일반구조 - 철근콘크리트 구조

1. 개요

(1) 철근콘크리트 구조의 장단점

철근콘크리트 구조란 철근은 인장력을 부담하고

콘크리트는 압축력을 부담하도록 설계한 

일체식으로 구성된 구조로써 우수한 내진구조이다.

 

1) 장점

- 내구, 내화, 내진적이다.

- 설계와 의장이 자유롭다.

- 유지비, 관리비가 적게 든다.

- 재료 구입이 용이하다.

2) 단점

- 중량이 무겁다.

  (철근콘크리트 : 2.4t/㎥, 무근 콘크리트 : 2.3t/㎥)

- 습식 구조이므로 공사기간이 길어진다.

- 공사의 성질상 가설물(거푸집 등)의 비용이

  많이 든다.

- 균열 발생이 쉽고 국부적으로 파손되기 쉽다.

- 전음도가 크다.

 

(2) 철근 콘크리트 구조 성립 이유

- 철근은 인장력을 부담하고, 콘크리트는

  압축력을 부담한다.

- 콘크리트 속에 매립된 철근은 녹스는 일이 없어

  내구성이 좋다. (철근은 산성, 콘크리트는 알칼리성)

- 철근은 콘크리트의 온도에 대한 선팽창계수가

  거의 유사하며 온도 변화에 비슷한 거동을 보인다.

- 철근과 콘크리트와의 부착강도가 커서 

  잘 부착되며, 콘크리트 속에서 철근의 좌굴이

  방지된다.

 

 

2. 철근

(1) 철근의 이음 및 정착 길이(d : 철근 지름)

구분	압축력 또는 작은 인장력	큰 인장력
보통 콘크리트	25d 이상	40d 이상
경량 콘크리트	30d 이상	50d 이상

 

(2) 철근의 이음 및 정착 위치

1) 철근의 이음

- 인장력이 적은 곳에서 이음을 하고, 

  동일 장소에서 철근수의 반 이상을 잇지 않는다.

- D29(Φ28) 이상의 철근은 겹친 이음으로 

  하지 않는다.

- 철근 지름이 다를 때에는 작은 지름의 철근을

  기준으로 한다.

- 보 철근 이음은 상부근은 중앙,

  하부근은 단부에서 한다.

 

2) 철근의 정착 위치

- 기둥의 주근 : 기초에 정착

- 보의 주근 : 기둥에 정착(기둥 중심선을 지나 외측에

  정착시킨다.)

- 작은 보의 주근 : 큰 보에 정착

- 직교하는 단부 보밑 기둥이 없을 때 : 

  보 상호 간에 정착

- 벽 철근 : 기둥, 보 또는 바닥판에 정착

- 바닥 철근 : 보 또는 벽체에 정착

  (보 중심선을 지나 외측에 정착시킨다.)

- 지붕보 주근 : 기초 또는 기둥에 정착

 

(3) 철근의 피복

- 피복두께 : 콘크리트 표면에서 가장 근접한 철근

  표면까지의 두께(mm)

- 피복의 목적 : 내구성(철근의 방청), 내화성,

  부착력 확보

- 현장 치기 콘크리트의 최소 피복두께 기준

종류		피복두께
수중에 타설하는 콘크리트		100mm
흑에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀있는 콘크리트		80mm
흙에 접하거나 옥외의 공기에 직접 노출되는 콘크리트	D29 이상 철근	60mm
	D25 이하 철근	50mm
	D16 이하 철근	40mm
옥외의 공기나 흙에 직접 접하지 않는 콘크리트	슬래브, 벽체, 장선	D35 초과 철근	40mm
		D35 이하 철근	20mm
	보, 기둥		40mm
	쉘, 철판두께		20mm

* 철근의 피복두께 유지 목적

- 내화성 유지(철근은 350℃에서 항복점이

  급격히 저하, 600℃에서 항복점이 1/2로 된다.)

- 내구성(철근의 방청) ㅇ지

- 시공상 콘크리트 치기의 유동성 유지

  (굵은 골재의 유동성 유지)

- 구조내력상 피복으로 부착력 증대

 

 

3. 콘크리트

(1) 시멘트의 종류

1) 포틀랜드 시멘트

① 포틀랜드 시멘트

 ㉠ 주성분 : 점토(실리카, 알루미나), 산화철, 석회석

   -> 클링커+3% 석고(응결 시간 조절용) -> 시멘트

 ㉡ 비중 및 단위용적 중량 : 비중은 3.15 전후이고,

   단위용적 중량은 1,300~2,000kg/㎥로 

   보통 1,500kg/㎥

 ㉢ 분말도 : 수화 작용 속도에 큰 영향을 미치고,

   시공 연도, 공기량, 수밀성 및 내구성에도

   영향을 주나, 분말도가 지나치게 크면 

   풍화가 쉽다.

 ㉣ 응결 : 수량, 온도, 분말도, 화학성분, 풍화,

   습도에 따라 다르다.

② 조강 포틀랜드 시멘트 : 조기강도 우수

   (28일 압축강도를 7일에 낸다.)

   긴급공사, 한중공사에 적당

③ 중용 열 포틀랜드 시멘트 : 조기강도는 늦으나

   장기강도는 우수, 방사선 차단 효과

 

2) 혼합 시멘트

① 고로 시멘트 : 응결 시간이 약간 느리고, 

   Bleeding 현상이 적어진다. 장기강도가 우수하고

   해수에 대한 저항력이 크다. 댐 공사에 적당

② 실리카 시멘트 : 시공 연도 증진, Bleeding현상 감소,

   비중이 가장 작다.

③ 플라이애쉬 시멘트 : 수밀성이 좋고 수화열과 

   건조 수축이 적다. 댐 공사에 적당

 

3) 기타 시멘트

① 알루미나 시멘트 : 내화성, 급결성 보일러실,

   긴급을 요하는 공사에 사용되며, 초기 강도가

   매우 높다. (보통 포틀랜드 시멘트 강도 28일의

   강도를 1일에 낸다.)

② 팽창 시멘트 : 수축률 20~30% 감소, 

   slab 균열 제거용, 이어 치기 콘크리트용

* 시멘트의 압축강도 : 1일 - 3일 - 7일 - 28일

* 시멘트의 조기강도(응결 빠른 순서)

  : 알루미나 시멘트 > 조강 포틀랜드 시멘트 >

   보통 포틀랜드 시멘트 > 고로 시멘트 > 

   중용 열 포틀랜드 시멘트

* 시멘트의 성분별(응결 빠른 순서)

  : C₃A > C₃S > C₄AF > C₂S

 

(2) 골재

1) 골재의 분류

① 세 골재(잔 골재) : 5mm 체에서 중량비 85%

   이상 통과하는 콘크리트용 골재

② 조골재(굵은 골재) : 5mm 체에서 중량비 

   85% 이상 남는 콘크리트용 골재

 

2) 재질

모래자갈은 청정, 강경하고 내구성이 있고,

화학적, 물리적으로는 안정하며, 알 모양이 둥글거나

입방체에 가깝고 입도가 적당하고 유기 불순물이

포함되지 않아야 하며, 소요의 내화성 및

내구성을 가진 것이어야 한다.

 

3) 골재의 모양

콘크리트에 유동성이 있게 하고 공극률이 적어

시멘트를 절약할 수 있는 둥근 것이 좋고

넓거나 길쭉한 것, 예각으로 된 것은 좋지 않다.

 

 

(3) 물

- 물은 유해량이 기름, 산, 알칼리, 유기 불순물

  등을 포함하지 않는 깨끗한 것이어야 한다.

- 철근 콘크리트에는 해수를 사용해서는 안 된다.

  (해수는 철근 부식의 주원인)

  무근 콘크리트에는 바닷물을 사용해도 무방하다.

  -> 철근 방청상 염분 0.04% 이하

- 당분이 포함되어 있으면 콘크리트의 경화가

  지연된다. -> 당분 0.1% 이하

 

(4) 혼화재료

- 굳지 않는 콘크리트나 경화된 콘크리트의

  제성질을 개선하기 위하여 콘크리트 비빔 시

  첨가하여 사용하는 재료

- 혼화재는 사용량이 비교적 많아서 그 자체의

  부피가 콘크리트의 배합 계산에 관계되는 

  것이며, 혼화제는 사용량이 적어서 배합

  계산에서 무시된다.

- 혼화재료의 분류

  ㉠ 혼화재 : 시멘트 사용량의 5% 이상(다량)을

    사용하는 대체 재료(양) -> 포졸란, 플라이 애쉬,

    고로 슬래그 분말, 실리카 흄

  ㉠ 혼화제 : 시멘트 사용량이 1% 미만(소량)을

    사용하여 시멘트의 성질을 개선(질) -> AE제,

    감수제, AE감수제, 응결 경화 촉진제, 발포제,

    방수제, 방동제, 유동화제, 착색제

 

(5) 콘크리트 공사 일반

1) 생콘크리트의 성질(굳지 않는 콘크리트의 성질)

용어	내용
Workability (시공연도)	작업의 난이정도 및 재료분리 저항하는 정도
Consistency (반죽질기)	반죽의 되고 진 정도(유동성의 정도)
Plasticity (성형성)	거푸집에 쉽게 다져 넣을 수 있는 정도
Finishability (마감성)	마무리 하기 쉬운 정도
Pumpability (압송성)	펌프동 콘크리트의 Workability

 

2) Bleeding 현상

콘크리트 타설 후 물과 미세한 물질(석고, 불순물 등)

등은 상승하고, 무거운 골재나 시멘트 등은

침하하게 되는 현상을 Bleeding 현상이라 한다.

Bleeding 현상은 일종의 재료분리 현상으로서

laitance 현상을 유발해 콘크리트의 품질을

저하시키는 원인이 된다.

* 레이턴스(laitance) 현상 : Bleeding 수의 증가에 

  따라 콘크리트면에 침적된 백색의 미세한 물질

 

3) 콘크리트의 압축강도와 각종 강도의 비교

콘크리트의 강도는 4주간(28일) 양생 한 시험체의

압축강도를 표준으로 한다.

콘크리트의 양생에서 4주 중 초기가 가장 중요한 

시기로 콘크리트의 강도에 영향을 미친다

* 콘크리트의 압축강도와 각종 강도의 비교

① 인장강도/압축강도 = 1/10~1/13

② 휨 강도/압축강도 = 1/5~1/7

③ 전단강도/압축강도 = 1/4~1/7

 

4) 콘크리트의 강도에 영향을 주는 요소

- 물, 시멘트 비

- 골재 혼합비

- 골재의 성질과 입도

- 시험체의 형상과 크기

- 양생 방법과 재령

- 시험방법

* 여러 요소 중 콘크리트의 강도에 가장 큰 

  영향을 주는 것은 물, 시멘트 비이다.

 

 

(6) 콘크리트의 배합

1) 콘크리트의 배합설계 순서

설계기준강도(소요강도) 결정 -> 배합 강도 결정 ->

시멘트 강도 결정 -> 물 시멘트 비 결정 -> 

슬럼프 값 결정 -> 골재입도 결정 -> 배합의 결정

-> 보정 -> 재료 계량 -> 배합의 변경

 

2) 설계기준강도 결정

- 콘크리트의 28일 압축강도를 말하며

  설계기준강도는 150, 180, 210, 270, 300 kgf/㎠

  로 한다.

- 설계기준강도 = 장기 허용응력도 x3 = 

  단기 허용응력도 x1.5

 

3) 물, 시멘트 비(W/C)의 산정

  (콘크리트 표준시방서 기준)

- 소요의 강도, 내구성, 수밀성 및 균열저항성 등을

  고려하여 정한다.

- 압축강도와 물 시멘트 비의 관계는 시험에 의해

  정하는 것을 원칙으로 한다.

- 물, 시멘트 비는 60% 이하가 원칙이다.

 

4) 슬럼프 값

- 슬럼프 값은 시공 연도의 양부를 결정한다.

- 표준 슬럼프 값

구분	진동다짐	진동다짐 아닐 때	소요 slump 표준값
보, 바닥	5~10cm	15~18cm	고급	18cm 이하
기둥, 벽	10~15cm	18~21cm	보통	21cm 이하

 

(7) 콘크리트 이어 붓기

1) 콘크리트 이어 붓기 위치

개소	이어붓기 위치
기둥	보, 바닥판 또는 기초 윗면에서 수평으로
보, 슬래브	스팬 중앙부에서 수직으로(작은 보 있는 바닥판 : 작은보 나비의 2배 떨어진 위치에서)
벽	개구부 주위(문틀, 끊기 좋고 이음자리 막이를 떼어내기 쉬운 곳에서 수직, 수평)
아치	아치축에 직각으로
켄틸레버	이어붓기 안하는 것을 원칙

 

 

(8) 특수 콘크리트

1) A.E 콘크리트

콘크리트에 표면활성제(AE제)를 사용하여 

콘크리트 중에 미세한 기포(0.03~0.3mm)를 

발생하여 단위수량을 적게 하고,

시공 연도를 개선시킨 콘크리트이다.

- 시공 연도의 향상

- 단위수량이 감소

- 동결 융해에 대한 저항성이 증대(동기 공사 가능)

- 내구성, 수밀성이 크다.

- 재료분리, 블리딩 현상이 감소

- 화학작용에 대한 저항성이 크다.

- 콘크리트 경화에 따른 발열량이 적어진다.

- 부착강도가 저하된다.

  (공기량 1% 증가에 대해 4~6%의 압축강도가

  저하)

* 공기량의 성질 : AE제를 많이 넣으면 공기량은

  증가, 압축강도는 감소한다.

  공기량 약 5%는 내구성을 증대시키나, 

  지나친 공기량(6% 이상)은 압축강도와 내구성은

  감소된다.

 

2) 수밀 콘크리트

콘크리트 자체가 밀도가 높고 내구적, 방수적이어서

물의 침투나 방지나 지하에 방수를 요할 때 쓰인다.

- W/C = 50% 이하

- 된 비빔 콘크리트로 하고 진동 다짐을 

  원칙으로 한다.

- 혼합은 3분 이상 충분히 하고 slump값은 18cm

  이하로 한다.

- 수밀성을 개선하기 위하여 표면활성제(A.E제)

  를 사용한다.

 

3) 경량 콘크리트

구조물의 경량화를 목적으로 경량 골재를 사용하며,

기건비중이 2.0 이하, 설계기준 강도 15 MPa 이상

24 MPa 이하, 단위 중량 1.4~2.0t/㎥ 정도의

콘크리트이다.

- 자중이 적다. 내화성이 크고 열전도율이 적으며

  방음효과가 있다.

- 시공이 번거롭고 재료 처리가 필요하다.

- 강도가 적다. 건조 수축이 크고, 다공질이다.

- 시공 연도 확보를 위하여 AE제, AE 감수제를

  사용하며, 표면 건조 내부 포수 상태의 골재를

  사용한다.

- W/C 비는 60% 이하로 하고, Slump 값

  18cm 이하로 한다.

 

4) 프리스트레스트 콘크리트

PC강재에 미리 인장력을 가한 상태로 콘크리트는

넣고 완정 경화 후 강현재 단부에서 인장력을 

푸는 방법으로 만든 콘크리트이다.

- 프리스트레스트를 도입하는 공법에는 

  프리텐션 공법과 포스트텐션 공법 등이 있다.

- 장 스팬 구조가 가능하고 균열 발생이 없으며,

  구조물의 자중 경감과 부재단면을 줄일 수 있다.

- 내구성, 복원성이 크고 공기단축이 가능하다.

- 화재에 약하며 5cm 이상의 내화피복이

  필요하다.

 

 

4. 각부 구조

(1) 보

1) 단순보

- 단순보는 양단이 조적조 등에 단순히 얹혀 

  있는 상태의 보이다.

- 보의 하부에는 인장력이 생겨 균열이

  되므로 재의 축(길이) 방향으로 철근을 넣어

  보강한다.

- 단순보의 인장력은 보의 중앙부의 하부에서

  최대가 되고, 단부의 하부로 갈수록 작아지므로

  단부에서는 하부 철근이 많이 필요하지 않다.

* 보의 배근

  - 단순보의 주근은 중앙부에서는 하부에 

    많이 넣는다.

  - 단순보의 주근은 단부에서는 상부에 많이 넣는다.

  - 단순보의 늑근(스터럽)은 중앙부보다 

    단부에서 좁게 배치한다.

 

2) 철근콘크리트 보의 배근

- 보의 주근 지름은 D13 이상으로 한다.

- 철근의 이음은 중앙부에서는 상부에 둔다.

- 스터럽은 중앙부보다 단부에 많이 넣는다.

- 보 하부의 중앙부에는 인장력을 받는다.

- 인장 측과 압축 측에 철근을 배근하는 보를

  복근 보라고 한다.

- 인장력에 대항하는 보의 축방향력의 철근을

  주근이라고 한다.

 

3) 철근콘크리트 보에서 늑근(스터럽)을 두는 목적

- 전단력에 의한 균열 방지

- 균열 후 그 균열의 증대 방지

- 주철근 상호 간의 위치 보존

 

 

(2) 기둥

- 기둥 단면의 최소 치수는 20cm 이상이고 최소

  단면적은 600㎠ 이상이어야 한다.

- 주근은 13mm 이상으로 하고 주근의 개수는

  장방형 기둥에서 최소 4개 이상, 원형 기둥에서는

  4개 이상(나선 철근 : 6개 이상)이어야 한다.

- 띠철근은 직경 6mm 이상의 철근을 쓰며 

  띠철근의 간격은 다음 중 작은 값으로 한다.

  = 축방향 철근 직경의 16배

  = 띠철근 직경의 48배

  = 기둥의 최소폭

  = 30cm

- 나선 철근은 직경 6mm 이상이 철근을 쓰며

  나선 철근의 정착 길이로서 이음과 기둥

  단부에서는 1.5회를 여분으로 감는다.

 

 

(3) 슬래브

- 두께는 8cm 이상 또는 다음 값 이상으로 한다.

- 슬래브의 인장 철근은 D10 이상 철근 또는 

  6mm 이상의 용접철망을 사용하며 간격은 아래와 같다.

방향	철근 보통콘크리트
단변 방향	20cm 이하, 직경 9mm 미만의 용접철망에서는 15cm 이하
장변 방향	30cm 이하, 슬래브두께의 3배 이하, 직경 9mm 미만의 용접철망에서는 20cm 이하

- 슬래브 각 방향의 최소 철근비는 0.2% 이상

  (원형 철근 0.25%)

- 철근의 피복 두께는 2cm 이상

- 경미한 슬래브나 특수 슬래브는 위 구조 

  제한에 따르지 않을 수 있다.

 

 

(4) 계단

- 경사 슬래브식 계단 : 측보를 설치하지 않고

  2 변 이상이 보나 벽으로 지지된 형식

- 굴절식 계단 : 계단참과 계단 슬래브가 

  일체로 연결된 형식

- 캔틸레버보식 계단 : 계단실 측벽 또는 

  보에서 바닥판을 내민 형식

 

 

(5) 벽체

1) 내력벽(내진 벽)

- 기둥과 보로 둘러싸인 벽으로 지진, 바람 등

  수평하중을 받는다.

- 두께 15cm 이상으로 하고 25cm 이상일 경우

  복근으로 배근한다.

- 사용 철근은 D10 이상을 사용하고 간격은

  45cm 이하로 한다.

- 개구부는 없는 것이 좋으나 있을 경우는 D13

  이상의 철근으로 주위를 보강한다.

 

2) 장막 벽

- 단순히 공간을 막아 주기 위해 설치한 것

- 반드시 철근 콘크리트 구조로 할 필요는 없다.

- 나무 구조, 벽돌구조, 블록 구조, 경량 철골구조 등

  적합한 것을 사용하도록 한다.