세상을 바꾼 기술들이 있습니다. 건축에서는 철근콘크리트 구조가 이에 해당됩니다. 철근콘크리트구조가 세상에 나온지 한 세기가 좀 넘었지만 이 기간동안 세계를 완전히 새롭게 변화시게 됩니다. 철근콘크리트구조는 신이 인간에게 귀뜸해준 레시피가 아닐까 싶을 정도로 뛰어난 성능과 기능성, 내구성을 가지면서도 중요한 재료들을 쉽게 얻을 수 있습니다.
철근콘크리트구조의 개념을 복잡하고 어려운 용어들은 최대한 배제하고 알아보도록 하겠습니다.
철근콘크리트구조
철근콘크리트구조는 Reinforced Concrete Structure, RC구조라고도 합니다. 단어 그대로 철근으로 보강한 콘크리트 구조입니다. 철근콘크리트구조가 아무리 뛰어난 기술이라해도 이렇게 짧은 시간에 세상을 변화시킨 것에는 쉽게 구할 수 있는 재료로 만들어지지만 결과물은 자연에서 찾아보기 힘든 강도와 조형성을 가졌기 때문입니다.
콘크리트의 주 재료는 쉽게 구할 수 있는 것들입니다. 모래와 자갈같은 골재가 약 75%, 물 15%, 시멘트 10%로 이루어집니다. 모래와 굵은 골재는 지천에 널려있고 물 또한 마찬가지 입니다. 콘크리트에서 시멘트가 골재를 뭉쳐있게 만드는 접착재로서 매우 중요한 역할을 하는데, 석회암에서 얻는 석회가 주재료이며 이 또한 전세계에서 쉽게 구할 수 있는 재료입니다.
철근콘리트구조는 콘크리트와 철근의 뛰어난 상호보완에 의해 이루어집니다. 콘크리트의 단점은 철근이 해결해주고 철근의 단점은 콘크리트가 보완해줍니다. 먼저 콘크리트와 철근의 장단점을 이해할 필요가 있습니다.
콘크리트 장점 및 단점
콘크리트의 장점은 다음과 같습니다.
- 콘크리트는 다양한 형태로 제작이 가능합니다.
- 재료를 쉽게 구할 수 있고 운반이 용이합니다.
- 내구성, 내화학성이 뛰어납니다.
- 압축강도가 크고 재료의 조합에 따라 다양한 강도로 조절이 가능합니다.
- 시공성이 좋습니다.
- 재료가 흔해 경제성이 좋고 유지비용 또한 적게 듭니다.
- 강한 알칼리성을 가져 철강재의 부식을 방지합니다.
콘크리트이 단점은 다음과 같습니다.
- 시멘트의 수화반응에서 건조수축에 의한 균열이 발생합니다.
- 만들어지고나서 철거나 재활용에 많은 노력과 비용이 필요합니다.
- 원하는 강도로 경화되는데 시간이 많이 소요됩니다.
- 품질관리에 주의가 필요합니다.
- 인장강도가 압축강도에 비해 상대적으로 취약합니다.(압축강도의 약 1/10)
철근의 장점 및 단점
철근의 장점은 다음과 같습니다.
- 철근은 압축력과 인장력 모두에 강한 성질을 가지고 있습니다.
- 원하는 형태와 길이로 제작이 쉽습니다.
- 다양한 강도와 용도로 제작이 가능합니다.
철근의 단점은 다음과 같습니다.
- 압축력이 뛰어난 재료이지만 굵기가 가는 철근은 좌굴이 일어나기 쉽습니다.
- 공기중에서 쉽게 부식이 됩니다.
- 열에 약합니다.
철근과 콘크리트의 상호보완
철근과 콘크리트의 장점과 단점을 각각 알아보았는데, 이 둘의 단점을 서로 보완하는 관계를 가집니다.
- 콘크리트가 인장력에 약하지만 철근이 인장력에 강함
- 콘크리트의 양생과정에 발생하는 건조수축이나 신축 균열을 철근이 방지함
- 철근의 압축에 대한 좌굴을 콘크리트가 보완함
- 공기중에서 철근은 부식이 되지만 콘크리트는 강알카리성 성질로 부식을 방지함
- 열에 약한 철근을 콘크리트가 내화 피복제의 역할로 보호함
이처럼 둘이 서로 부족한 부분을 완벽하게 보완하는 관계를 가지면서 두 재료의 장점만 취할 수 있는것이 철근콘크리트입니다. 철근과 콘크리트가 복합재료로 사용되기 위해서는 각각의 재료가 같은 환경에서 온도에 따른 선팽창계수가 같아야 하는데 철근과 콘크리트는 서로 비슷한 선팽창계수를 가집니다. 이러한 부분이 신의 레시피라할 수 있는 부분입니다. 서로의 부족함을 완벽히 채워주면서도 비슷한 선팽창계수를 가지는 완벽한 짝이라고 할 수 있습니다.
철근이 콘크리트 안에서 부식에 대해 보호받는 원리에 대해서는 따로 다루어 보겠습니다.
철근과 콘크리트의 구조적 역할
철근콘크리트에서 콘크리트는 압축력을 부담하는 역할을 합니다. 반대로 철근은 구조물에서 발생하는 인장력을 부담하게 됩니다. 구조물의 인장력은 휨모멘트, 전단력, 건조수축, 신축팽창에서 발생합니다.
보에서 발생하는 휨모멘트를 예로 들면 보의 상부에 누르는 힘을 받게되는데 양 끝단이 고정되어 있으므로 중간이 처지는 힘을 받게 됩니다. 이 처지는 힘에의해 상부는 좁아지면서 압축력이 되고 하부는 늘어나면서 인장력이 발생하게 됩니다. 인장력에 약한 콘크리트를 보강하기위해 철근이 하부 늘어나는 부분에 있어야 하는 이유입니다.
철근콘크리트 구조는 여전히 기술이 발전하고 있는 상태입니다. 철근의 양을 줄이거나 대체하고, 콘크리트의 성능을 높이는 방향으로 많은 노력이 이루어지고 있습니다. 인류의 주거문제 뿐 아니라 그 이상으로 확장과 접근성이 달라지게 한 철근과 콘크리트가 어떻게 상화보완하면서 구조적으로 뛰어난 기능을 가지게 되었는지 철근콘크리트구조의 개념에 대해 간략하게 살펴보았습니다.