합성 인장거동 인장강화효과

왜 배우는가: 합성 인장거동과 인장강화효과는 균열 후 콘크리트가 인장을 일부 분담하는 현상을 설명하여 처짐과 균열폭 계산의 근거가 된다. 기술사 시험에서 1교시 용어와 4교시 논술로 여러 차례 반복 출제되므로 정의, 원리, 기준 수치를 함께 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제136회 4교시 1번, 제122회 1교시 4번, 제99회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

인장강화효과는 균열이 생긴 뒤에도 주변 콘크리트가 철근과 부착으로 맞물려 인장력 일부를 부담함으로써 철근 평균 인장변형률이 단독 철근보다 작아지는 현상이다.

핵심 키워드

• 인장강화효과
• 합성 인장거동
• 부착응력
• 평균 변형률
• 균열 간격
• 인장 콘크리트 기여
• 균열 이후 거동
• 유효 인장영역

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 콘크리트가 갈라진 뒤에도 철근 주변 콘크리트가 완전히 힘을 놓지 않고 철근과 같이 늘어난다는 뜻이다. 이때 콘크리트는 균열면 사이에서 철근을 붙잡고 인장력을 조금씩 되돌려 준다.

정식으로는 철근과 콘크리트가 부착으로 변형을 같이하는 합성 거동에서, 균열 사이 구간의 콘크리트가 받는 인장응력이 철근의 평균 변형률을 줄이는 효과를 말한다. 이를 인장강화효과라 하고 영문으로는 Tension Stiffening이라 한다. 철근과 콘크리트가 함께 변형하는 조건은 합성 거동이며, 두 재료 사이 힘 전달은 부착응력으로 이루어진다.

합성 인장거동의 핵심은 다음과 같다. 철근과 콘크리트는 부착으로 같은 변형률을 가져야 하며, 힘은 콘크리트에서 철근 계면으로 전달되어 철근의 인장응력을 길이 방향으로 변화시킨다. 이 전달 기구를 부착(정착) 이라 한다.

균열 발생 전에는 단면 전체가 선형 탄성으로 거동하며 콘크리트 인장응력도 함께 작용한다. 균열 후에는 균열 단면에서 콘크리트 인장응력이 0이 되지만, 균열 사이 구간에서는 부착을 통해 콘크리트가 인장을 다시 받는다. 이 구간의 평균 평균 변형률은 균열 단면의 철근 변형률보다 작다.

3. 등장 배경과 필요성

철근콘크리트 설계에서는 흔히 균열 후 콘크리트 인장을 무시하고 철근만 인장을 받는다고 가정한다. 그러나 이 가정으로 계산한 처짐과 변형은 실제 부재보다 크게 나온다. 실제 부재에서는 균열 사이 콘크리트가 인장을 일부 분담하기 때문이다.

이 차이를 설명하기 위해 인장강화효과 개념이 필요하다. 사용하중 상태의 처짐, 평균 균열폭, 균열 간격을 합리적으로 구하려면 철근의 평균 변형률을 알아야 하고, 그 값은 인장강화효과를 반영해야 정확하다. 기준이 이 효과를 식으로 반영하는 이유도 여기에 있다.

• 균열 전 거동: 콘크리트 인장응력 포함, 단면 전체 선형 탄성
• 균열 단면: 콘크리트 인장응력 0, 철근만 인장 분담
• 균열 사이 구간: 부착을 통해 콘크리트가 인장 일부 분담

약산식을 쓰는 경우 인장부 콘크리트의 균열점까지 거동은 무근 콘크리트 보와 같다고 가정하며, 콘크리트 파괴계수는 λ와 콘크리트 압축강도로 정한다. 이 파괴계수는 균열 발생 기준이며 인장강화효과의 크기를 직접 정하지는 않는다. 보통중량 콘크리트에서 경량콘크리트계수 λ는 1이다.