철근콘크리트(reinforced concrete, RC)의 정의 및 장점, 단점

1. 철근콘크리트(reinforced concrete, RC)의 정의

철근콘크리트(reinforced concrete)는 현재 토목이나 건축 구조물에서 가장 많이 사용되는 건설용 재료입니다. 시멘트(cement)와 골재 그리고 물을 적절히 배합하여 시간을 두고 굳게만든 콘크리트(concrete)의 내부에 강재인 철근(steel bar)을 배치하여 두 재료가 일체가 되어서 외부에서 가해지는 하중에 대해 견딜 수 있게 만든 합성 재료입니다.

철근과 콘크리트 두 재료의 재료적인 특징을 이해하기 위해 직사각형 단면의 콘크리트와 그 하단부에 철근을 배치한 단순 보의 중앙에 집중하중이 작용할 때의 거동을 살펴보면, 보에 하중이 작용하면 보는 모멘트의 지배적인 작용에 의해 변형하게 됩니다. 이때 보는 중립축을 기준으로 중립축 윗부분은 압축을 받아 축 방향으로 길이가 줄어들고, 중립축 아랫부분은 인장을 받아 축 방향으로 길이가 늘어나게 됩니다. 그런데 콘크리트는 압축에는 강화나 인장에는 약한 재료적인 특성을 갖고 있습니다. 과도한 하중이 작용하게 되면 모멘트에 의한 인장응력이 크게 발생하는 보의 하단에서부터 균열이 발생하기 위해 시작합니다. 균열이 발생하게 되면 하중에 저항하는 단면이 줄어들게 되어 균열이 보의 상단까지 확장되면서 더 이상 하중에 대해 저항하지 못하고 보가 급격하게 붕괴하는 파괴를 일으키게 됩니다. 이러한 급작스러운 형태를 취성파괴라 합니다. 따라서 인장력이 크게 작용하는 콘크리트 부분에 철근을 콘크리트 속에 매립하여 취성파괴를 방지하면서 보의 강도를 높일 수가 있습니다.
이렇게 인장에 약한 콘크리트를 인장과 압축에 대해 균일하게 거동하는 성질을 가진 철근과 결합하여 재료의 강도를 증가시킴으로써 보, 기둥, 슬래브 등 다양한 형태의 부재로 사용할 수 있으며 더 나아가서 콘크리트가 압축을 받는 부분에도 철근을 활용함으로써 부재의 부피를 줄일 수도 있어 경제적인 효과도 높일 수 있습니다.
콘크리트 자체도 여러 가지 재료로 구성된 복합체이므로 비균질이며 비등방성을 재료입니다.
이러한 콘크리트와 철근으로 구성된 철근콘크리트는 축방향력, 전단력, 모멘트, 비틀림응력 및 이들의 조합하중 등 하중의 종류에 따라 그 거동이 단일재료로 구성된 재료와 달리 매우 복잡한 형태를 지닙니다. 따라서 철근콘크리트로 구성된 보, 기둥, 슬래브 등 각 부재의 종류에 따라 각기 다른 해석과 설계 방법을 적용하게 됩니다.

1.2 철근콘크리트가 한 구조체로 성립되는 이유
강재로서의 철근과 인장에 약한 콘크리트로 이루어진 철근콘크리트가 단일한 구조체로 사용되는 이유는 다음과 같이 요약됩니다.
① 콘크리트와 철근의 열팽창계수(선팽창계수)가 거의 비슷합니다. 두 재료의 열팽창계수가 비슷하여 외부 온도의 변화에 따른 두 재료 간의 염력이 거의 발생하지 않습니다. 콘크리트의 열팽창계수는 0.0001~0.0013/°C이고 철근은 0.00012/°C입니다.
② 콘크리트가 경화한 후, 철근과 콘크리트의 부착강도가 큽니다. 따라서 두 재료가 외력에 대하여 하나의 부재처럼 거동하게 됩니다.
③ 콘크리트의 불투수성으로 인해 콘크리트 속의 철근은 부식되지 않습니다. 콘크리트 자체가 약알칼리성을 띠고 있으며 철근이 외부의 환경에 노출되는 것을 막아줍니다. 

2. 철근콘크리트의 장점

구조재료로서 철근콘크리트가 갖는 장점은 다음과 같습니다.
① 재료 특성을 효율적으로 활용한 경제적인 구조물입니다. 즉, 콘크리트는 압축응력에 저항하고 철근은 인장응력에 저항하도록 만든 구조물입니다.
② 내구성이 좋습니다. 즉, 기상 및 환경변화에 대한 저항성이 양호합니다. 콘크리트의 균열이 없다면 충분한 깊이에 매입된 철근은 거의 부식하지 않습니다.
③내화성이 좋습니다. 즉, 화재 발생으로 콘크리트 부재가 가열되어도 콘크리트의 단열 작용에 의해 소정의 피복두께를 확보하고 있으면 콘크리트 내에 배급된 철근은 쉽게 가열되지 않아 큰 변형이 발생하지 않습니다.
④ 진동 및 충격에 대해 저항력이 큽니다. 즉, 차량 하중 등에 의한 진동이나 소음이 적습니다.
⑤ 임의 형상을 만들 수 있습니다. 즉, 굳지 않은 콘크리트는 쉽게 흘러갈 수 있는 유동성을 지니고 있기 때문에 거푸집 형상에 맞추어 다양한 형태와 치수의 부재를 제작할 수가 있습니다.

3. 철근콘크리트의 단점

철근콘크리트가 다른 구조재료와 비교해서 불리한 단점은 다음과 같습니다.
① 콘크리트의 단위중량이 크기 때문에 장경간의 교량이나 연약지반의 구조물에는 자중이 증가하게 되어 강재 등에 비해 불리한 점으로 작용합니다.
② 인장응력, 크리크, 건조수축 등으로 균열이 발생하기 쉽습니다. 어느 한도 이상의 균열이 발생하면 균열을 통해 침입한 습기에 의해 철근이 부식할 수 있으며 동결 현상에 따른 팽창으로 균열을 촉진하게 됩니다. 따라서 시공 시에 균열 방지를 위한 세심한 주의가 요구되며 사용 중에도 균열에 대한 유지보수를 하여야 합다.
③ 배합, 양생 등의 과정이 콘크리트 강도에 미치는 영향이 크므로 시공 중 품질관리가 어렵습니다. 현장의 조건, 투입되는 인력의 숙련도 등에 따라 콘크리트의 내부 결함이 발생할 수도 있으므로 품질관리에 큰 노력을 기울여야 합니다.
④ 콘크리트는 부재의 모서리가 쉽게 파손되는 등 부분적인 파손이 발생하기 쉽습니다.
⑤ 개조 또는 보강이 어렵습니다. 일단 완공된 콘크리트 구조물은 개조하거나 보강하기 위해서는 기술적으로 어려울 뿐만 아니라 큰 비용이 요구됩니다.
⑥ 부대비용이 많이 듭니다. 콘크리트 구조물을 시공하기 위해 사용되는 거푸집, 동바리 등의 부대비용이 무시할 수 없을 정도로 소요됩니다.