콘크리트의 크리프(Creep)

건축물에 가해지는 하중은 비교적 짧은 시간에 작용하는 것도 있지만 장기간에 걸쳐 작용하는 하중도 있습니다. 대부분의 재료는 단기하중에 대한 역학적 성질과 장기하중에 대한 역학적 성질이 다양하게 나타나는데, 여기서는 장기하중 특히 크리프에 대한 콘크리트의 특성을 살펴보겠습니다.

■ 콘크리트의 구성
■ 레미콘의 규격
■ 콘크리트는 어떻게 파괴될까(콘크리트의 균열)?

크리프(Creep)란?

크리프(Creep)란 재료에 지속하중이 장시간에 걸쳐 작용할 때 시간의 경과와 함께 변형이 증가하는 현상을 말합니다. 하중은 단기간에 작용하는 것도 있지만 장기간에 걸쳐 작용하는 것도 있습니다. 예를 들어 학생들이 한꺼번에 강의실로 들어와 수업을 듣고 나서, 수업이 끝난 후 강의실을 빠져나간다면, 강의실에는 여러 학생들 무게가 단기간에 걸쳐 가해지는 것으로 볼 수 있습니다.

책장이 크리프로 인해 변형되었다.

위 사진을 보면 책장에는 많은 책이 오랫동안 꽂혀있기 때문에 장기간 지속적으로 하중을 가하게 됩니다. 그래서 아랫쪽 책장이 아래로 많이 휜 것을 볼 수 있습니다. 만일 책장의 책을 뺀다면 책장은 원래대로 돌아올 수 있을까요?

크리프 변형

여러분이 생각하시는 것처럼 책장은 조금 복구될 수는 있겠지만 원래대로 돌아오지는 않을 것입니다. 이것을 그래프로 나타내면 아래와 같이 나타낼 수 있습니다.

책장에 처음 많은 책을 넣게 되면 조금 아래로 처지게 될텐데, 그 때의 변형이 초기 탄성변형이 됩니다. 무거운 책들은 책장에 계속 하중을 가하게 되는데, 그러면서 점점 크리프 변형은 증가하게 됩니다. 시간이 어느 정도 지나 책을 빼낸다면(하중을 제거한다면), 어느 정도 탄성변형고 회복크리프 변형만큼 복구되겠지만 완전히 복구되지는 않습니다. 따라서 비회복 크리프변형(잔류변형)은 남게 됩니다.

콘크리트의 크리프

콘크리트의 경우 크리프에 의한 처짐은 탄성처짐의  2~4배 정도가 됩니다. 그런데  크리프가 진행되는 과정은 온도 및 습도 등의 조건에 따라 달라지며 콘크리트 타설 후 6개월~1년 정도면 70-80%에 이르는 것으토 알려져 있습니다. 철근콘크리트구조물에서 크리프에 의한 처짐은 일반적으로 3~4년 정도면 거의 끝나게 됩니다.

크리프 변형의 정도는 지속응력의 크기에 따라 달라집니다. 다음 그래프를 보면서 살펴보겠습니다.

먼저 지속응력의 크기가 낮은 경우를 보겠습니다. 위 그래프에서 30%와 50%로 표기된 부분을 보시면 됩니다. 정적강도의 30%와 50% 수준의 강도를 지속적으로 가한 상태라고 이해하시면 됩니다. 이렇게 지속응력의 크기가 작은 경우는 변형이 증가하다가 점점 일정한 값에 접근하게 됩니다. 즉 어느 정도의 변형에 수렴한 후 멈추게 됩니다.

■ 응력이란?
■ 응력-변형도 곡선

그러나 지속응력이 크기가 큰 경우 변형증가하다가 파괴에 이르게 됩니다. 위 그래프에서 85%와 95%라고 표기된 부분을 보시면 됩니다. 콘크리트는 정적강도에서 최대응력의 80% 이상의 지속하중이 작용하게 되면, 이처럼 크리이프 변형이 일정값을 넘어 콘크리트는 파괴됩니다. 즉 단기간에 하중이 작용한다면 자신이 버틸 수 있는 최대 응력의 100%까지 버틸 수 있지만, 만일 지속하중의 경우라면 버틸 수 있는 힘이 줄어든다는 것입니다. 지속하중이 작용하는 경우라면 자신이 버틸 수 있는 최대 응력의 80% 수준을 넘어선다면 파괴되고 말 것입니다.

콘크리트 크리프에 영향을 미치는 요인은 다양합니다. 환경 측면에서는 하중이 클수록, 형상 측면에서는 단면치수가 작을수록, 재료측면에서는 단위수량이 많을수록 크리프 변형 커지게 될 것입니다.

크리프 계수

크리프와 관련된 성능의 정도를 나타낸 값을 크리프 계수라고 합니다. 크리프 변형을 순간 탄성 변형으로 나눈 값입니다. 크리프 계수가 클수록 재하 후 변형이 크게 나타난다고 이해할 수 있겠죠? 콘크리트의 크리프 계수는 대략 2-3정도로 알려져 있습니다.

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