철근콘크리트 구조의 특성

핵심 정리

철근콘크리트 구조는 인장에 약한 콘크리트를 철근으로 보강한 구조다. 철근은 인장력을, 콘크리트는 압축력을 효과적으로 분담하여 저항한다. 콘크리트는 인장을 거의 받지 못하므로 중립축 아래의 인장부는 철근이 맡는다. 이 분담이 성립하려면 두 재료가 힘을 주고받으며 한 몸으로 움직여야 하고, 그 조건을 만드는 것이 부착이다. 철근과 콘크리트는 상호 부착력이 커서 함께 거동한다. 온도가 변해도 두 재료가 어긋나지 않아야 한다는 조건도 중요하다. 철근과 콘크리트는 열팽창계수가 거의 같다. 온도 변화에 따른 신축량이 거의 비슷하여 두 재료가 함께 움직이는 것이 이 구조의 또 하나의 근거다. 보를 예로 들면 원리가 잘 드러난다. 콘크리트만으로 보를 만들면 아래쪽 인장부가 외력에 버티지 못하고 파괴된다. 그래서 인장을 받는 아래쪽에 철근을 넣고, 압축을 받는 위쪽에도 철근을 넣으면 복철근 보, 아래쪽에만 넣으면 단철근 보라고 한다. 주철근 외에 전단파괴를 막는 전단보강철근도 함께 배근한다. 콘크리트의 강알칼리성은 철근을 보호하는 조건이다. 콘크리트는 강한 알칼리성이어서 내부 철근의 부식이 억제된다. 다만 철근이 대기와 접하면 부식되어 성능이 떨어지므로, 인장부 철근의 성능 저하는 되도록 피해야 한다. 구조 형식 측면에서는 철근콘크리트 구조는 철골구조에 비해 진동과 소음이 작게 발생한다.

자세히

슬래브 철근과 수축·온도철근

수축·온도철근은 설계기준항복강도를 발휘할 수 있도록 정착되어야 한다. 1방향 슬래브에서 휨철근이 한 방향으로만 배치되면 이 휨철근에 직각 방향으로 수축·온도철근을 배치하여야 한다. 슬래브 끝이 단순받침부라도 내민슬래브로 부모멘트가 생기면 이에 상응하는 철근을 배치하여야 한다. 간격 기준은 대상별로 따로 있다. 1방향 슬래브의 정모멘트·부모멘트 철근 중심 간격은 위험단면에서 슬래브 두께의 2배 이하이고 300mm 이하이다. 수축·온도철근의 간격은 슬래브 두께의 5배 이하, 또한 450mm 이하로 하여야 한다. 두 기준은 대상이 달라 섞어 쓰지 않는다.

휨 응력의 분담과 철근 위치

휨부재 해석에서는 몇 가지 가정을 쓴다. 철근과 콘크리트의 변형률은 중립축으로부터의 거리에 비례한다고 가정할 수 있다. 철근의 변형률이 항복강도에 대응하는 변형률보다 크면 철근의 응력은 변형률과 관계없이 fy로 한다. 콘크리트 압축응력의 분포와 변형률 관계는 직사각형, 사다리꼴, 포물선형 등으로 가정할 수 있다. 휨 해석에는 콘크리트의 인장강도를 무시한다는 가정도 함께 쓰인다. 철근 위치는 모멘트 방향에 따라 정해진다. 단순지지 보의 하중점에서 중립축 하부는 인장 영역이다. 캔틸레버 구간의 부모멘트에 대한 주인장철근은 단면의 상부에 배근한다. 한계 상태는 변형률로 판정한다. 프리스트레스를 가하지 않은 휨부재는 공칭강도 상태에서 순인장변형률이 최소 허용변형률 이상이어야 한다. 인장철근이 설계기준항복강도에 대응하는 변형률에 도달함과 동시에 압축콘크리트가 극한변형률에 도달하면 균형변형률 상태다.

정착길이와 기둥 띠철근

정착길이는 철근이 뽑혀 나가지 않고 힘을 발휘하도록 확보하는 길이다. 철근의 정착길이는 설계기준항복강도와 공칭지름에 비례하고 콘크리트 설계기준압축강도의 제곱근에 반비례한다. 길이가 늘어나는 조건은 철근 지름과 경량콘크리트 사용이고, 콘크리트 강도가 높아지면 그만큼 줄어든다. D22 이상의 철근은 D19 이하의 철근보다 정착길이를 크게 해야 한다. 경량콘크리트를 사용하면 보통중량콘크리트보다 정착길이가 증가한다. 기둥에서는 띠철근의 배치와 간격이 따로 정해진다. 모든 모서리 축방향철근은 135° 이하로 구부린 띠철근의 모서리에 의해 횡지지되어야 한다. 띠철근의 수직간격은 축방향 철근지름의 16배, 띠철근 또는 철선지름의 48배, 기둥 최소 치수 이하로 한다. 기초판 또는 슬래브 윗면에 연결되는 기둥의 첫 번째 띠철근 간격은 다른 띠철근 간격의 1/2 이하로 한다.

구조 형식과 시공 방식

벽식구조는 보나 기둥 없이 벽체와 슬래브를 일체식으로 구성하여 하중을 벽체로 전달하는 구조다. 골조식 구조는 보와 기둥으로 골조를 이루어 층고 절감에는 불리하지만, 바닥 강성으로 층간 소음·진동 저감에 유리하다. 일체식 구조는 현장에서 콘크리트를 타설하여 일체로 만드는 습식 구조다.