"철근 많이 넣어주세요"
집을 지을 때 건축주들이 흔히 하는 말 중 하나입니다. 철근을 많이 넣어서 건물을 튼튼하게 지어달라는 의도로 받아들이고 있습니다. 답은 "네~" 라고 하지만 실제 건축물을 지을 때 철근 콘크리트 구조물에 철근이 많은 것은 독이 되기도 합니다. 건물 지을 때 철근이 많으면 위험한 이유에 대해 설명드려볼까 합니다.
철근의 역할
철근 콘크리트 구조는 현대 건축에 있어 아주 중요한 발명입니다. 강도가 세고 어떤 형태로든지 부재를 만들 수 있는 장점을 가지고 있습니다. 철근 콘크리트는 철근+콘크리트로 이루어진 구조체입니다. 철근과 콘크리트는 뗄래야 뗄 수 없는 상호 보완적인 자재입니다.
콘크리트는 시멘트 + 굵은골재 + 잔골재 + 물 + 혼화재로 이루어진 물질로써 시멘트와 물이 만나 시멘트 페이스트(Cement Paste)가 되는데 수화반응이 시작됩니다. 수화반응이 종결되면 강도를 가진 고체인 콘크리트로 변화하게 됩니다.
※ 시멘트 수화반응 : CaO + H2O = Ca(OH)2
콘크리트는 압축강도가 매우 우수한 재료입니다. 일반적인 콘크리트 규격인 24MPa인 콘크리트는 대략 245kgf/cm2의 힘을 받을 수 있습니다. 우수한 압축강도를 가지고 있는 대신, 콘크리트는 인장력에 취약합니다.
인장력은 서로 잡아 당기는 힘을 말하는데 건축물 부재 중 보(Girder)나 바닥판(Slab)는 상부 하중 때문에 부재 상부쪽은 압축력을 받고 하부쪽은 인장력을 받게 됩니다. 압축강도에 비해 인장강도가 상대적으로 약한 콘크리트를 보완해주기 위해 철근이 들어가게 됩니다. 철근은 인장력에 매우 강한 재료입니다.
철근비
구조공학의 발전으로 우리는 이제 적당한 콘크리트양과 철근양을 계산할 수 있게 되었습니다. 구조물 부재의 압축응력과 인장응력이 동시에 허용응력에 도달하게(동시에 파괴되도록) 철근 개수를 설계한 것을 평형 철근비(balanced steel ratio)라고 합니다. 평형 철근비가 가장 경제적인 설계이지만 실제로는 이보다 더 적은 철근량을 설계합니다.
평형 철근비에 비해 철근량이 적은 것을 과소 철근비라고 하고 평형 철근비에 비해 철근량이 많은 것을 과대 철근비라고 합니다. 실제 건축물 설계시에는 과소 철근비로 설계하게 됩니다.
그 이유는 콘크리트의 취성파괴를 방지하기 위해서입니다. 취성 파괴란 갑자기 파괴가 급작스럽게 일어나는 것을 말합니다. 과대 철근비로 건축물을 짓게 되면 콘크리트 인장강도보다 높은 하중이 있을 시 콘크리트는 파괴된 상태에서 철근 인장력으로 버티게 됩니다. 여기서 철근마저 파손되면 부재는 급격히 균열이 생기고 구조적인 기능을 상실하게 됩니다. 이게 취성 파괴입니다.
하지만 과소 철근비로 설계하면 연성파괴를 유도합니다. 일정 이상의 하중이 철근 콘크리트 부재에 가해졌을 때 콘크리트에 크랙이 발생하는 형태로 연성파괴의 징후들이 나타납니다. 이런 징후들을 캐치하여 구조물이 완전 구조적 기능을 상실하기 전에 조치를 취할 수 있는 시간을 벌 수 있게 됩니다. 이런 연성파괴를 위해 평형 철근비 이하로 철근 설계를 하도록 규정하고 있는 것입니다.
과다 철근의 또 다른 문제점
철근이 많으면 집이 튼튼해진다고만 생각하면 안됩니다. 과다 철근의 문제점은 또 있습니다. 철근량이 많아지면 철근 가닥 수가 많아지고 촘촘해 집니다. 그럼 콘크리트의 골재가 철근을 통과하지 못하는 채움 불량 문제가 생길 수 있습니다.
콘크리트에 포함되는 굵은 골재는 최대 크기가 25mm 정도 되는 자갈입니다. 철근의 간격이 좁으면 콘크리트 골재가 철근 사이를 통과하지 못하게 됩니다. 부분적으로 콘크리트 자갈 채움 불량 문제가 발생하는 것입니다. 특히, 콘크리트 피복이 채워지지 않는 문제가 생기곤 하는데 이는 양생 후 보수를 한다고 해도 철근과 콘크리트의 일체화 능력이 떨어지는 것은 물론 철근의 부식이 야기되어 구조물의 내구성이 저하되는 심각한 구조적 하자가 생길 수 있습니다.
따라서, 콘크리트 구조물 시공시 철근 간격도 매우 중요한 공사 관리 영역입니다. 이를 위해서라도 과다한 철근은 구조물 안전성에 도움이 되지 않습니다.
마무리
앞서 평형철근비라는 개념으로 건축물에 무조건 철근을 많이 넣는다고 좋은 것은 아니라는 것을 알아 보았습니다. 경제적인 측면에서 또, 구조물 안전을 위해서도 철근을 구조 계산과 도면에 의거해서 정확히 시공하는 것이 중요합니다. 무조건 많이 넣는다고 건축물 내구성에 도움이 되는 것은 아닙니다.
이제부턴 만일 여러분들이 집을 짓게 된다고 하면, 시공자에게 또는 설계자에게 "철근 많이 넣어 주세요~" 하는 우를 범하지 않을 수 있을 것입니다. 엔지니어들을 그냥 믿어보세요.
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