라 여러 형태로 나뉜다. 콘크리트에서는 건조 여부에 따라 기본크리프와 건조크리프로 구분하고, 재하 방식에 따라 압축크리프와 인장크리프를 따로 본다. 시험 조건을 정리해 두면 장기 처짐 검토에서 어떤 값을 써야 하는지 판단하기 쉽다.