철근콘크리트 구조

콘크리트 속에 묻혀 있는 철근에 인장력을 가할 때, 묻힌 길이가 짧으면 철근이 쉽게 빠진다. 이때 철근 끝부분을 구부리면 묻힌 길이가 짧더라도 쉽게 뽑히지 않는데, 이처럼 정착이나 이음을 위해 철근 끝을 구부리는 것을 표준갈고리라고 한다.

 

철근 콘크리트의 강조

일반적인 콘크리트는 부재가 하중을 받아 눌리는 압축에는 매우 잘 견딘다. 옆 방향으로 압축을 가해도 압축 변형률 한계를 넘어 부서질 때까지 전체가 압축에 잘 저항한다. 하지만 반대로 인장, 그러니까 부재가 당겨질 때에는 잘 견디지 못한다. 일반적으로 콘크리트의 인장강도는 압축강도의 1/9에서 1/13 정도다. 구체적으로 콘크리트는 자갈(굵은 골재), 모래, 알갱이(가는 골재) 등이 시멘트, 물 등과 화학적 결합 없이 단지 섞이어 접착되어 있는 혼합물이기 때문에 압축을 받을 때는 서로 맞물리어 잡아주면서 잘 견디지만, 인장이 가해지면 서로 간의 접착이 떨어지면서 분해되어 균열이 생기고 잘 견디지 못한다.

이러한 이유로 콘크리트의 강도를 실험할 때는 주로 압축강도만 측정하고 인장강도는 잘 측정하지 않는다. 발현되는 인장강도가 매우 적어 실험 할 수 있는 실험물체를 제작하기도 어렵고, 만약에 만들어도 제대로 된 측정결과를 얻기 힘들기 때문이다. 따라서 직접 인장강도가 아닌 쪼갬(할렬) 인장강도를 측정하는데 원주형(원기둥) 콘크리트 공시체를 옆으로 뉘여서 길이가 긴 방향으로 압축력을 가하고 공시체가 반으로 쪼개질 때의 강도를 인장강도로 간주한다. 다만, 설계에서는 콘크리트는 압축응력만 고려하고, 모든 인장응력을 철근이 부담하는 것으로 가정한다.[13] 균열 발생 전까지 콘크리트도 약간의 휨인장강도(파괴계수)를 보이지만 앞서 말한대로 휨압축강도에 비해 현저히 낮고[14] 이걸 굳이 계산하기도 번거로워서 설계에서 고려하지 않는다. 때문에 더 안전하게 설계되도록 유도한다.[15] 그리고 전단이나 비틀림 해석때에는 인장강도를 고려해야 하지만, 앞서 이야기 했듯이 실험이 어려워서 압축강도를 통해 인장강도를 예상하는 실험을 한다.

실제로 건축공학과나 토목공학과에서 쓰는 교재 중에는 콘크리트의 응력-변형률 그래프를 그릴 때 일반적인 재료에 대한 그래프처럼 인장에 대한 변형률과 응력을 양(+)의 부호로 두지 않고 반대로 압축에 대한 변형률과 응력을 양의 부호로 놓고 압축에 대한 응력-변형률 그래프만 고려한다. 쉽게 말해 인장을 아예 고려하지 않는단 이야기다. 인장에 대한 저항이 거의 없는 콘크리트를 가지고 일반 재료처럼 인장이 일어나는 방향을 양의 부호로 하여 콘크리트의 강도 그래프를 그리면 제 3사분면에만 그래프가 그려지기 때문이다.

반면 철근은 인장과 압축을 둘 다 잘 견딘다. 콘크리트는 단순히 여러재료의 혼합물이지만, 철은 그보다 작은 여러가지의 원자들이 화학적으로 결합한 금속이다. 압축이 가해질 경우 각 원자가 전자기력에 의해 서로 밀어내면서 저항하고 인장력이 작용할 경우 인력으로 입자들끼리 잡아당기면서 저항한다. 응력-변형률 곡선을 보면 항복변형률에 도달한 이후 소성구간에 들어서서도 콘크리트에 비해 굉장히 큰 변형률까지 견디면서 이내 응력이 약간 증가하다가 파단(破斷:재료가 분리되어 나뉘어짐)된다.[16] 현재 설계법에서는 인장측 철근이 탄성구간을 거쳐서 항복변형률을 넘어 소성구간에서 응력을 부담하도록 유도한다. 이는 후술할 연성파괴 유도 설계의 발현방법이기도 하다. 콘크리트는 크게보면 인장의 일종인 전단에 취약하지만, 철근은 전단력에 매우 잘 저항하며 현행 설계법에서는 전단파괴 방지를 위한 철근이 받을 수 있는 전단력을 그 단면에서 콘크리트가 받는 전단력의 네 배까지 허용하고 있다.(콘크리트 전단강도 간편식에 4배를 곱하기 때문에 식의 맨 앞쪽 계수가 2/3이다.)

결과적으로 콘크리트를 철근으로 보강하여 철근 콘크리트를 만들면, 압축에 매우 잘 견디는 콘크리트의 강점을 살리고 약점인 인장과 전단에 대한 저항을 철근으로 보강할 수 있다.