제10장 사용성과 내구성

10.1 사용성 (Serviceability)

[LINK] KDS 처짐의 한계값 (기능성 및 사용성 검토)

10.2.1 개요

구조물 설계 시에는 다음의 세 가지 기본 사항을 반드시 검토해야 한다.

• 안전성 (Safety):
  극한하중에 대한 저항 능력 (강도설계법)
• 사용성 (Serviceability):
  사용하중 상태에서의 균열, 처짐, 진동 제어
• 내구성 (Durability):
  설계수명 동안 환경 작용에 저항하여 성능을 유지하는 능력

10.2.2 균열 제어 (Cracking)

철근콘크리트에서 균열은 필연적이나, 미관과 부식 방지를 위해 제어되어야 한다. KDS 14 20 30에 따른 휨철근 간격 제한은 다음과 같다.

$s = 375 \times \left(\frac{210}{f_s}\right) - 2.5c_c \le 300 \times \left(\frac{210}{f_s}\right)$

• $f_s$: 사용하중 시 인장철근의 응력 (보통 $2/3 f_y$ 적용)
• $c_c$: 인장철근 표면과 콘크리트 표면 사이의 최소 피복 두께

10.2.3 처짐 제어 (Deflection)

처짐 계산을 생략할 수 있는 부재의 최소 두께($L/n$) 규정을 준수해야 하며, 이를 초과할 경우 장기처짐을 검토한다.

$\Delta_{long} = \Delta_{sustained} \times \lambda_\Delta, \quad \lambda_\Delta = \frac{\xi}{1 + 50\rho'}$

• $\xi$: 시간경과계수 (5년 이상 재하 시 2.0)
• $\rho'$: 압축철근비 ($A_s' / bd$)

10.2 내구성 (Durability)

내구성 설계는 구조물이 위치한 환경 노출 범주(EC, ES, EF 등)를 설정하는 것부터 시작한다.

노출 범주	열화 현상	설계/시공 대책
EC (탄산화)	CO₂ 침투로 인한 알칼리성 상실	피복두께 확보, W/B비 60% 이하
ES (염해)	염소이온에 의한 철근 부식	콘크리트 강도 상향(35MPa 이상), 에폭시 철근
EF (동결융해)	수분 팽창에 의한 표면 박리	AE제 사용 (적정 공기량 확보)

10.3 보수·보강 및 유지관리

[LINK] 콘크리트 구조의 이음(Joint) 종류

10.4 최소 피복 두께 (KDS 14 20 50)

피복 두께는 철근을 보호하는 가장 중요한 요소이다. 피복이 두꺼울수록 내구성은 좋아지지만, 부재의 유효깊이($d$)가 줄어들어 내력이 감소할 수 있으므로 주의해야 한다.

주요 부위별 최소 피복 두께 (일반 콘크리트):
• 흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻히는 경우: 75mm
• 흙에 접하거나 옥외의 공기에 노출되는 콘크리트 (D16 이상): 50mm
• 옥내의 공기에 노출되는 보, 기둥: 40mm
• 옥내의 공기에 노출되는 슬래브, 벽체 (D35 이하): 20mm

10.5 균열 (Cracking)

콘크리트 균열은 구조물의 내구성·사용성·미관에 직접적인 영향을 미친다. 균열 자체는 완전히 막을 수 없으나, 발생 원인을 이해하고 설계·시공·재료 측면에서 적절히 대처함으로써 폭과 깊이를 제어할 수 있다.

10.5.1 균열의 발생 시점별 분류

균열은 발생 시점에 따라 크게 경화 전 균열과 경화 후 균열로 나뉜다.

구분	균열 종류	주요 원인	특징 및 형태
경화 전 (타설 후 수 시간 이내)	소성수축 균열 (Plastic Shrinkage)	표면 수분 급격 증발 (강풍·고온·저습)	표면에 불규칙하게 나타나는 짧고 얕은 균열, 슬래브에 빈번
	소성침하 균열 (Plastic Settlement)	블리딩 완료 전 골재·페이스트 침하	철근 상부를 따라 종방향으로 발생, 단면 변화부에 집중
	거푸집 변형 균열	거푸집 이동·변형·조기 탈형	불규칙적인 위치에 발생, 거푸집 변형 방향과 일치
경화 후 (구조적· 환경적)	건조수축 균열 (Drying Shrinkage)	수분 증발에 따른 체적 감소, 구속 조건	벽체·슬래브에 규칙적·격자형, 단부·모서리에 집중
	온도 균열 (Thermal Crack)	수화열에 의한 내외부 온도차 (매스콘크리트)	내부 인장으로 표면에 망상 균열, 또는 관통 균열
	탄산화 균열 (Carbonation)	CO₂ 침투 → 알칼리성 저하 → 철근 부식·팽창	피복부 종방향 균열·박리, 서서히 진전
	염해 균열 (Chloride Attack)	염소이온 침투 → 철근 부식 팽창압	철근을 따라 종방향 균열, 박리·탈락 동반
	동결융해 균열 (Freeze-Thaw)	공극 내 수분 동결 팽창 (약 9% 체적 증가)	표면 스케일링·망상 균열, 반복 재하로 점진 확대
	휨·전단 균열 (Flexure / Shear)	외부 하중에 의한 인장 응력 초과	휨 균열: 인장연단에서 수직 발생 / 전단 균열: 경사 45°

10.5.2 균열 종류별 상세 원인 및 메커니즘

① 소성수축 균열 (Plastic Shrinkage Crack)

발생 메커니즘:
타설 직후 콘크리트가 아직 유동성이 있는 상태에서 표면의 수분 증발 속도가 블리딩 속도를 초과하면, 표면 페이스트가 수축하면서 내부의 골재·철근에 의해 구속되어 인장력이 발생한다.

촉진 조건: 고온(기온 32°C 이상), 저습도(상대습도 50% 이하), 강풍(풍속 25km/h 이상)

대책: 증발억제제 살포, 햇빛 차단막·방풍막 설치, 직사광선 노출 방지, 타설 후 즉시 양생포 덮기

② 건조수축 균열 (Drying Shrinkage Crack)

발생 메커니즘:
경화 완료 후 콘크리트 내부 수분이 서서히 증발하면서 체적이 줄어든다. 이때 주변 구조체(기초, 인접 부재)나 내부 철근에 의해 변형이 구속되면 인장 균열이 발생한다.

주요 영향 인자:
• 단위수량(W): 클수록 수축량 증가 → 단위수량 저감이 핵심
• 물-결합재비(W/B): 높을수록 수축 증가
• 골재량: 골재 용적이 클수록 수축 감소
• 구속 조건: 구속이 강할수록 균열 발생 가능성 증가

대책: 수축 줄눈(Control Joint) 설치, 단위수량 저감, 저수축 시멘트 사용, 팽창재 혼입

③ 온도 균열 (Thermal Crack) — 매스콘크리트

발생 메커니즘:
시멘트 수화 반응 시 발생하는 수화열로 인해 부재 내부 온도가 급격히 상승한다. 표면은 외기에 의해 냉각되므로 내외부 온도차(ΔT)가 발생하고, 내부 팽창이 표면을 인장시켜 균열이 생긴다.

위험 기준: 내외부 온도차 ΔT ≥ 25°C 시 균열 위험 증가

대책: 저발열 시멘트(중용열·저열 포틀랜드) 사용, 분할 타설, 파이프쿨링, 단열 거푸집, 프리쿨링(빙수 사용)

④ 탄산화 균열 (Carbonation-induced Cracking)

발생 메커니즘:
대기 중 CO₂가 콘크리트 내부로 침투하여 수산화칼슘[Ca(OH)₂]과 반응, 탄산칼슘[CaCO₃]을 생성하면서 공극 내 pH가 12.5~13에서 9 이하로 떨어진다. 이 알칼리성 저하(탈패시베이션)로 철근 표면의 부동태막이 파괴되어 부식이 시작되고, 생성된 녹(Fe₂O₃)의 체적이 원래의 2~6배로 팽창하면서 피복 콘크리트를 밀어내어 균열·박리를 일으킨다.

대책: 피복두께 확보, W/B비 60% 이하, 표면 도장·마감 처리

⑤ 염해 균열 (Chloride-induced Cracking)

발생 메커니즘:
해양 환경이나 제설제에 의해 공급된 염소이온(Cl⁻)이 콘크리트 내부로 침투하여 임계 염소이온 농도(약 0.4 kg/m³)를 초과하면 철근 부식이 시작된다. 탄산화와 마찬가지로 녹 생성에 의한 팽창압이 균열·박리·탈락을 유발한다.

특징: 탄산화보다 국부적이고 빠르게 진행되며, 해안지역 또는 교량·터널 등 제설제 사용 구조물에서 빈번

대책: 콘크리트 설계기준압축강도 35MPa 이상, 에폭시 코팅 철근 사용, 스테인리스 철근, 전기방식(Cathodic Protection)

⑥ 휨 균열 및 전단 균열 (Flexural & Shear Crack)

휨 균열:
보·슬래브의 인장연단에서 수직 방향으로 발생한다. 철근콘크리트에서는 설계 단계에서 허용 균열폭 이내로 제어하도록 철근 간격을 규정한다 (KDS 14 20 30 철근 간격 제한식 참조).

전단 균열:
주인장 응력 방향으로 약 45° 경사지게 발생하며, 복부에서 시작하여 압축연단 또는 인장철근을 향해 진전된다. 전단철근(스터럽)이 없거나 부족할 때 취성 파괴로 이어질 수 있어 특히 위험하다.

대책: 충분한 전단철근 배치, 단면 크기 확보, 부착 강도 유지

10.5.3 균열폭 허용 기준 (KDS 14 20 30)

균열은 완전히 방지할 수 없으므로, 환경 조건에 따라 허용 균열폭을 규정하여 내구성과 사용성을 확보한다.

노출 환경	허용 균열폭 $w_{max}$	비고
건조 환경 (실내)	0.4 mm	철근 부식 위험 낮음
습윤 환경·토중	0.3 mm	일반 외부 구조물
염해·탄산화 노출	0.2 mm	해양·교량·터널 등
프리스트레스트 콘크리트	0.1~0.2 mm (또는 균열 불허)	PS 긴장재 부식 방지

10.5.4 균열 제어 종합 대책

[설계 단계]
• 철근 간격 제한 준수 (KDS 균열폭 제어 규정)
• 적절한 피복두께 확보
• 수축·온도 철근 배치 (슬래브·벽체 최소 철근비)
• 신축·수축 줄눈 계획

[재료 단계]
• 단위수량 저감 (185 kg/m³ 이하 권장)
• W/B비 최소화, 혼화재(플라이애시·슬래그) 사용
• 저발열 시멘트 또는 팽창재 혼입

[시공 단계]
• 충분한 다짐 및 양생 (습윤 양생 7일 이상)
• 급격한 건조·온도변화 방지
• 소성수축 방지를 위한 바람막이·양생포 설치