콘크리트의 고강도화와 탄성계수, 극한변형률의 변화

최근 고층건물이 증가하면서 콘크리트도 고강도 콘크리트가 많이 사용되고 있습니다. 철근도 예전에는 SD400이 많이 쓰였지만 지금은 점점 SD500이 보편화되가고 있는 것 같습니다. 콘크리트가 고강도화가 되면 어떤 부분이 달라지는지 살펴보겠습니다.

 

콘크리트와 강재의 비교

콘크리트는 주로 압축응력을 부담하고 강재는 인장응력을 주로 부담하기 때문에 서로 동일하게 비교하기는 어렵습니다. 콘크리트의 압축응력와 강재의 인장응력을 비교한다면 다음과 같습니다.

 

일단 강재는 콘크리트에 비해 강도가 월등히 높은 것을 알 수 있습니다. 철근 제품은 항복점 강도로 구분하는데 보통 400MPa 이상을 쓰고 700MPa까지 생산됩니다. 콘크리트는 압축강도가 보통 21, 24, 27MPa 정도인 제품을 쓰고 40Mpa을 넘으면 고강도 콘크리트로 분류합니다. 단순히 숫자만 비교해도 강재의 성능이 매우 높은 것을 알 수 있습니다.

 

■ 응력-변형도 곡선이란?

■ 응력-변형도 곡선으로 알 수 있는 것들

 

강도에 따른 콘크리트의 응력-변형도 곡선

콘크리트는 40Mpa을 넘으면 고강도 콘크리트로 분류하는데, 고강도 콘크리트는 몇 가지 면에서 보통 콘크리트와는 다른 특성을 보입니다.

 

 

 

1. 탄성계수 증가

일단 고강도 콘크리트가 되면 탄성계수가 커집니다. 위 그림에서 보면 응력-변형도 곡선의 기울기가 더 급해(가파라)지면서 조금 더 세워진 모양이 됩니다. 탄성계수가 높아지면 변형에 대한 저항성능이 높아지게 됩니다. 즉 같은 힘이 작용한다고 가정한다면 보통 콘크리트보다는 변형이 더 작아지게 됩니다.

 

2. 최대 강도점이 오른쪽으로 이동

콘크리트가 고강도화가 될수록 최대강도점의 위치가 오른쪽으로 이동합니다. 즉 그래프에서 최대점의 위치가 고강도화가 될수록 오른쪽으로 약간씩 이동하는 것을 알 수 있습니다.

 

3. 콘크리트의 극한변형률이  감소

고강도가 될수록 콘크리트의 극한변형률(εcu)이  작아집니다. 이것은 고강도 콘크리트가 되면 취성적인 성질이 더 커지는 것과 관련이 있습니다. 위 그래프에서 보면 최대의 응력점에 도달하고 나서 실선 구간의 길이가 더 짧아지고 실선이 끝나는 지점의 위치도 왼쪽으로 이동하는 것을 알 수 있습니다. 보통 콘크리트의 경우는 최대응력점을 지나고 나서 어느 정도 변형이 일어나지만, 고강도 콘크리트는 실선 구간이 짧아서 급격하게 파괴됩니다.

 

구조설계기준에서 2021년 개정 이전에는 극한변형률을 모두 0.003을 적용하였습니다. 그런데 극한변형률을 강도에 따라 다음식을 적용하도록 개정하였습니다.

 

콘크리트의 극한변형률은 0.0033이 기본이고 콘크리트의 설계기준압축강도가 40MPa 이상이 되면 강도가 높아질수록 줄어들게 됩니다. 

 

콘크리트의 할선탄성계수

콘크리트는 최대 응력의 대략 30%까지는 직선에 가까운 변형을 보이지만 나머지 구간은 곡선의 형태로 나타납니다. 따라서 직선의 기울기가 일정하지 않기 때문에 특정한 기울기로 정하기가 어렵습니다.

 

■  콘크리트는 어떻게 파괴될까(콘크리트의 균열)?

 

 

콘크리트의 탄성계수는 할선탄성계수를 이용하는데, 콘크리트의 설계기준강도를 정한 다음 응력-변형도 곡선에서 설계기준압축강도의  1/2점을 직선으로 연결해서 구할 수 있는 직선의 기울기를 이용합니다. 그래서 할선탄성계수는 초기탄성계수보다 작고 파괴 전의 탄성계수보다는 작은 값이 됩니다.  

 

초기접선탄성계수는 콘크리트의 크리프를 계산할 때 사용합니다.

 

현재 구조설계기준에서는 다음 식을 적용해서 구하고 있습니다. 콘크리트의 단위질량 mc의 값이 1,450∼2,500kg/m³ 인 콘크리트의 탄성계수 계산식입니다.

 

 

보통콘크리트는 다음 식을 적용합니다.

 

콘크리트와 관련된 내용들입니다.

■ 콘크리트의 구성

 

■ 내구성기준압축강도(내구성 확보를 위한 요구조건)

■ 콘크리트의 배합(설계)

■ 콘크리트 배합설계 연습

 

■ 콘크리트의 시공 성능 - 워커빌리티(Workability)

■ 콘크리트의 시공 성능 - 반죽질기(Consistency)

■ 콘크리트의 재료 분리 - 블리딩(Bleeding)과 격자균열, 레이턴스(Laitance)

 

■ 레미콘의 규격

■ 습윤양생기간의 표준

 

■ 레미콘 품질 시험(받아들이기 검사)

■ 콘크리트의 공기량 측정

■ 슬럼프 시험

 

■ 콘크리트는 어떻게 파괴될까(콘크리트의 균열)?

■ 콘크리트의 내구성 - 탄산화

■ 슈미트 해머 비파괴 시험(콘크리트 반발경도 시험)

 

■ 노출콘크리트의 시공

■ 노출콘크리트의 종류

 

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