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1. 철근콘크리트 구조의 역사와 특징
1.1. 철근콘크리트의 정의
철근콘크리트는 콘크리트가 힘을 받게 되면 인장 측에 균열이 발생하여 파괴 시 급작스러운 취성파괴가 발생하게 되므로, 이를 보완하기 위해 콘크리트 속에 철근을 묻어서 효율적으로 외력에 저항할 수 있도록 만들어진 구조이다. 즉, 콘크리트는 압축력에는 강하나 인장력, 전단력에는 약하기 때문에 철근을 사용하여 이러한 단점을 보완한 것이 철근콘크리트 구조라고 할 수 있다.
1.2. 철근콘크리트의 역사
콘크리트의 기원은 약 2,000년 전 로마 시대로 추정된다. 1760년 영국의 Smeton이 Calder강의 수문에 사용하였다는 첫 번째 기록이 있다. 1796년 Parkar는 로마인들이 사용한 자연산 시멘트를 발견하였고, 1811년 Vicat는 진흙과 석회의 혼합물을 가열하여 시멘트를 제조하는 데 성공하였다. 1824년 영국의 벽돌공 Joseph Aspdin이 포틀랜드시멘트를 제조하는 데 성공하였다.
1854년 Lambot는 철망으로 측벽을 보강한 콘크리트 소형 배를 제작하였고, 1855년 프랑스의 Francois Coignet가 강봉을 콘크리트 바닥에 배치하였다. 1867년 프랑스의 Monier에 의해 철망으로 보강된 콘크리트 화분, 수조와 물통이 개발되었으며, 1873년 교량, 1875년 계단에 대한 특허를 취득하였다. 이후 1879년 프랑스의 Francois Hennebique에 의해 획기적으로 발전하였다.
1879년 강재보에 콘크리트를 덮어씌운 내화강재보와 철근콘크리트 슬래브가 등장하였고, 1892년 스터럽과 굽힘 철근을 사용한 효율적이고 경제적인 철근콘크리트 보가 개발되었다. 1898년에는 11m의 단경간보와 3.6m의 캔틸레버보, 철근콘크리트 나선형 계단이 설계되었다. 1900년 프랑스에서 철근콘크리트 시방서 제정 위원회가 구성되었고, 1906년 시방서가 제정되었다. 이후 1963년 미국 콘크리트학회(ACI)에서 강도설계법을 처음으로 도입하였다.
1.3. 철근콘크리트의 발견
철근콘크리트의 발견은 1860년대 프랑스 정원사였던 조셉 모니에로부터 시작되었다. 그는 쉽게 깨지는 화분으로 골머리를 앓고 있었는데, 깨지지 않는 화분을 만들기 위해 계속해서 연구를 거듭하게 된다. 결국 그는 철사 그물과 시멘트로 만든, 아주 튼튼하고 견고한 화분을 개발하게 되고 이 화분을 1867년 파리 박람회에 출품하며 특허를 냈다.
이 화분으로 큰돈을 벌게 된 조셉 모니에는 자신의 화원을 멋지게 개조하게 되는데, 화분에 사용했던 철사 그물 대신 철근을 활용하여 경사진 계단을 만들고, 개울을 가로지르는 다리를 만들게 되는데, 이것이 세계 최초의 철근 콘크리트 공사이다. 이후 모니어의 기법은 급속히 발전하여 1873년 교량, 1875년 계단에 대한 특허를 취득하는 등 철근콘크리트 기술이 급속히 발전하게 되었다.
1.4. 우리나라 설계기준 제정 역사
우리나라의 철근콘크리트 설계기준 제정 역사는 다음과 같다"
1959년 콘크리트 표준시방서 제정 착수 후 1961년 최초로 콘크리트 표준시방서가 제정되었다. 이후 1969년, 1978년, 1983년에 콘크리트 표준시방서가 개정되었다.
1989년에는 강도설계법을 처음으로 도입하였다. 기존에는 허용응력설계법을 사용하였으나, 1989년 개정 시 강도설계법이 본문에 수록되고 허용응력설계법은 부록에 수록되는 형태로 변경되었다.
1996년에는 강도설계법으로 전면 전환하였다. 이후 1999년에 토목, 건축 설계기준이 통합되었고, 2003년에는 MKS단위에서 SI단위로 개정되었다. 2007년에는 강도감소계수 등 보다 합리적인 설계기준이 개정되었다.
1.5. 철근콘크리트의 성립 이유
철근콘크리트의 성립 이유는 다음과 같다.
첫째, 철근과 콘크리트는 온도에 대한 팽창계수가 거의 같다. 콘크리트의 온도팽창계수는 1.0~1.3×10-6/℃이고 철근의 온도팽창계수는 1.2×10-6/℃로, 80℃ 이하의 온도 변화에서 두 재료 간 서로 다른 변형률이 관측되지 않는다.
둘째, 철근과 콘크리트 사이의 부착강도가 비교적 크다. 콘크리트가 경화된 후, 철근과 콘크리트 사이에는 부착력이 유지되며, 이형철근을 사용할 경우 부착력이 더욱 증가한다.
셋째, 콘크리트 속에 묻혀있는 철근은 부식되지 않는다. 콘크리트 입자 속에 pH 12.5 정도의 수산화칼슘 용액과 약간의 수산화나트륨을 함유한 용액으로 존재하여, 철근 표면에 수산화물로 이루어진 얇은 산화피막이 형성되어 부식되지 않는다.
넷째, 구조 하중 부담에 있어서 중립축 상부의 압축력은 콘크리트가 부담하고, 중립축 하부의 인장력은 철근이 부담한다.
다섯째, 내화성이 뛰어나다. 피복두께를 통해 화재 시 열의 전도를 지연시키므로 내화적 성능이 좋다.
여섯째, 콘크리트의 강도가 압축강도>휨강도>인장강도 순으로 강하기 때문에, 콘크리트가 압축력을, 철근이 인장력을 부담하는 구조로 시너지 효과를 발휘할 수 있다.
1.6. 철근콘크리트 구조의 장단점
1.6.1. 철근콘크리트 구조의 장점
철근콘크리트 구조의 장점은 다음과 같다.
첫째, 내화성과 내구성이 우수하고 유지관리가 쉽다. 콘크리트는 화재에 강하고 내구성이 뛰어나 철근콘크리트 구조물의 수명이 약 100년 정도로 길다. 또한 콘크리트의 단단한 성질로 인해 유지관리가 용이하다."
둘째, 구조물의 크기와 형상을 자유롭게 설계할 수 있다. 콘크리트는 액체 상태에서 경화되므로 구조물의 모양을 자유롭게 설계할 수 있다. 이를 통해 건축가들은 창의적인 디자인을 실현할 수 있다."
셋째, 내진성능과 내구성이 우수하다. 철근콘크리트 구조는 지진이나 강한 바람에도 잘 견딜 수 있다. 또한 부식에 강해 오랜 기간 동안 사용할 수 있다."
넷째, 재료 구입이 용이하고 경제성이 높다. 철근과 콘크리트는 대량생산이 용이하고 지역에서 쉽게 구할 수 있는 재료이다. 또한 철골조에 비해 공사비가 저렴하다."
다섯째, 콘크리트의 부착력으로 철근의 좌굴을 방지한다. 콘크리트 내부의 철근은 콘크리트와 강한 부착력으로 결합되어 있어 철근의 좌굴을 효과적으로 방지할 수 있다."
여섯째, 고층 건물, 지하 및 수중 구축이 가능하다. 철근콘크리트 구조는 높이와 깊이에 구애받지 않고 다양한 환경에 적용할 수 있다."
마지막으로, 유지관리비가 적게 든다. 철근콘크리트 구조는 내구성이 우수하여 수선과 보수 비용이 적게 든다.
1.6.2. 철근콘크리트 구조의 단점
철근콘크리트 구조의 단점은 다음과 같다.
첫째, 중량이 크고 균열이 발생하기 쉽다"이다. 콘크리트는 강재에 비해 단위 무게당 강도가 낮기 때문에 구조물의 자중이 크다. 또한...
