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1. 철근콘크리트 구조
1.1. 철근콘크리트 구조의 정의와 특징
철근콘크리트 구조는 압축강도는 높지만 인장강도가 낮은 콘크리트와 콘크리트 속에 매립되어 콘크리트가 부족한 인장강도를 보충하는 철근의 합리적인 결합체이다. 이를 일체식구조 또는 라멘조라고 한다.
철근콘크리트 구조는 콘크리트와 철근의 각자의 장점을 극대화하여 건축물의 구조 재료로 사용되는 대표적인 복합재료이다. 콘크리트는 압축강도가 강하지만 인장강도가 약하기 때문에 이를 보완하기 위해 철근이 사용되며, 철근은 인장강도가 강하지만 압축강도가 약하기 때문에 이를 보완하기 위해 콘크리트가 사용된다. 이러한 방식으로 철근과 콘크리트가 상호 보완적으로 작용하여 구조물의 강도와 내구성을 향상시킨다.
철근콘크리트 구조는 철근과 콘크리트가 일체화되어 하나의 구조체를 이루기 때문에 압축력, 인장력, 전단력 등 다양한 하중에 효과적으로 저항할 수 있다. 또한 철근이 콘크리트 내부에 매립되어 있어 부식으로부터 보호되며, 콘크리트에 의해 화재로부터도 안전하다는 장점이 있다.
종합적으로 철근콘크리트 구조는 건축물의 기둥, 보, 슬래브, 벽체 등 다양한 구조부재에 적용되어 내구성, 내화성, 내습성 등이 우수한 구조 시스템을 구현할 수 있다는 특징을 가지고 있다.
1.2. 철근콘크리트 구조의 장단점
철근콘크리트 구조는 높은 압축강도를 가지며 상대적으로 가격이 저렴하다는 장점이 있다. 또한 물과 불에 대해 큰 내구력과 내화력을 갖고 있으며, 단단하여 처짐이 적고 진동 및 충격에 저항력이 크다. 이에 따라 유지보수비가 적게 들어 장기적으로 경제성이 증가하며, 다른 건설재료에 비해 사용수명이 길다. 특히 기초, 지하벽, 교량의 교대 등 구조물 건설 시 가장 경제적인 재료로 활용될 수 있다. 단순한 슬래브나 보, 기둥에서 아치나 쉘 등 다양한 형태로 구조물을 제작할 수 있는 조형성도 가지고 있다. 또한 대부분의 지역에서 저가의 지역 자재를 사용할 수 있으며, 상대적으로 덜 숙련된 인력을 활용할 수 있다는 장점이 있다.
하지만 콘크리트의 인장강도가 매우 낮기 때문에 균열이 발생할 수 있으며, 이를 보완하기 위해 철근이 필요하다는 단점이 있다. 또한 지붕이나 벽, 비슷한 구조물에서 콘크리트가 경화할 때까지 지지하기 위해 동바리나 거푸집이 필요하며, 이에 따른 추가적인 비용이 발생한다. 콘크리트의 무게에 대한 강도비가 낮아 고정하중이 커져 장경간의 교량이나 연약지반의 구조물에는 불리하다. 더불어 고층 빌딩이나 장경간 구조물 건설 시에도 상대적으로 불리할 수 있다. 콘크리트의 배합이나 혼합, 배치 및 양생 관리에 어려움이 많아 품질 변화의 가능성이 있으며, 건조수축이나 크리프 등의 장기변형으로 인한 균열 발생 위험이 있다. 마지막으로 동절기에 콘크리트가 충분한 강도를 갖기 전까지 얼지 않도록 관리해야 하는 어려움이 있다.
1.3. 철근과 콘크리트의 결합 원리
철근과 콘크리트는 서로 보완적인 특성을 가지고 있어 합성재료로 사용될 수 있다. 콘크리트는 압축강도가 높지만 인장강도가 낮은 반면, 철근은 인장강도가 높지만 압축강도가 낮다. 이러한 특성을 활용하여 철근과 콘크리트를 합성재료로 사용함으로써 각각의 단점을 보완할 수 있다.
첫째, 콘크리트와 철근 사이의 부착력이 철근의 미끄러짐을 방지한다. 철근과 콘크리트가 잘 부착되면 철근의 좌굴이 방지되어 압축력에도 철근이 유효하게 작용할 수 있다. 이형철근의 경우 표면에 마디와 리브가 있어 부착력이 40% 이상 증가한다.
둘째, 콘크리트의 적절한 알칼리성이 철근의 부식을 방지한다. 철근은 콘크리트 속에 매립되어 있어 외부 환경으로부터 보호받게 되므로 부식을 방지할 수 있다.
셋째, 철근과 콘크리트의 열팽창계수가 거의 같아 온도 변화에 따른 구조적 문제가 발생하지 않는다. 철근의 열팽창계수는 12×10⁻⁶/℃이고 콘크리트의 열팽창계수는 10×10⁻⁶/℃로 유사하다.
넷째, 콘크리트는 화재에 대한 내화성이 높아 철근을 보호할 수 있다. 철근 단독으로 사용하면 화재 시 강도가 빠르게 저하되지만, 콘크리트가 철근을 감싸고 있어 화재 시에도 일정 시간 동안 철근의 강도가 유지될 수 있다.
이처럼 철근과 콘크리트의 상호 보완적인 특성으로 인해 두 재료를 합성하여 사용하면 건축물의 내구성, ...
