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1. 철근콘크리트 구조의 개요
(1) 철근콘크리트 구조의 특성
철근콘크리트 구조는 건축 및 토목 구조물에서 가장 널리 사용되는 구조 형식으로, 철근과 콘크리트를 결합하여 설계된 것입니다. 이 구조는 철근이 인장력을 담당하고, 콘크리트가 압축력을 담당하도록 설계되어 있어, 높은 강도와 내구성을 제공합니다. 철근콘크리트 구조의 주요 특성과 그로 인한 장점 및 단점은 다음과 같습니다.
1) 장점
내구성: 철근콘크리트 구조는 내구성이 뛰어나며, 다양한 환경적 요인에 견딜 수 있습니다. 콘크리트가 외부의 물리적, 화학적 공격으로부터 철근을 보호합니다.
내화성: 콘크리트는 높은 내화성을 가지고 있어, 화재에 대한 저항력이 강합니다. 이는 건물의 안전성을 크게 향상시킵니다.
내진성: 철근콘크리트 구조는 지진에 대한 저항성이 강하며, 구조물의 무게와 강도가 지진력에 대응할 수 있도록 설계됩니다.
설계 자유도: 설계 및 시공 과정에서 구조적 자유도가 높아 다양한 형태와 크기의 구조물 설계가 가능합니다.
유지비용 절감: 구조물이 견고하고 내구성이 높아 유지보수 및 관리 비용이 적게 듭니다.
재료의 용이한 조달: 철근과 콘크리트는 상대적으로 구입하기 쉬운 재료들로, 건축 자재를 수급하기 용이합니다.
2) 단점
구조물의 중량: 철근콘크리트 구조물은 중량이 무겁습니다. 철근콘크리트의 밀도는 약 2.4톤/㎥로, 이는 무근콘크리트보다 무겁습니다 (무근콘크리트: 2.3톤/㎥).
공사 기간: 습식 구조로 인해 건설 공사 기간이 길어질 수 있습니다. 콘크리트가 경화되기까지 시간이 필요하여 전체 공사 기간이 늘어납니다.
가설물 비용: 콘크리트 구조물의 시공에는 거푸집 등 가설물이 필요하며, 이로 인해 비용이 증가할 수 있습니다.
균열 발생: 콘크리트는 경화 과정에서 수축으로 인한 균열이 발생할 수 있으며, 균열이 국부적으로 파손되기 쉬운 경향이 있습니다.
전음도: 철근콘크리트 구조물은 소음 전도가 크며, 소음 문제를 고려하여 설계해야 합니다.
(2) 철근콘크리트 구조 성립 이유
철근콘크리트 구조는 철근과 콘크리트가 상호 보완적으로 작용하여 높은 강도와 내구성을 발휘합니다. 철근이 인장력을 담당하고 콘크리트가 압축력을 담당하는 이유는 다음과 같습니다:
인장력과 압축력 분담: 철근은 인장력을 받아들여야 하는 부위에 배치되며, 콘크리트는 압축력을 받아들이는 부위에 배치됩니다. 이로 인해 구조물의 하중 분산이 효율적으로 이루어집니다.
내구성: 콘크리트 속에 포함된 철근은 부식에 강하며, 콘크리트의 알칼리성 환경 덕분에 철근의 부식이 억제됩니다. 이로 인해 구조물의 내구성이 높아집니다.
열팽창 계수: 철근과 콘크리트의 열팽창 계수가 유사하여 온도 변화에 대해 비슷한 거동을 보입니다. 이는 구조물의 균열을 방지하는 데 도움이 됩니다.
부착 강도: 철근과 콘크리트 사이의 높은 부착 강도는 철근의 좌굴을 방지하며, 전체 구조의 안정성을 보장합니다.
2. 철근의 이음 및 정착
(1) 철근의 이음 및 정착 길이
1) 이음 길이
철근의 이음 길이는 콘크리트 구조물의 강도와 내구성에 영향을 미치는 중요한 요소입니다. 이음 길이는 철근의 용도와 부하에 따라 다르게 설정됩니다:
압축력 또는 작은 인장력: 일반적으로 보통 콘크리트에서 25d 이상의 이음 길이를 확보하고, 경량 콘크리트에서는 30d 이상의 이음 길이가 필요합니다.
큰 인장력: 큰 인장력을 받는 경우, 보통 콘크리트에서는 40d 이상의 이음 길이를, 경량 콘크리트에서는 50d 이상의 이음 길이를 확보해야 합니다.
2) 이음 위치
철근의 이음 위치는 구조물의 안정성에 큰 영향을 미치며, 다음과 같은 규칙에 따라 설정됩니다:
인장력 위치: 인장력이 적은 부위에서 이음을 하며, 동일 위치에서 철근 수의 반 이상을 이음하지 않습니다.
철근 지름 기준: D29(Φ28) 이상의 철근은 겹친 이음으로 처리하지 않으며, 철근 지름이 다를 경우, 작은 지름의 철근을 기준으로 합니다.
보철근 이음: 상부의 보철근은 중앙에서 이음하고, 하부는 단부에서 이음합니다.
3) 정착 위치
철근의 정착 위치는 구조물의 강도를 유지하는 데 중요한 요소입니다:
기둥과 보: 기둥의 주근은 기초에 정착하며, 보의 주근은 기둥에 정착합니다. 기둥 중심선을 지나 외측에 정착하는 것이 일반적입니다.
작은 보의 주근: 작은 보의 주근은 큰 보에 정착합니다.
직교하는 보와 기둥: 직교하는 단부 보 밑 기둥이 없을 경우, 보 상호 간에 정착합니다.
벽철근 및 바닥철근: 벽철근은 기둥, 보, 또는 바닥판에 정착하며, 바닥철근은 보 또는 벽체에 정착합니다.
지붕 보의 주근: 지붕 보의 주근은 기초 또는 기둥에 정착합니다.
(2) 철근의 피복
철근의 피복 두께는 콘크리트 표면에서 철근 표면까지의 두께를 말하며, 구조물의 내구성 및 안전성에 영향을 미칩니다:
피복의 목적: 피복은 철근의 방청을 위한 내구성 확보, 내화성 확보, 그리고 콘크리트와 철근 사이의 부착력 강화를 위해 필요합니다.
피복 두께 기준:
수중 타설 콘크리트: 100mm
흙에 직접 묻히는 콘크리트:
D29 이상 철근: 60mm
D25 이하 철근: 50mm
D16 이하 철근: 40mm
옥외 공기 노출 콘크리트:
슬래브, 벽체, 장선: D35 초과 철근 40mm, D35 이하 철근 20mm
보, 기둥: 40mm
쉘, 철판 두께: 20mm
3. 콘크리트의 기본 사항
(1) 시멘트의 종류
시멘트는 콘크리트의 주요 구성 요소로, 다양한 종류가 있으며 각각의 특성과 용도가 다릅니다:
1) 포틀랜드 시멘트
주요 성분: 포틀랜드 시멘트는 점토(실리카, 알루미나), 산화철, 석회석 등의 성분으로 구성됩니다.
비중 및 단위용적 중량: 포틀랜드 시멘트의 비중은 약 3.15이며, 단위용적 중량은 1,300~2,000kg/㎥ (일반적으로 1,500kg/㎥)입니다.
분말도: 시멘트의 분말도는 수화 작용 속도에 영향을 미치며, 지나치게 큰 분말도는 풍화의 원인이 될 수 있습니다.
응결: 시멘트의 응결 속도는 수량, 온도, 분말도, 화학 성분, 풍화, 습도 등에 따라 달라집니다.
2) 혼합 시멘트
고로 시멘트: 응결 시간이 약간 느리며 장기 강도가 우수합니다. 해수에 대한 저항성이 강합니다.
실리카 시멘트: 시공 연도를 개선하며, Bleeding 현상을 감소시킵니다. 비중이 가장 작아 가벼운 특성이 있습니다.
플라이애쉬 시멘트: 수밀성이 뛰어나며, 수화열과 건조 수축이 적습니다. 댐 공사에 적합합니다.
3) 기타 시멘트
알루미나 시멘트: 내화성이 뛰어나며, 급결성이 뛰어나고 초기 강도가 매우 높습니다.
팽창 시멘트: 수축률을 20~30% 감소시키며, 슬래브 균열 제거용 및 이어 치기 콘크리트용으로 사용됩니다.
(2) 골재
1) 골재의 분류
골재는 콘크리트의 중요한 구성 요소로, 다음과 같이 분류됩니다:
세 골재(잔 골재): 5mm 체에서 중량비 85% 이상이 통과하는 골재입니다.
조골재(굵은 골재): 5mm 체에서 중량비 85% 이상 남는 골재입니다.
2) 재질 및 모양
골재는 청정하고 내구성이 있어야 하며, 유기 불순물이 포함되지 않아야 합니다. 골재의 모양은 둥글거나 입방체에 가까운 것이 바람직하며, 이는 콘크리트의 강도와 작업성을 향상시킵니다.
(3) 물
콘크리트에 사용되는 물은 유해 물질이 없어야 하며, 기름, 산, 알칼리, 유기 불순물 등이 포함되지 않아야 합니다. 철근 콘크리트에는 해수를 사용해서는 안 되며, 해수는 철근 부식의 원인이 될 수 있습니다.
(4) 혼화재료
혼화재료는 시멘트 사용량의 5% 이상을 사용하는 대체 재료로, 콘크리트의 성질을 개선하는 데 사용됩니다. 혼화제는 시멘트 사용량의 1% 미만으로 사용되며, 주로 성질 개선을 목적으로 합니다.
(5) 콘크리트 공사 일반
1) 생콘크리트의 성질
Workability: 작업의 난이도 및 재료 분리 저항 정도를 나타냅니다.
Consistency: 반죽의 질기 정도를 나타내며, 콘크리트의 유동성을 결정합니다.
Plasticity: 거푸집에 쉽게 다져 넣을 수 있는 정도를 의미합니다.
Finishability: 마무리하기 쉬운 정도를 나타냅니다.
Pumpability: 펌프에서의 Workability를 의미하며, 콘크리트를 펌프로 이송할 수 있는 정도