철근콘크리트

철근콘크리트 설치 작업 현장

사진에 있는 철근 콘크리트 부재는 공장에서 양생한 뒤, 건설 현장으로 이동시켜 조립하는 방식의 Precast Concrete다. 일반적인 철근 콘크리트는 현장에서 직접 철근을 배근하고 거푸집을 만든 뒤 타설하고 양생하여 만들어진다. 이렇게 공장에서 생산하는 경우 양생 환경(온도, 습도, 진동제어 등)을 최적화 할 수 있고 작업자의 숙련도에 따른 품질 차이를 줄일 수 있기 때문에 콘크리트에 중요한 초기 및 장기 강도 증진과 품질 확보에 유리하다. 그러나 이미 굳어버린 콘크리트이기에 현장에서 부재간 접합 시에 특수한 공법이 요구된다.

철근콘크리트(reinforced concrete, RC)는 인장력이 약한 콘크리트를 보강하기 위하여 철근을 배치한 콘크리트이다. 간략히 철콘이라고도 한다. 철근은 인장력이 작용해도 뽑혀 나가지 않도록 끝을 구부리거나 고리로 만들고, 표면에 마디가 있는 이형철근을 쓴다. 현재 건설에 사용되는 대부분의 콘크리트는 철근콘크리트이다. 철근과 콘크리트는 온도 변화에 따른 신축량이 거의 비슷하기 때문에 일체로 거동하는 특성을 가진다.

개요

철근콘크리트 건축 자재의 일종이다. 콘크리트 안에 철근을 넣어 콘크리트의 단점인 부족한 인장강도(잡아당기는 힘에 버티는 강도)를 보완한 복합자재다. 건설 현장에서나 서류 등에는 줄여서 R/C(Reinforced Concrete)나 철콘이라고 쓰이는 경우가 많다.

철근 콘크리트의 성립 이유는 다음과 같다:

1. 철근과 콘크리트의 열팽창계수는 거의 같다.
2. 콘크리트 속의 철근은 부식되지 않는다.
3. 철근은 인장에 강하고 콘크리트는 압축에 강하다.
4. 철근과 콘크리트 사이의 부착강도가 크다.

콘크리트와 철근을 같이 쓸 수 있는 첫 번째 이유는 철근과 콘크리트의 열팽창계수가 우연하게도 거의 동일하기 때문이다. 두 번째로 콘크리트가 철근을 감싸는 형태로 시공되므로 부식에 취약한 철근에 공기가 접촉하는 것을 막아주고, 타설당시 콘크리트는 수분을 잔뜩 머금고 있지만 알칼리성 물질이라 철근의 부식을 막아준다.

영어로는 'Reinforced Concrete'. 여기서 철근을 Reinforcement, Reinforcement bar 혹은 Re-bar라고 칭한다. 직역하면 보강된 콘크리트지만 의미상으로는 철근콘크리트라 부르는 것이 맞다. 철근 이외에 다른 재료를 쓸 경우, Polymer concrete, Cementitious composite 등으로 혼합되는 재료나 발현되는 재료적 특성에 따라 명칭이 달라진다.

건축, 토목 분야에서 사용하며 철근 콘크리트의 타설 후 중량은 1입방미터당 2.5톤 가량으로 무겁고, 물이 사용되는 습식재료이므로 시공기간도 오래 걸려서 주로 일정 크기 이상의 건축물에 사용된다. 현재 5층 이하 규모의 타운하우스나 상가는 기초만 철근 콘크리트로 다지고 그 위는 시공기간이 단축되는 경량철골이나 목구조로 만들어지는 추세다. 특별히 문제가 없다면 철근 콘크리트 구조물의 수명은 일반적으로 50~200년 정도로 길다. 단, 부실시공일 때는 제외다.

다만 '수명'만을 볼 때는 철근콘크리트 보다 그냥 콘크리트만으로 지은 건물의 수명이 더 길다. 이는 장기적으로 콘크리트에 포함된 수분이나 미세한 균열을 통해 유입된 수분이 철근을 부식시키기 때문.

역사

본 내용은 김상식이 쓴, 《철근 콘크리트 구조설계》제5판에 기재된 내용과 한국콘크리트협회에서 발간한 《최신 콘크리트 공학》(2011년 개정) 및 다른 것을 보충하여 서술한다.

콘크리트는 고대 이집트와 로마 때부터 사용되었는데, 이 때의 콘크리트는 화산재 퇴적물의 일종인 응회암의 분말과 석회, 모래를 물에 섞은 뒤 굳혀 만든 일종의 모르타르(Mortar)로, 주로 석재나 벽돌을 연결하는 접착재료로 사용하였고, 현대와 같은 콘크리트 건물을 만드는 방식은 아니었다.

이런 원시적인 콘크리트를 이용해 만든 가장 유명한 건축물은 기원 후 126년 완성된 로마의 판테온 신전이다. 현대에 비하면 원시적인 천연 콘크리트를 이용해 무려 43.3m의 돔을 만들어냈다. 당시에는 철근이 없어 콘크리트의 단점인 인장력을 보완하기 위해 말총을 넣었는데, 놀랍게도 최신예공법인 '섬유보강' 콘크리트(Fiber Reinforced Concrete)를 이미 2000년 전에 사용한 셈이다.

또한 고대 로마 제국 팽창에 따라 이집트나 그리스 등지에서도 사용되었다.

19세기에 들어 영국을 중심으로 시멘트에 대한 연구가 활발히 이루어졌고, 1824년 벽돌공 조셉 아스피딘(J. Aspidin)이 분말로 분쇄된 석회석과 점토를 섞어 가마에서 소성하는 시멘트 제조법을 발견하였다. 이렇게 만들어진 시멘트는 영국 남부 포틀랜드 지방에서 산출되는 회백색 석회석과 비슷하여 포틀랜드 시멘트(Portland Cement)라 이름 붙여졌고 현재에도 그대로 불려지고 있다. 강재로 보강된 콘크리트는 1832년 영국의 이삼바드 킹덤 브루넬에 의해 런던의 템즈강 터널공사에 처음으로 사용되었다는 기록이 있다. 다만 현재의 철근 콘크리트와는 커다란 차이가 있다.

이에 힘입어 콘크리트의 취약점인 인장강도 보강에 대한 연구가 1850년대 이후로 많이 진행되었다. 1854-1855년 윌킨슨(W.B. Wilkinson)의 철근 콘크리트 바닥판 특허나, 1848년 발명, 1855년 특허를 받은 프랑스의 랑보(J.L. Lambot)가 만든 철망 보강 콘크리트 보트 등이 이 시대의 결과물이다.

1853년에는 프랑스의 사업가 프랑수아 쿠아녜(François Coignet)가 파리시의 외곽에 세계 최초로 철근 콘크리트 건물을 짓기도 했다. 이 때 철근은 콘크리트를 더 튼튼하게 보강하려는 목적보다는, 소조처럼 덧붙여진 콘크리트 덩어리를 잡아줄 뼈대 목적으로 사용한 것이었다.

철근 콘크리트 개발에서 가장 괄목할만한 연구는 프랑스의 정원사 모니에(J. Monier)에 의해 이루어졌는데, 콘크리트로 만든 화분이 작은 충격에도 자꾸 깨지는 것 때문에 내부에 철망을 두른 콘크리트 화분을 만든 것이다. 이를 1854년 제2회 파리 만국박람회에 출품하였고 1855년에 특허받았다. 모니에는 1875년까지 철근 콘크리트를 이용한 파이프, 수조, 판, 교량, 계단 등에 대해서도 특허를 받았다. 그리고 코아니에(Coignet)는 보와 아치의 건설에 대한 보강 콘크리트의 원리를 1861년 책으로 출판하였다. 이러한 성과는 독일에 전수되어 프로이센 건축감독관인 쾨넨(M. Koenen)이 철근 콘크리트의 보 단면 해석법을 개발하여 1886년 논문으로 발표하였다. 미국의 하얏트(Hyatt)는 1878년 논문에서 철근 콘크리트 설계의 기본 원리를 밝혔다. 이후 1900년대 초반에 이르기까지 많은 특허와 연구가 이루어졌고 1920년대 이후에 본격적으로 건축에 적용되었다.

한국에서는 1910년대부터 철근콘크리트 건물이 지어지기 시작했다. 한국 최초의 철근 콘크리트 건물은 1910년 11월 준공된 부산세관 본청사이다. 철근 콘크리트로 구조를 잡고 러시아산 붉은 벽돌로 외부 마감한 건물이었다. 이 때 지어진 건물은 1979년 부산대교 건설로 인해 남아있지 않고, 꼭대기 종탑부분만 떼어내서 현재 부산본부세관 앞마당에 전시 중이다. 1912년 1월 준공된 한국은행 본점은 현재까지 남아 사적 280호로 지정되어 보존되고 있다. 이후 1925년 준공된 서울역 건물, 1926년 준공된 서울시 청사 및 조선총독부 청사 등이 있다. 조선총독부 청사의 건축 과정에 대해서는 해당 항목을 참고하라.

한국 건축가가 설계한 건물로는 건축가 박동진이 설계한 1934년 준공된 고려대학교 본관건물(사적 제285호), 1937년 준공된 중앙고등학교 본관건물(사적 제281호), 건축가 박길룡이 설계한 1937년 준공된 화신백화점 등이 대표적이다. 1938년 건립된 반도호텔은 지하 1층, 지상 8층[7]에 연면적 18,300㎡ 로, 1960년대에 이르기까지 한국에서 가장 높은 건물이었다.

재료의 특징

강도

일반적인 콘크리트는 부재가 하중을 받아 눌리는 압축에는 매우 잘 견딘다. 옆 방향으로 압축을 가해도 압축 변형률 한계를 넘어 부서질 때까지 전체가 압축에 잘 저항한다. 하지만 반대로 인장, 그러니까 부재가 당겨질 때에는 잘 견디지 못한다. 일반적으로 콘크리트의 인장강도는 압축강도의 8-15%정도이며 예측하기가 어렵다. 따라서 콘크리트의 인장강도는 직접 인장강도가 아닌 쪼갬(할렬) 인장강도를 측정하는데 원주형(원기둥) 콘크리트 공시체를 옆으로 뉘여서 길이가 긴 방향으로 압축력을 가하고 공시체가 반으로 쪼개질 때의 강도를 인장강도로 간주한다. 다만, 설계에서는 콘크리트는 압축응력만 고려하고, 모든 인장응력을 철근이 부담하는 것으로 가정한다.

실제로 건축공학과나 토목공학과에서 쓰는 교재 중에는 콘크리트의 응력-변형률 그래프를 그릴 때 일반적인 재료에 대한 그래프처럼 인장에 대한 변형률과 응력을 양(+)의 부호로 두지 않고 반대로 압축에 대한 변형률과 응력을 양의 부호로 놓고 압축에 대한 응력-변형률 그래프만 고려한다. 쉽게 말해 인장을 아예 고려하지 않는단 이야기다. 인장에 대한 저항이 거의 없는 콘크리트를 가지고 일반 재료처럼 인장이 일어나는 방향을 양의 부호로 하여 콘크리트의 강도 그래프를 그리면 제 3사분면에만 그래프가 그려지기 때문이다.

반면 철근은 인장에 잘 견딘다. 응력-변형률 곡선을 보면 항복변형률에 도달한 이후 소성구간에 들어서서도 콘크리트에 비해 굉장히 큰 변형률까지 견디면서 이내 응력이 약간 증가하다가 파단(破斷:재료가 분리되어 나뉘어짐)된다. 현재 설계법에서는 인장측 철근이 탄성구간을 거쳐서 항복변형률을 넘어 소성구간에서 응력을 부담하도록 유도한다. 이는 후술할 연성파괴 유도 설계의 발현방법이기도 하다.

이렇게 철근 배근량은 단면이 받는 휨강도의 계산에 의해 결정되는데(휨강도가 훨씬 크기 때문에 이게 주된 단면의 설계) 그로 인해 전단, 비틀림강도를 간과하고 넘어갈 수 있기 때문에 단면의 전단과 비틀림력을 추후 한번더 계산해준다. 철근콘크리트 보에서 나타날 수 있는 전단과 비틀림은 콘크리트 크랙의 위치와 형태, 크기에 따라서 철근을 더 보강할지 안 넣어도 될지, 또는 배근량, 위치를 결정한다.

결과적으로 콘크리트를 철근으로 보강하여 철근 콘크리트를 만들면, 압축에 매우 잘 견디는 콘크리트의 강점을 살리고 약점인 인장과 전단에 대한 저항을 철근으로 보강할 수 있다.

특성

"철근은 압축에 약하고 인장에 강하며, 콘크리트는 압축에 강하고 인장에 약해서 철근콘크리트는 환상의 조합이다." 라는 말이 많다. 일단 콘크리트가 압축에 잘 저항하기는 하지만, 철근은 그 콘크리트보다 압축강도가 10배 이상 높다.

그러나 철근이 실제로 압축에 강하다고 단언할 수는 없다. 예를 들어, 압축을 많이 받는 기둥을 철재로 만들 때, 철근의 압축강도가 콘크리트 보다 10배 높다는 점을 그대로 적용해서 콘크리트보다 10분의 1의 둘레로 만들면 많은 문제가 발생한다. 일단 부재가 가늘어지면 위에서 가해지는 축방향 압축에 의해 기둥이 옆으로 휘어지는 좌굴(buckling)이 발생하기 쉽고 이는 강도 저하로 직결된다. 이를 보완하려고 기둥의 둘레이자 두께인 단면적(정확히는 단면2차 모멘트)을 늘리면 일단 그 부재의 가격부터 시작해서 공장에서 만들기 어려운 것은 둘째치고, 현장으로의 운반은 물론이고, 시공 시에 고력볼트나 용접으로 붙이기도 심히 곤란해진다. 때문에 철골구조로 설계되는 건물은 층수가 제약되거나 이를 보완하려고 코어 부분에 기둥에 실리는 압축력을 분담하도록 두꺼운 전단벽을 철근 콘크리트로 시공하여 층수를 늘리는 것이다. 또한 건축이나 토목 모두에서 마찬가지로 건축물 혹은 다리 등과 같은 구조물에서 가늘고 긴 압축재로 철재'만'을 사용하는 것은 기피사항이다. 한강철교와 같은 철제 트러스로 된 다리도 당연히 설계 시부터 의도적이지만, 트러스를 구조해석 해보면 경사재는 인장력만을 부담하도록 설계되어 있다. 부득이한 압축재는 길이를 짧게 하고 단면을 두껍게 설계한다.

철은 일단 모든 면에서 콘크리트를 훨씬 상회하는 강도를 지니므로, 굳이 경제적 불이익을 감당하면서 시간과 돈을 무제한적으로 쓰면, 훨씬 적은 단면적으로 강재만을 이용해 시공할 수 있다. 그러나 그렇게 할 경우, 콘크리트를 같이 쓰는 것에 비해 예산이 몇배나 들 수도 있고, 돈도 돈이지만 그만큼 시간도 많이 걸리고, 공정도 복잡해지고 힘들어지니 결국 현실적인 문제와 효율을 생각하여 콘크리트를 안 쓸래야 안 쓸 수가 없다.

압축과는 반대로 철근의 인장강도는 콘크리트 인장강도의 100배를 훌쩍 뛰어넘고, 게다가 재료파괴도 연성파괴를 나타내고 재료의 역학적 거동도 변형률 경화(Strain Hardening) 형태를 보여 이상적인 거동과 잘 부합한다. 한 마디로 철근은 인장재로 사용하기에 이상적인 재료이다. 콘크리트와 같이 사용할 경우, 얇은 철근을 사용할 수 있어서 원하는 모양 만들기도 쉽고 콘크리트는 철근보다 단면적이 넓으므로 철근의 약점인 횡력에도 잘 저항하고 더불어 압축력이 가해질 때 철근에 발생하는 좌굴을 콘크리트를 통해 보완할 수 있다.

결국 철근 콘크리트는 인장과 압축에 둘다 강하며 횡방향 외력에도 강하다. 여기에 더해서 철근을 구성하는 철 성분의 산화로 인한 부식을 강한 염기성인 콘크리트가 방지해주고 공기와의 접촉을 차단하여 장기간의 강도 유지도 가능하다. 더구나 철근과 콘크리트의 열에 의한 팽창률이 거의 같기 때문에 뜨거운 여름 혹은 겨울에 철근과 콘크리트가 서로 다른 열 팽창률에 의해 분리되고 내부부터 붕괴되는 대참사가 벌어지지 않는다.

균열

어떤 물체든지 기본적인 성질로서 탄성과 소성을 가지고 있다. 탄성이란 물체가 외부에 의해서 변형된 뒤 외부의 힘이 없어지면 원래 모양으로 돌아오려는 성질이다. 소성은 물체가 외부에 의해서 변형되었을 때 그 힘이 없어져도 변형된 모양 그대로 남아 있는 성질이다.

완벽하게 금이 안 간 철근 콘크리트는 이상적인 소성의 성질(=탄성 0%)을 가진 취성 재료라고 가정하는데 이런 재료는 그 강도와 무관하게 공학적으로 매우 위험하다. 한계강도까지 힘이 가해져 부서지기 직전까지 어떤 변화도 없기 때문에 위험을 예측하기 어렵기 때문이다. 쉽게 말해 일정수준까지는 잘 부서지지 않지만, 한 번 부서지게 되면 갑자기 박살나서, 가만히 있다가 어느 날 갑자기 속된 말로 훅 가버린다. 이를 취성파괴라 한다. 취성이 강한 재료로 대표적으로 유리가 있다.

때문에 건물을 지을 때 무작정 철근을 많이 넣거나 콘크리트만 넣을 수 없는 게 철근과 콘크리트의 비율이 어긋나면 건물이 폭삭! 하고 순식간에 무너질 수 있다. 콘크리트만 넣으면, 앞서 이야기했듯이 취성파괴가 일어나 갑자기 무너질 수 있고, 반대로 철근의 양을 늘리면, 철근만 무사한 가운데 콘크리트 피복만 갑자기 박살날 수 있다. 그래서 보통 설계기준에서는 콘크리트가 취성파괴 되기 전에 철근이 먼저 항복하고 최외단 인장 변형률이 계속 주욱 늘어나고 천천히 처짐과 균열이 발생함으로써 거주자에게 위험을 알리는 역할과 대피시간을 벌어준다. 이를 연성파괴 유도 설계라고 부르며, 이러한 이유로 설계기준에서는 부재에 넣을 수 있는 최대 철근의 양을 제한하고 있다. 또한 휨강도의 경우 일반적으로 강도감소계수로 1보다 낮은 값을 사용하고 한다. 취성파괴 될 가능성이 높은 단면은 강도감소계수를 더욱 낮추어 사용한다.

즉, 철근 콘크리트의 표면에 미세한 균열(0.1mm~0.3mm 크기)이 어느 정도 있는 경우라도 아직 전체적으로는 재료가 탄성의 영역에 있다는 증거니 너무 걱정하지 말자. 콘크리트는 그 특성상 균열이 발생할 수 밖에 없는 재료이다. 포함된 수분이 마르거나 혹은 자중에 의해 침하되거나 하는 등 표면에 필연적으로 균열이 발생한다. 잔금의 변화가 계속 심해지면 문제가 커지지만 잔금이 있되 변화가 심하지 않다면 괜찮다. 다만, 균열이 손가락이 들어갈 정도로 크다든지 너무 많다거나, 내부의 철근이 노출된 경우면 꽤 심각한 문제다. 다만 하중을 받는 구조체가 아니라 하중을 받지 않고 공간만 나누는 용도로 만든 비내력벽 등은 보수만 하면 된다.

지진 및 붕괴

지진 등의 천재지변에 약한 것으로 잘못 알려져 있는데, 고베 대지진과 같은 천재지변 사건 당시에는 아파트와 같은 고층 건물을 제외한 비교적 층수가 낮은 철근콘크리트 건물은 꽤 많은 수가 원형을 보존하여 별다른 피해 없이 보존되었다. 당시에는 되려 전통 목조주택의 붕괴 및 압사피해가 압도적으로 많았다. 또한 파괴된 건물도 목조처럼 폭삭 무너진 것이 아니라 피복이 박리되거나 압괴로 기둥이 터지긴 했어도 어느정도 건물 형태는 유지하였기에 안전하게 대피할 수 있었거나 구조될 수 있었다. 비슷한 사례는 폭탄 사례를 받았던 지역의 건축물에서도 찾을 수 있다. 폭탄의 폭압과 운동 에너지로 신호등, 건축물의 유리창과 다른 시설물은 박살나는 상황에서도 철근 콘크리트 골조 자체는 무너지지 않고 버티고 있는 광경을 볼 수 있다.

다만 지진이 빈번한 일본의 경우, 건물이 지어진지 오래될수록 그 건물의 가치가 급격하게 떨어진다. 많은 지진을 겪은 건물은 그만큼 지진에 의한 구조물의 피로도가 올라가서 약한 지진으로도 쉽게 붕괴될 위험이 크기 때문이다. 이렇게 건물의 내구연한과 재건축 주기가 짧기 때문에, 상대적으로 비싸며 시공도 오래 걸리는 철근 콘크리트 구조보다 쉽게 철거하고 값싸고 빠르게 다시 지을 수 있고 내진설계 적용도 쉬운 경량목구조에 대한 선호가 높다.

화장실과 같이 배관이 들어가는 벽이라고 딱히 강도가 떨어지진 않고 오히려 설계할 때 일반 벽보다 더욱 두껍게 설계하는 편이다.(배관 부피만큼 강도는 감소하지만) 지진이 많은 일본에서는 건물을 지을때 되도록 목조를 많이 이용하고(유연하면 흔들림에도 무너지지 않기 위해서) 대신 화장실을 제일 튼튼히 짓는다고 한다.(일단 화장실에는 물이 있다! 큰 지진이 날 것 같으면 화장실로 대피하는 게 기본이라고) 또한 콘크리트로 지은 아파트(맨션)의 경우도 기둥 구조를 많이 쓴다는 것도 알아두면 좋다. 주로 건물의 코어 부분에 화장실을 위한 배관이나 계단 등 대피로가 위치하고 그곳에 횡력 부담을 위해 전단벽을 두껍게 설치하는 경우가 많은 것도 동일한 맥락이다. 최근에는 아예 설계 단계부터 이런 점을 반영하여 "재난시 화장실 대피공간 활용 기술"을 주요 건축기술 개발과제로 삼고 있기도 하다.

한국의 대표적 붕괴 건축물인 삼풍백화점이 설계될 당시에는 연성파괴를 의도하고 설계하는 개념이 없었지만 설계 변경 시 임의적으로 철근을 많이 뺐는지 다행하게도 붕괴 초기에 점진적으로 처짐과 균열이 발생하는 연성파괴 거동을 보였다. 때문에 이 시기에 바로 대피시켰다면 희생자가 없거나 적었을테지만 이걸 알고 있는 관련자들은 붕괴되기 불과 몇 시간 전에야 대책 마련에 들어갔고, 결국 시간이 지나 철근이 더 이상 버티지 못하며 최상층 슬래브가 휨인장파괴로 내려 앉은 후 그 충격으로 하부 층 슬래브의 뚫림전단 파괴(Punching Shear Failure)가 발생하며 바닥이 그대로 내려 앉으며 붕괴되었다. 다른 파괴거동에 비해 굉장히 치명적인 파괴인 것이 건물 내부에 남는 공간이 없어져서 매몰자 중 사망자 비율이 압도적으로 많아진다.

그러나 기둥에 보이는 가로방향의 균열, 슬래브를 지지 하는 보의 양쪽 단부에 보이는 45도 방향의 균열은 심각한 균열이다. 일반적으로 철근 콘크리트 기둥에서 보이는 균열은 세로방향 균열인데 이러한 균열은 시간에 따른 수축이나 하중 재하 과정(포와송 비에 따른 축방향 압축으로 생긴 직각 방향 인장변형)에서 나타나는 일반적인 균열이다. 이미 생길 것을 설계상 염두에 둔 것으로 특별히 문제는 없다. 하지만 기둥에 가로방향 균열이 보일 경우 그 즉시 대피하여야 한다. 이는 콘크리트 압축에 따른 압축파괴로서 붕괴의 징조이다. 이와 더불어 천장 마감재 때문에 발견하기 쉽지 않지만, 기둥과의 연결부 부분(흔히 위험단면이라 부르는 부분)의 보에 기둥방향의 아래쪽으로 나타나는 45도 방향의 균열을 사인장균열이라 하고, 이 또한 붕괴의 징조이므로 바로 대피하여야 한다.

그 밖에도 콘크리트는 그 재료적 특성 때문에 예측이 불가능한 움직임을 보이는 경우가 많다. 예를 들면 콘크리트에 일정 하중을 계속 주면 시간이 경과함에 따라 하중의 증가가 없어도 변형이 증가하는 소성변형 현상인 Creep과 콘크리트가 굳을 때 필요한 수분(이를 수화작용이라 한다.)을 제외하고 나머지(이를 자유수라 한다.)는 공기 중으로 증발 할 때 일어나는 건조수축 현상 등이 있다. 재료가 불균질한 것도 그 이유에 한 몫을 한다. 기본적으로 소성설계법을 이용하지 못하고 콘크리트의 비이상적 거동을 고려하는 강도설계법을 따로 개발하여 적용하는 가장 큰 이유다. 그렇기 때문에 콘크리트에 금이 가는 것은 결코 막을 수 없으며 단지 수 많은 실험을 통해 균열의 폭과 깊이를 통제하거나 단면을 줄여 균열부위를 제어할 뿐이다.

수명

수십 년에서 1백 년 정도를 지켜볼 때는 철근 콘크리트 건축이 순수한 콘크리트보다 내구도에서 강하다. 그러나 관측범위를 수백 년으로 두면 이야기가 다르다.

디스커버리 프로그램에서도 나온 바가 있고, <The Knowledge: How to Rebuild Civilization in the Aftermath of a Cataclysm>라는 책에서도 지적하는 문제인데, 건물이 멀쩡할 때는 표면의 페인트나 외장재가 버텨주니 괜찮지만, 관리가 되지 않아 그것이 모두 떨어져 나가고 콘크리트 표면에 균열이 생기면, 그 안으로 외부의 공기와 습기가 스며들면서 철근에 부식이 진행되고, 또한 철은 이미 생긴 녹이 인접한 부분의 부식을 더욱 촉진하는 특성을 가지고 있다. 철근이 부식되어 녹이 생기면 그 부피가 2배 이상 증가하기 때문에 이로 인한 콘크리트 파괴가 발생한다. 디스커버리에서 2차 세계대전 때 지어진 콘크리트 벙커 구조물들이 몇십 년이 지나면서 부서지는 과정을 그림으로 보여주었는데, 철근이 힘을 잃어감에 따라 오히려 콘크리트의 붕괴가 가속화되는 현상이 일어나고 있었다. 그리고 장기적으로는 많은 노력을 기울이더라도 미세한 콘크리트 균열과 그 틈을 파고든 철근 부식은 완벽하게 방지하기 어렵고, 수명은 짧아진다. 그리고 방송에도 나왔지만 반대로 순수한 콘크리트와 석재로 지은 고대 로마의 건축물은 1천 년을 넘는 시간에도 불구하고 상대적으로 원형을 그대로 유지하고 있다.

일반적인 건물 내구연한을 30~50년으로 잡는 것도 여러 가지 요인이 있지만 철근의 수명과도 직접적인 관계가 있는데, 오랜 시간이 지날수록 내부의 철근이 상하므로 보수비용이 증가하고 건물 전체의 내구도가 약해져 위험하기 때문이다. 일반적인 건물이라면 아예 헐고 다시 지을 수 있지만 역사적인 가치 때문에 보존이 필요한 문화재는 문제가 심각해진다. 순수한 콘크리트나 석재의 경우는 설계가 잘 되었을 경우 원재료를 보존하면서도 원형을 초장기간 유지할 수 있어 이런 면에서 유리하다. 지을 때부터 철근에 에폭시 도막 등 부식방지 처리를 하는 방법으로 수명을 연장시킬 수 있지만, 비용은 부식방지가 없는 일반적인 철근을 쓰는 것보다 많이 올라갈 수밖에 없고, 시공 시에도 각별히 주의를 기울여야 하는 등 여러모로 까다로워진다.

주거시 특징

단열

물체의 두께가 1m일 경우를 가정하여 각 건축재료별 열전도율을 나타내는 열전도율 도표를 살펴보면, 철근 콘크리트의 경우 복합재료이기 때문에 열 전도율은 2.3~2.5로 그렇게 크게 높지는 않은데, 목재가 0.14~0.16인 것과 비교하면 상대적으로 높은 편이다.

건축학이나 건축공학에서 주택의 단열을 일컬을 때는 열 전도뿐만 아니라 열 전도와 복사를 모두 고려한 열 관류율 개념을 사용하고, 또한 열 용량을 기준으로 본다면 당연히 보통 얇게 시공되는 목재보다는 상대적으로 두껍게 시공되는 콘크리트의 열 용량이 크기 때문에 외단열 시공 기준으로 냉난방 시에 실내온도 유지는 콘크리트가 유리하다. 일상에서 돌냄비가 오랫동안 온도를 유지하는 것과 같다. 그러나 반대로 냉난방을 가동하였을 때는 기존의 온도를 계속 유지하려 들기 때문에 곧바로 시원해지거나 따뜻해지지 않는다. 목조의 경우 이와는 달리 콘크리트처럼 열을 흡수하지는 못하므로 냉난방으로 맞춰둔 실내기온을 장시간 유지하기는 힘들지만, 계절과 상관없이 되도록 일정한 기온을 유지한다. 나무젓가락을 생각하면 쉽다.

습기와 결로

콘크리트는 애초에 주요 배합재료 중 하나가 물이니 만큼, 본래 수분을 머금고 있지만 양생 및 건조과정에서 수화작용으로 사용되고 남은 자유수는 증발한다. 수화과정에 필요한 물의 양은 체적의 25%이다. 다만 딱 이 정도만 넣으면 시공이 불가능하기에 40~50% 가량 물을 첨가하는데, 이렇게 수화과정에 불필요한 나머지의 물(자유수)의 일부는 표면 바깥으로 나와 증발하고 일부은 콘크리트 내부 공극에 남는다. 이러한 자유수는 타설하고 양생 후 초기(주로 28일 내외)에는 상부면으로 용출(湧出)되지만, 꽤나 시간이 흐른 뒤인 실제 주거시에는 나오지 않는다.

실제 주거에서 문제가 되는 수분은 자유수가 아니라 건물의 콘크리트 구조물과 내부온도가 달라 공기 중의 수분이 벽면에 맺히게 되면서 생기는 결로이다. 바로 이게 벽에 곰팡이 등의 하자를 일으키는데 이것은 콘크리트 문제가 아니라, 단열재 부실시공 때문이다. 주로 겨울철 바깥의 찬 기온을 내외부의 단열재가 충분히 막아주지 못해 차가워진 콘크리트 구조체와 대기 중 수분이 만나면서 물방울 즉 결로가 맺히는 것이다. 다른 말로는 열교현상이라고 일컫는다. 겨울에 밖에 있다가 실내에 들어갔을 때 안경에 습기가 맺히거나 차가운 물을 유리컵에 담았을 때 컵 표면에 물방울이 맺히는 것과 같다. 건물의 뼈대 재료가 무엇이든간에 단열이 제대로 되어있지 않으면 반드시 발생한다.

이런 하자를 겪지 않기 위해서는 집을 구할 때 벽체의 온도나 창문과 개부의 누기와 단열상태를 꼼꼼히 확인해봐야 하지만, 관련업 종사자가 아니라면 제대로 확인하기가 힘들다. 설사 종사자라고 해도 잠깐 집을 살펴볼 때는 안 보이던 문제점들이 실제로 주거할 때에 뒤늦게서야 보이는 경우도 있으므로 단시간에 단열재 부실시공을 알아차리기가 힘들다. 전문가더라도 건축용 온도계와 각종 장비, 열화상 카메라를 들고가지 않는 이상 제대로 알기 힘들다. 그나마 벽체의 모서리 부분이나 창문 주변 부분이 벽지가 들뜨거나 젖은 흔적, 혹은 곰팡이가 핀 흔적이 있다면 문제가 있다고 유추할 수는 있다.

이런 부실시공은 주로 시공상의 어려움으로 창문이나 문이 위치한 개구부(開口部)주위와 벽이나 천장 등의 모서리에서 많이 보인다. 특히 겨울철에 이루어진 단열공사 때 이런 하자가 많이 발생하는데, 공사할 때는 바짝 얼어서 수축되어있는 재료들이, 날이 풀리고 입주할 시기가 되면 일정 부분 팽창하면서 여기저기 틈이나 하자가 생기고, 특히 단시간에 지어올린 원룸이나 빌라는 말할 것도 없다. 아파트도 종종 이런다. 이러한 하자는 냉난방 효율에도 직접적으로 영향을 미치기 때문에 냉난방비까지 몇 배를 내야하는 이중고를 겪게 되므로 반드시 확인하고 입주하여야 한다.

층간 소음

아파트에서 가장 큰 문제중 하나는 층간소음이다. 사실 아파트가 처음 도입된지는 많은 시간이 흘렀으나 유독 2017년 기준 근 10여년 사이에 이웃간 분쟁이 많아졌는데, 이는 복합적인 문제가 여럿 섞여있다. 일단 콘크리트 재료적으로 많은 발전과 연구가 진행되면서 강도가 높아지게 되었고 그 덕에 종전보다 더 얇은 두께로 벽과 층계를 만들 수 있게 되었다. 그러나 반대 급부로 그만큼 구조의 두께가 얇아져 소리가 쉽게 투과된다. 이런 문제를 건축음향 학계에서는 물론이고 건설회사들도 이미 예상하고 있어서 슬라브 구성 시 차음을 위한 층을 넣는 등 여러 노력을 기울여 왔다.

그럼에도 전혀 층간소음이 줄지 않고 반대로 증가한 것과 같이 느끼는 이유는 건축적으로만 보자면 첫째로 아파트의 고층화, 둘째로 창호(창문) 성능, 셋째는 층간소음의 주체가 윗집이 아니기 때문이다.

외부소음의 감소는 당연히 인간 청력의 역치를 내리게 되고, 저층부에서나 과거의 낮은 차음성능을 지닌 창호가 있는 아파트에서는 외부의 소리에 섞여서 들리지 않았을 층간소음이 전에 없이 크게 들리게 되는 일이 발생하는 것이다. 거기다가 밀도가 조금 더 높은 아파트의 경우 단순히 윗집에서 내는 소리만이 아니라 윗집의 옆집이나 윗집의 윗집이 내는 소리가 철근 콘크리트 벽체를 타고 내려와 전달되는 경우도 흔하다. 당연하게도 반대로 아랫집에서 올라오는 경우도 있다.

단순하게 윗집에서 내는 소리가 차음층과 단열재가 시공된 천장을 지나 공기에 전달되어 들리는 것보다 윗집의 옆집에서 낸 소리가 벽을 타고 서라운드로 울리며 사람의 귀 가까이서 들리는거나 크게 다르지 않다. 오히려 더 클 수도 있다. 게다가 일반적인 공기를 통해 전해지는 소리의 경우 방음재에 의한 차음 효과가 크나, 아이들이 뛰는 소음, 바닥에 뭔가 떨어지는 충격음의 경우 방음재에 의한 효과가 떨어지기 때문에 아무리 방음재 시공을 잘해도 층간소음에 의한 피해는 계속된다. 더불어 난방 때문에 단열재까지 들어가는 슬라브와 외부벽체와 달리 아파트의 내부벽체는 배선이나 배관 제외하면 통짜로 철근 콘크리트다. 인터폰 등의 전기 배선을 위한 수직배관을 타고 소음이 들리는 사례도 있고, 실제 윗집의 옆집에 의한 층간소음에 시달리는 등의 사례도 찾아보면 어렵지 않게 찾을 수 있다. 층간소음 들린다고 단순하게 윗집의 잘못으로 볼 문제는 아니라는 것은 알아두어야 한다.

이러한 층간소음 문제를 해결하기 위해 구조기준 상 100~120mm 정도면 충분한 슬래브 두께를 주거공간에서 150mm에서 210mm 늘리는 등 여러가지 대책을 내놓았으나, 딱히 효과는 보지 못하였다. 현재는 구조적으로 이를 해결하기 위해 기존의 솔리드 슬래브 대신 중간에 공극이 있는 중공 슬래브를 사용하는 공법이나, 기존의 전단벽식 구조 대신 모멘트-골조를 사용하는 대안이 제시되고 있다. 하지만 이러한 방법은 필연적으로 슬래브가 두꺼워지거나, 이와 함께 두꺼워진 보 때문에 층고를 늘려야하는 등 층고에 따른 층수 확보가 민감한 아파트에서는 실질적으로 적용이 불가능하여 아직도 구조적으로 뚜렷한 해결책은 없는 상황이다.

사실 제3의 방법으로 층고를 유지하면서 소음을 줄이려면 주상복합이나 상업용 건물처럼 기둥식 혼합 구조를 적용하면 되긴 한데 건축비가 증가하며 기둥 때문에 내부 가용면적이 다소 줄어드는 치명적인 문제가… 대신 세대간 벽 집안의 기둥 몇 개를 제외하면 나머지는 비내력벽(가벽)이라 입주자가 자유롭게 벽체를 철거하거나 추가 변경하는 인테리어 공사를 하여 입맛대로 공간구성이 되는 장점은 있다. 그 외의 양날의 검으로는 기둥식 구조의 경우 내력벽에 배관이나 배선이 매립되는 구조가 아니라서 벽식 구조의 통상 아파트는 파이프가 녹슬어서 녹물이 나오거나 배선이 다 삭아버리면 교체공사가 때로는 아예 재건축 말고는 답이 안 나오는 경우도 있을 정도로 매우 까다로우며 비용이 많이 드는 데 반해 기둥식 구조의 주상복합은 쿨하게 가벽 까부숴버리고 파이프와 전선을 재시공하면 된다. 상황에 따라 다르지만 수십만원 선에서 해결 가능한 경우도 있다. 돈이 많다면 인테리어 공사를 하면서 콘센트나 수도의 위치도 자유롭게 변경 가능하다.[25][26] 다만 단점은 그 덕분에 안전등급 D, E등급과 재건축적격성심사를 받기 힘들어서 재건축을 하기가 까다로워지며 수직 배관의 설치를 위한 파이프샤프트 공간이 데드스페이스를 만드는 문제가 있다. 사실 기둥과 수직배관/배선용 샤프트 공간 때문에 공간효율성이 떨어지는 문제가 제일 크다.

철근콘크리트 구조

철근콘크리트 구조는 기둥, 보, 내력벽, 바닥 슬래브 등의 주요 구조부가 철근 콘크리트로 시공되는 일체식 구조를 말한다. 콘크리트가 인장력에 취약한 점을 고려하여 콘크리트 단면상에서 인장응력이 분포되는 곳에 철근을 배근, 인장력을 부담하게 함으로써 구조물로서 역할을 할 수 있도록 한다.

철근 콘크리트는 "RC 조"라고 축약되어, 콘크리트에 철근이 파묻히고 있는 건재로, 건축 코스트가 철골 철근 콘크리트 구조보다 싸기 때문에, 중저층의 건축물에 잘 받아 들여지고 있다. 기둥이나 대들보, 벽 등의 기초가 철근콘크리트로 만들어진 물건은 진동에 강하고, 기밀성도 높으므로 방음 성능이 뛰어나다. 그 때문에, 생활음에 골치를 썩는 것도 거의 없을 것이다.또, 내화성의 높이도 특징의 하나이다. 다양한 구조에 유연하게 대응하는 것이 가능해, 기둥이나 대들보가 없는 벽식 구조나 라면 구조, 디자인을 중시한 아치 구조 등 목적에 따르고 선택할 수 있다.한편, 건물의 중량이 무겁게 되어 버리므로, 지반이 약한 장소에서는 건축할 수 없다는 단점이 있다.무게를 지지하지 못하기 때문에, 넓은 공간이 구할 수 있는 건축이나 고층건축에는 향하고 있지 않다.

철근콘크리트 구조의 종류

• 필로티

필로티(Piloti)는 원래 기둥, 특히 종교건축 회랑에 늘어선 열주(列柱)를 의미하는 말이다. 현재에는 주로 스위스 건축가 르 코르뷔지에가 제창한 건축 양식을 가리킨다. 코르뷔지에식 필로티 양식의 외형은 건물 저층부의 기둥을 제외한 벽을 제거하여 개방적으로 만든 것을 말한다.

• TVS

TVS(Two-way Void Slab)공법은 철근콘크리트 무량판 바닥슬래브의 단면에서 구조적 기능을 하지 않는 콘크리트 슬래브의 중앙부에 캡슐형 또는 땅콩형 경량체를 삽입함으로써 자중을 줄여 기존의 플랫 플레이트구조의 단점을 보완하고 장점을 살리는 공법으로 경량체의 상·하부에 격자형 망을 설치하여 이방향중공 슬래브 유니트를 형성한다. 이를 기존의 철근콘크리트 무량판 구조의 상하 철근 사이에 유니트를 설치하는 거푸집 공법으로 시공하거나, 일방향으로 제작된 프리캐스트 콘크리트 슬래브 또는 데크플레이트에 직각방향의 철근 현장에서 배근하여 패널간의 이음방법이 개선된 이방향 슬래브를 형성하는 공법으로 철근콘크리트조 및 철골조 건물에 모두 사용가능한 공법이다

• PSC

Prestressed Concrete, 약칭 PSC. 한글로 표기할 때는 프리스트레스트 혹은 프리스트레스 콘크리트라고 칭한다. 학술상 한글로는 어떻게 기재하든 무방하나 영어로는 ed를 꼭 붙여야 한다.

철근 콘크리트의 개념은 값싸지만 인장력이 약한 콘크리트에 철근으로 보강함으로써, 인장력과 기타 복잡한 거동을 보강한 구조물이다. 사실, 철근콘크리트는 영어로 reinforced concrete임으로 무엇으로 보강하였던 보강만 되면 이 개념에 속한다. 대나무를 이용한 것도 역시 가능.

그런데 압축력과 인장력은 +,-관계에 있으므로, 미리 콘크리트 구조체에 압축력을 도입하여 구조물 사용시 발생하는 인장력을 상쇄할 수 있다. 이러한 개념을 도입하여 탄생한 것이 PSC이며, 이로 인해 구조물의 단면을 획기적으로 줄일 수 있게 되었다.

현황

시공

개발 이후 현대에 이르기까지 건축재료의 주류 중 하나. 현대에 쓰이는 콘크리트의 상당수는 바로 이 철근 콘크리트로 쓰인다.

강도에 비해 자중이 크다는 단점이 있어서, 5~6층 이상의 건물은 기초 및 1,2층은 철근콘크리트로, 그 이상은 경제성문제(돈 문제로..)로 철골로 구조를 잡아주는 경우가 많다. 그러나 자중이 큰 것이 단점인 것만은 아니다. 그만큼 진동과 소음이 적게 일어나서 사용성이 좋아진다.

다만 콘크리트의 재료로 들어가는 골재의 염분 함유정도가 중요한데, 이는 염분으로 인한 철근의 부식이 문제가 되기때문. 역설적으로 염분을 첨가하면 콘크리트는 더 빨리 굳는다. 혼화제 중 하나인 경화제의 원리이고 시공시 유의사항이기도 하다. 법정기준으로는 골재를 세척하여 염도 0.04% 이하여야 한다. 강에서 채취하는 골재용 모래의 수요를 생산이 못따라가고 바닷가에서 퍼오거나(해사), 산에서 채취하는 속칭 마사, 간 돌을 의미하는 쇄석을 이용하는 경우도 많다. 그런데 이 과정에 강이나 바다오염이 된다는 비난도 많다.

콘크리트에 철근의 비중을 어떻게 할 것인지는 최대 철근비와 최소 철근비를 계산하여 그에 적합한 분량을 배치 및 투입하는 것이 바람직하나, 6층 이하 건물은 구조전문가인 건축구조기술사가 아닌 건축사가 구조설계를 하거나, 그도 아니면 형식적으로 설계하고 허가만 맡는 국내 건축현실 상 이것을 제대로 계산하는 경우가 극히 드물고, 중소현장의 경우에는 설계사가 이것을 계산하거나 기재하지 않고 소장이나 시공자 마저도 정확한 비중대비 철근비에 대한 계산값이 없어서 현장경험에 의거하거나 주먹구구식으로 진행하는 경우가 많다. 건축의 균열이나 유지보수에 있어서 콘크리트 대비 철근의 투여비중은 매우 중요한 문제이나 제일 중요한 부분에서 공학적인 고려가 매우 부족한 상황이다.

교육

철근 콘크리트 구조설계에 대한 설계법은 미국법을 기초로 콘크리트구조 학회기준을 한국콘크리트학회에서 한국의 쓰임과 구조에 맞게 제정하고 이를 법제처에서 행정규칙으로 공표하고 있다. 기초하는 설계법은 5-60년간 거의 비슷하며 현재에 맞게 하나, 둘 보강해나가는 정도라고 보면 된다.

대학에서 건축공학과 토목공학을 전공할 경우 콘크리트 공학(재료)과 철근 콘크리트 공학(구조) 과목이 개설되어 있고 주로 3학년 이상 학생들이 1, 2학기에 걸쳐서 듣도록 커리큘럼이 짜여져 있다. 곧바로 철근 콘크리트 설계를 배우기에는 일반적인 공학과목과 다른 특이점이 있어서 난해하다. 재료역학과 구조시스템을 미리 공부하고 나서야 어느정도 감이 잡히고, 구조역학도 병행해서 공부해야 배운걸 실제로 써먹을 수 있다.

그외에 일반적으로 콘크리트 강도를 단위로 나타낼 때는 응력 단위로서 N/㎟, MPa(메가파스칼)을 사용한다. 최근에 나온 책들은 MPa와 같은 SI단위로 적혀있지만, 과거에 나온 책들은 kgf/㎠ 같은 MKT 단위로 쓰여 있다. 2003년 전후로 SI단위를 적용했기 때문인데, 일단 단위를 환산하는 것은 둘째 치고 이런 단위가 적혀있는 책을 제반 지식 없이 읽는 것은 삼가야 한다. 철근 콘크리트 분야는 설계방법과 구조기준 변화가 타 공학분야에 비해 매우 빈번하므로 과거의 기준과 단위로 쓰여진 지식은 현재에 통용되지 않는다.

설계기준이나 구조기준 변경 전후로 혼동하는 경우가 잦은데, 기술사, 기사, 공무원, 행정고시 기술직, 변리사 등 철근 콘크리트 과목이 있는 시험에서 과거 설계기준으로 답안 작성 시 점수를 전혀 주지 않으므로 주의하여야 한다. 원서나 ACI 구조기준을 보는 경우에도 주의하여야 하는데 국제 단위로 환산되어 있지 않은 경우 단위나 공식을 혼동 할 수 있으므로, 단위가 환산돼서 들어온 책(International Version, 또는 SI unit(단위계)이라고 표지에 쓰여져 있다.)을 골라서 보는 것이 편하다.

참고자료

• 〈철근 콘크리트〉, 《나무위키》
• 〈철근 콘크리트〉, 《위키백과》
• 〈필로티〉, 《나무위키》
• 〈프리스트레스 콘크리트〉, 《나무위키》
• BON엘이비, 〈철근콘크리트(RC조), 철골콘크리트(SRC조) 차이〉, 《네이버 블로그》, 2020-02-16
• 기구미, 〈Two-way Void Slab 공법 (건설신기술 제628호)〉, 《기구미》, 2013-12-23

같이 보기

• 철근
• 콘크리트
• 철골
• 죽근콘크리트
• 건축공학

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