제10장 사용성과 내구성

KDS 14 20 20 콘크리트구조 휨 및 압축 설계기준
KDS 14 20 30 콘크리트구조 사용성 설계기준
KDS 14 20 40 콘크리트구조 내구성 설계기준
KDS 14 20 50 콘크리트구조 철근상세 설계기준

10.1 사용성 (Serviceability)

KDS 14 20 30 : 2021 콘크리트구조 사용성 설계기준

10.1.1 개요

• 구조물 설계 시 3가지 검토사항

1) 극한하중 → 안전성 (safety)

2) 사용하중 → 사용성 (serviceability)

3) 환경조건 → 내구성 (durability)




• 구조물 사용성 검토 개념

1) 사용하중(service load) = 하중계수를 곱하지 않은 하중

2) 가정: 구조체의 탄성 거동




• 균열과 처짐 등에 대한 구조물 사용성 검토

1) 허용응력설계법: 낮은 응력의 철근 사용 → 균열 및 처짐이 작음

2) 강도설계법: 400 MPa 이상의 고강도 철근 사용

→ 사용하중 상태에서 철근의 응력이 허용응력설계에보다 약 50%까지 증가

→ 관련 균열폭, 처짐 등이 증가

10.1.2 균열 (Cracking)

KDS 14 20 30 : 2021 콘크리트구조 사용성 설계기준

4.1 균열 (KDS 14 20 30)

(1) 다음 (2) 및 (3)의 경우를 제외하고는 KDS 14 20 20(4.2.3)을 포함하여 이 구조기준의 다른 모든 규정을 만족하는 경우 균열에 대한 검토가 이루어진 것으로 간주할 수 있다.

(2) 특별히 수밀성이 요구되는 구조는 적절한 방법으로 균열에 대한 검토를 하여야 한다. 이 경우 소요수밀성을 갖도록 하기 위한 허용균열폭을 설정하여 검토할 수 있다.

(3) 미관이 중요한 구조는 미관상의 허용균열폭을 설정하여 균열을 검토할 수 있다.

(4) 부재는 하중에 의한 균열을 제어하기 위해 필요한 철근 외에도 필요에 따라 온도변화, 건조수축 등에 의한 균열을 제어하기 위한 추가 보강철근을 KDS 14 20 50(4.6)에 따라 배치하여야 한다. 그리고 균열제어를 위한 철근은 필요로 하는 부재 단면의 주변에 분산시켜 배치하여야 하고, 이 경우 철근의 지름은 가능한 한 작게, 철근의 간격은 가능한 한 좁게 하여야 한다.

• 콘크리트 균열의 특성

콘크리트가 부담할 수 있는 인장응력의 한계를 초과하면 균열이 발생한다.

→ 모든 콘크리트에서는 균열이 발생

→ "No Crack, No Concrete" — 균열 발생은 철근콘크리트 구조물에서는 피할 수 없음

→ 제한된 균열폭 이하라면 허용

→ 기준에서는 허용균열폭을 초과하는 균열에 대해서는 보수 및 보강 실시




• 콘크리트 균열 발생의 원인

1) 재료 요인: 알칼리 골재반응, 수화열, 건조수축 등

2) 시공 요인: 부적절한 양생, 불균일한 타설 및 다짐, 경화 전 진동 및 재하 등

3) 설계 요인: 철근의 정착길이 부족, 응력의 집중부 및 기초의 부등침하, 과도한 적재하중 등

4) 환경 요인: 온도 변화 및 건습의 반복, 동결융해 및 화학작용, 콘크리트의 중성화 등




• 철근콘크리트 구조물에서 콘크리트 균열의 문제점

1) 콘크리트의 낮은 인장강도: 콘크리트 균열이 발생할 때의 철근의 응력은 약 30 MPa 이하

2) 콘크리트 균열은 미관상 좋지 않음

3) 대략 0.25〜0.30 mm보다 큰 폭의 콘크리트 균열은 사용자들을 불안하게 만듦

4) 콘크리트 균열은 과도한 처짐의 원인이 됨

5) 콘크리트 균열은 구조물의 내력 및 성능을 저하시키거나 외관에 손상을 줌




• 균열폭

균열폭이 작으면 외부로부터 해로운 물질이 침투하는데 많은 시간이 소요됨

→ 큰 균열폭이 적게 존재하는 것보다 작은 균열폭이 다수 존재하는 것이 더 바람직

→ 큰 균열폭 사이로 물, 유해물질, 산소 등이 침투하여 철근의 부식을 촉진

→ 구조물의 내구성을 확보를 위해 큰 균열폭을 분산시켜 수가 많고 작은 균열폭이 발생하도록 하는 것이 바람직

□ 보 및 1방향 슬래브의 휨철근 배치

KDS 14 20 20 콘크리트구조 휨 및 압축 설계기준

4.2.3 보 및 1방향 슬래브의 휨철근 배치

(1) 보 또는 한 방향으로만 휨응력을 저항하도록 철근이 배치된 1방향 슬래브는 휨균열을 제어하기 위하여 휨철근의 배치에 대한 이 4.2.3의 규정을 따라야 한다.

(4) 콘크리트 인장연단에 가장 가까이에 배치되는 철근의 중심 간격 \(s\)는 식 (4.2-3)과 식 (4.2-4)에 의해 계산된 값 중에서 작은 값 이하로 하여야 한다. KDS 14 20 30(부록)에 따라 균열을 검증하는 경우에는 이 규정을 따르지 않을 수 있다.

[Note] 다음 식은 균열폭 0.3 mm를 기준으로 한 철근의 간격을 대체 표현한 것

철근 간격 제한식
\[ s = 375 \left(\frac{\kappa_{cr}}{f_s}\right) - 2.5c_c \quad \cdots (4.2\text{-}3) \] \[ s = 300 \left(\frac{\kappa_{cr}}{f_s}\right) \quad \cdots (4.2\text{-}4) \]

위의 두 식에서 작은 값 적용

여기서,

\(f_s\) = 사용하중상태에서 인장연단에 가장 가까이에 위치한 철근의 인장응력 (MPa)
        간단한 방법으로 균열을 검증하고자 할 때 \(f_s = \dfrac{2}{3}f_y\)를 근사적으로 사용할 수 있음

\(\kappa_{cr}\) = 건조환경에 노출되는 경우: 280, 그 외의 환경에 노출되는 경우: 210

\(c_c\) = 인장철근이나 긴장재의 표면과 콘크리트 표면 사이의 최소 두께

[Note]
1. 피복 두께(\(c_c\))를 증가하면, 균열폭(\(w\))이 증가하므로, 철근간격(\(s\))을 줄여야 한다.
2. 철근강도(\(f_s\))를 증가하면, 균열폭(\(w\))이 증가하므로, 철근간격(\(s\))을 줄여야 한다.

• 균열폭에 영향을 미치는 요인

1) 이형철근을 사용하면 균열폭을 최소로 할 수 있다.

2) 하중으로 인한 균열의 최대 폭은 철근의 응력과 철근지름에 비례, 철근비에 반비례한다.

3) 인장측에 철근을 잘 배분하면 균열폭을 최소로 할 수 있다.

4) 콘크리트 표면의 균열폭은 철근에 대한 콘크리트 피복 두께에 비례한다.

5) 균열 수보다는 폭이나 깊이가 문제가 되기 때문에 균열을 제한하는 가장 좋은 방법은 콘크리트의 최대인장구역에서 지름이 가는 철근을 여러 개 쓰고 이형철근만을 쓰는 것이다.

□ 균열의 검증

KDS 14 20 30 : 2021 콘크리트구조 사용성 설계기준, 부록. 균열의 검증

4.1.2 허용균열폭

(1) 철근콘크리트 구조물의 내구성 확보를 위한 허용균열폭은 아래 표에 따라야 한다.

(2) 수처리 구조물의 내구성과 누수방지를 위한 허용균열폭은 별도 표에 따라야 한다.

부록 표 4.1-1 철근콘크리트 구조물의 허용균열폭 \(w_a\) (mm)

강재의 종류	건조 환경	습윤 환경	부식성 환경	고부식성 환경
철근	0.4 mm와 0.006\(c_c\) 중 큰 값	0.3 mm와 0.005\(c_c\) 중 큰 값	0.3 mm와 0.004\(c_c\) 중 큰 값	0.3 mm와 0.0035\(c_c\) 중 큰 값
긴장재	0.2 mm와 0.005\(c_c\) 중 큰 값	0.2 mm와 0.004\(c_c\) 중 큰 값	—	—

여기서, \(c_c\)는 최외단 주철근의 표면과 콘크리트 표면 사이의 콘크리트 최소 피복 두께 (mm)

부록 표 4.1-2 수처리 구조물의 허용균열폭 \(w_a\) (mm)

구분	휨인장균열	전 단면 인장균열
오염되지 않은 물 (음용수·상수도 시설물)	0.25	0.20
오염된 액체	0.20	0.15

[Note] 수처리 구조물의 경우 내구성과 누수방지를 위해 일반 구조물보다 엄격한 기준 적용

□ 균열모멘트 \(M_{cr}\)

\[ M_{cr} = \frac{f_r I_g}{y_t} \quad \cdots (4.2\text{-}2) \] \[ f_r = 0.63\lambda\sqrt{f_{ck}} \quad \text{: 콘크리트 파괴계수} \quad \cdots (4.2\text{-}3) \]

[Note]

1) 보의 인장측 하단에서의 콘크리트 응력 \(f_t = \dfrac{M}{I_g}y_t\)

2) \(f_t\)가 콘크리트 휨파괴강도 (\(f_r = 0.63\sqrt{f_{ck}}\))를 초과하면 균열이 발생 → 이 때의 모멘트 \(M_{cr}\)

[예제] 균열 및 균열모멘트

[예제] 균열 (2019년 토목기사)

철근콘크리트 구조물의 균열에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

(1) 하중으로 인한 균열의 최대폭($w$)은 철근 응력($f_s$)에 비례한다.

(2) 인장측에 철근을 잘 분배하면 균열폭($w$)을 최소로 할 수 있다.

(3) 콘크리트 표면의 균열폭($w$)은 철근에 대한 피복 두께($c_c$)에 반비례한다.

(4) 많은 수의 미세한 균열보다는 폭이 큰 몇 개의 균열이 내구성에 불리하다.

[풀이]

콘크리트 표면의 균열폭은 철근에 대한 콘크리트 피복 두께에 비례한다.

[답] 3

[예제] 균열모멘트 (2022년 건축기사)

다음과 같은 조건의 단면을 가진 부재의 균열모멘트 $M_{cr}$ [kN·m]을 구하면?

단면의 중립축에서 인장연단까지의 거리 $y_t = 420\text{ mm}$
총 단면 2차모멘트 $I_g = 1.0 \times 10^{10}\text{ mm}^4$
보통중량 콘크리트 설계기준압축강도 $f_{ck}=21\text{ MPa}$

(1) 50.6   (2) 53.3   (3) 62.5   (4) 68.8

[풀이] 계산 단위: N, mm → MPa(=N/mm²)

$f_r = 0.63\sqrt{f_{ck}}$
$M_{cr}=\dfrac{f_r I_g}{y_t}=\dfrac{0.63\sqrt{21}\times 1.0\times 10^{10}}{420}$
$=68.8\times10^6\text{ N·mm}=68.8\text{ kN·m}$

[답] 4

[예제] 균열모멘트 (2021년 건축기사)

보통중량콘크리트를 사용한 그림과 같은 보의 단면에서 외력에 의해 휨 균열을 일으키는 균열모멘트 $M_{cr}$ [kN·m]값으로 옳은 것은? (단, $f_{ck}=27\text{ MPa}$, $f_y=400\text{ MPa}$, 철근은 개략적으로 도시되었음)



① 29.5   ② 34.7   ③ 40.9   ④ 52.4

[풀이] 계산 단위: N, mm → MPa(=N/mm²)

$M_{cr}=\dfrac{f_r I_g}{y_t}=\dfrac{0.63\sqrt{27}\times\dfrac{300\times500^3}{12}}{250}$
$=40.9\times10^6\text{ N·mm}=40.9\text{ kN·m}$

[답] 3

[예제] 균열모멘트 (2021년 토목기사)

단철근 직사각형 보의 폭이 300 mm, 유효깊이가 500 mm, 높이가 600 mm일 때, 외력에 의해 단면에서 휨균열을 일으키는 휨모멘트 $M_{cr}$ [kN·m]는? (단, $f_{ck}=28\text{ MPa}$, 보통중량콘크리트)

(1) 58   (2) 60   (3) 62   (4) 64

[풀이] 계산 단위: N, mm → MPa(=N/mm²)

$M_{cr}=\dfrac{f_r I_g}{y_t}=\dfrac{0.63\sqrt{28}\times\dfrac{300\times600^3}{12}}{300}$
$=60.0\times10^6\text{ N·mm}=60.0\text{ kN·m}$

[답] 2

[예제] 균열모멘트 (2017년 공무원 9급)

다음 보 단면의 균열모멘트 $M_{cr}$ [kN·m]은? (단, 콘크리트는 보통 골재이고, $f_{ck}=25\text{ MPa}$이다)



(1) 315   (2) 420   (3) 3,150   (4) 4,200

[풀이] 계산 단위: N, mm → MPa(=N/mm²)

$M_{cr}=\dfrac{f_r I_g}{y_t}=\dfrac{0.63\sqrt{25}\times\dfrac{600\times1{,}000^3}{12}}{1{,}000/2}$
$=315\times10^6\text{ N·mm}=315\text{ kN·m}$

철근의 면적은 균열 전 콘크리트의 전단면 면적에 비해 매우 작으므로 철근의 영향은 무시한다.

[답] 1

10.1.3 처짐 (Deflection)

KDS 14 20 30 : 2021 콘크리트구조 사용성 설계기준

• 하중의 작용에 의한 순간처짐

1) 부재강성에 대한 균열과 철근의 영향을 고려하여 탄성처짐공식을 사용하여 계산

2) 순간처짐은 탄성계수(\(E_c\))와 유효단면 2차모멘트(\(I_e\))를 이용하여 구함




• \(I_e\)를 사용하는 이유

휨모멘트 \(M\)이 \(M_{cr}\)보다 커지면 인장측 콘크리트에 균열이 발생하며, 이 때의 처짐은 \(I_g\)를 사용할 수 없으며, \(I_{cr}\)을 사용해야 한다. 그러나 보의 실제 처짐은 \(I_{cr}\)에 의해 계산된 값보다 적다. 따라서 처짐 계산을 위해서는 유효단면 2차모멘트(\(I_e\))를 사용한다.




• 장기처짐

1) 보는 탄성처짐 외에 시간의 경과와 더불어 진행되는 장기처짐이 추가됨

2) 장기처짐은 주로 콘크리트의 건조수축과 크리프에 의해 발생

3) 크리프는 자중 및 기타의 지속하중에 의해 진행되는 변형의 시간적 변화임

□ 1방향 구조 (one way structure)

KDS 14 20 30 : 2021 콘크리트구조 사용성 설계기준 — 4.2.1

4.2.1 1방향 구조

(1) 큰 처짐에 의하여 손상되기 쉬운 칸막이벽이나 기타 구조물을 지지하지 않는 1방향 구조물의 경우 표 4.2-1에 정한 최소 두께를 적용하여야 한다. 다만, 처짐계산에 의하여 표 4.2-2를 만족하는 경우 표 4.2-1의 최소 두께를 적용할 필요가 없다.

표 4.2-1 처짐을 계산하지 않는 경우의 보 또는 1방향 슬래브의 최소 두께 (보통중량콘크리트, \(f_y=400\) MPa)

부재	단순 지지	1단 연속	양단 연속	캔틸레버
1방향 슬래브	\(l/20\)	\(l/24\)	\(l/28\)	\(l/10\)
보 / 리브가 있는 1방향 슬래브	\(l/16\)	\(l/18.5\)	\(l/21\)	\(l/8\)

보정 사항:
1) 단위질량 1,500〜2,000 kg/m³ 범위의 경량콘크리트: \(h\) 값에 \((1.65 - 0.0031m_c)\)를 곱하여야 하나, 1.09 이상이어야 한다.
2) \(f_y\)가 400 MPa 이외의 경우: \(h\) 값에 \((0.43 + f_y/700)\)를 곱하여야 한다.

표 4.2-2 최대 허용처짐 (처짐을 계산하지 않는 최소 두께를 만족시키지 못한 경우)

부재의 형태	고려하여야 할 처짐	처짐 한계
과도한 처짐에 의해 손상되기 쉬운 비구조 요소를 지지 또는 부착하지 않은 평지붕구조	활하중 \(L\)에 의한 순간처짐	\(l/180\)
과도한 처짐에 의해 손상되기 쉬운 비구조 요소를 지지 또는 부착하지 않은 바닥구조	활하중 \(L\)에 의한 순간처짐	\(l/360\)
과도한 처짐에 의해 손상되기 쉬운 비구조 요소를 지지 또는 부착한 지붕 또는 바닥구조	비구조 요소가 부착된 후에 발생하는 처짐 (모든 지속하중에 의한 장기처짐 + 추가 활하중에 의한 순간처짐의 합)	\(l/480\)
과도한 처짐에 의해 손상될 염려가 없는 비구조 요소를 지지 또는 부착한 지붕 또는 바닥구조	비구조 요소가 부착된 후에 발생하는 처짐 (위와 동일)	\(l/240\)

4.2.1(3) 유효단면 2차모멘트 \(I_e\)

(3) 부재의 강성도를 엄밀한 해석 방법으로 구하지 않는 한, 부재의 순간처짐은 콘크리트 탄성계수 \(E_c\)와 아래의 유효단면 2차모멘트를 이용하여 구하여야 하며, 어느 경우라도 \(I_e\)는 \(I_g\) 이하이어야 한다.

\[ I_e = \left(\frac{M_{cr}}{M_a}\right)^3 I_g + \left[1 - \left(\frac{M_{cr}}{M_a}\right)^3\right] I_{cr} \le I_g \quad \cdots (4.2\text{-}1) \]
\[ M_{cr} = \frac{f_r I_g}{y_t} \quad \cdots (4.2\text{-}2) \]
\[ f_r = 0.63\lambda\sqrt{f_{ck}} \quad \cdots (4.2\text{-}3) \]

여기서,

\(\lambda\) = 경량콘크리트 계수 (경량콘크리트일 경우 1보다 작은 값을 사용하여 보정)

\(y_t\) = 철근을 무시한 단면의 중립축으로부터 인장연단까지의 거리

\(M_a\) = 처짐이 계산되는 단계까지 부재에 일어났던 최대모멘트

\(I_{cr}\) = 균열환산단면 2차모멘트

4.2.1(5) 장기처짐 계수 \(\lambda_\Delta\)

(5) 엄밀한 해석에 의하지 않는 한, 일반 또는 경량콘크리트 휨부재의 크리프와 건조수축에 의한 추가 장기처짐은 해당 지속하중에 의해 생긴 순간처짐에 다음 계수를 곱하여 구할 수 있다.

\[ \lambda_\Delta = \frac{\xi}{1 + 50\rho'} \quad \cdots (4.2\text{-}4) \]

여기서,

\(\rho' = \dfrac{A'_s}{bd}\) : 단순보 및 연속보는 스팬의 중앙단면, 캔틸레버는 지지면의 압축철근비

\(\xi\) = 지속하중의 재하기간에 따른 계수

재하기간	\(\xi\)
5년 이상	2.0
12개월	1.4
6개월	1.2
3개월	1.0

□ 수평변위 제한

현재 우리나라의 콘크리트 설계기준에서는 수평변위에 대한 정확한 제한 값을 두고 있지 않으나 국외 기준에서 언급된 내용을 참고로 하고 있다.

• 지진변위(국내 규준 적용): 층간변위비(drift ratio)로 제어하고 있으며 건물의 중요도에 따라 \(0.01h_x \sim 0.02h_x\)로 규정

• 풍변위(국내 규준 없음) — 주요 국외 기준:

1) Eurocode 3/1: 최상층 변위 \(H/500\), 다층골조 층고의 \(1/300\)

2) NBCC(캐나다): \(H/300 \sim H/500\)

3) Structural Engineering Handbook(미국): \(H/300 \sim H/500\)

4) Building Structural Handbook(미국): \(H/400\) (25년 재현주기, 사무실 용도)

10.1.3 진동 (Vibration)

• 구조물의 안정성에 영향을 미칠 수 있는 진동

1) 발파 또는 항타기와 같은 건설장비로부터 발생되는 건설진동

2) 공사장비 등 중차량의 운행에 의한 교통진동

• 건설진동

— 일반적으로 그 규모가 상대적으로 작고 주변 건축물과의 이격거리가 짧음

— 주로 암반을 통하여 진동이 전달되는 관계로 높은 진동수의 지반운동을 생성

— 고진동수를 갖는 지반운동은 저진동수의 경우보다 건물에 더 작은 변형을 유발

— 주변 건축물에 균열 등을 발생시킬 가능성이 작음

• 교통진동

— 차량이 도로를 주행할 때 지표면을 통해 주변에 지속적으로 전달됨

— 일반적으로 교통진동은 구조적 손상을 발생시키는 원인이 될 정도로는 크지 않음

[목차로 돌아가기]

[예제] 허용처짐 및 장기처짐

[예제] 허용처짐 (2022년 건축기사)

과도한 처짐에 의해 손상되기 쉬운 비구조 요소를 지지 또는 부착하지 않은 바닥구조의 활하중 $L$에 의한 순간처짐의 한계는?

① $l/180$   ② $l/240$   ③ $l/360$   ④ $l/480$

[답] 3

[예제] 허용처짐 (2020년 공무원 9급 건축구조)

과도한 처짐에 의해 손상되기 쉬운 비구조요소를 지지 또는 부착하지 않은 1방향 바닥구조의 최대 허용처짐 조건으로 옳은 것은?

① 활하중에 의한 순간처짐이 부재길이의 $1/180$ 이하

② 활하중에 의한 순간처짐이 부재길이의 $1/360$ 이하

③ 전체 처짐 중에서 비구조 요소가 부착된 후에 발생하는 처짐부분이 부재길이의 $1/480$ 이하

④ 전체 처짐 중에서 비구조 요소가 부착된 후에 발생하는 처짐부분이 부재길이의 $1/240$ 이하

[답] 2

[예제] 처짐 계산 않는 보 (2022년 토목기사)

콘크리트 설계기준압축강도가 28 MPa, 철근의 설계기준항복강도가 400 MPa로 설계된 길이가 7 m인 양단 연속보에서 처짐을 계산하지 않는 경우의 최소 두께[mm]는? (단, 보통중량콘크리트 $m_c=2{,}300\text{ kg/m}^3$)

① 275   ② 334   ③ 379   ④ 438

[풀이] $l/21 = 7{,}000/21 = 333.33$

[답] 2

[예제] 처짐 계산 않는 보 (2021년 건축기사)

강도설계법에서 처짐을 계산하지 않는 경우 스팬이 8.0 m인 단순지지된 보의 최소 두께[mm]로 옳은 것은? (단, 보통중량콘크리트와 $f_y=400\text{ MPa}$ 철근을 사용한 경우)

① 380   ② 430   ③ 500   ④ 600

[풀이] $l/16 = 8{,}000/16 = 500$

[답] 3

[예제] 처짐 계산 않는 보 (2021년 토목기사)

콘크리트 설계기준압축강도가 28 MPa, 철근의 설계기준항복강도가 350 MPa로 설계된 길이가 4 m인 캔틸레버 보가 있다. 처짐을 계산하지 않는 경우의 최소 두께[mm]는? (단, 보통중량콘크리트 $m_c=2{,}300\text{ kg/m}^3$)

① 340   ② 465   ③ 512   ④ 600

[풀이]

1) $l/8 = 4{,}000/8 = 500$
2) 강도보정계수: $(0.43+f_y/700)=(0.43+350/700)=0.93$
3) $500\times0.93=465\text{ mm}$

[답] 2

[예제] 처짐 계산 않는 슬래브 (2021년 공무원 9급 건축구조)

보통중량콘크리트를 사용하고 설계기준항복강도가 400 MPa인 철근을 사용할 경우, 처짐을 계산하지 않아도 되는 1방향 슬래브의 최소두께를 지지조건에 따라 나타낸 것으로 옳지 않은 것은?

① 단순 지지: $l/18$ 또는 $l/20$   ② 1단 연속: $l/24$   ③ 양단 연속: $l/28$   ④ 캔틸레버: $l/10$

[풀이] 단순 지지 1방향 슬래브는 $l/20$이므로, $l/18$은 옳지 않다.

[답] 1

[예제] 처짐 계산 않는 슬래브 (2021년 건축기사)

강도설계법에서 양단 연속 1방향 슬래브의 스팬이 3,000 mm일 때 처짐을 계산하지 않는 경우 슬래브의 최소 두께[mm]를 계산한 값으로 옳은 것은? (단, 단위중량 $w_c=2{,}300\text{ kg/m}^3$의 보통콘크리트 및 $f_y=400\text{ MPa}$ 철근 사용)

① 107.1   ② 124.3   ③ 132.1   ④ 145.5

[풀이] $l/28 = 3{,}000/28 = 107.1$

[답] 1

[예제] 처짐 계산 않는 슬래브 (2015년 공무원 9급)

캔틸레버로 지지된 1방향 슬래브의 지간이 6 m일 때, 처짐을 계산하지 않기 위한 슬래브의 최소 두께[mm]는? (단, 보통중량콘크리트를 사용하였고 철근의 설계기준항복강도는 400 MPa이며, KDS 콘크리트 구조기준을 적용)

① 300   ② 400   ③ 500   ④ 600

[풀이] 캔틸레버 슬래브의 최소두께: $l/10 = 6{,}000/10 = 600$

[답] 4

[예제] 처짐 계산 않는 슬래브 (2016년 공무원 9급)

큰 처짐에 의해 손상되기 쉬운 칸막이벽이나 기타 구조물을 지지하지 않는 지간 4 m의 1방향 슬래브가 단순 지지되어 있을 때, 처짐 검토를 생략할 수 있는 슬래브의 최소 두께[mm]는?

① 400   ② 267   ③ 200   ④ 167

[풀이] 단순 지지 슬래브의 최소두께: $l/20 = 4{,}000/20 = 200$

[답] 3

[예제] 장기처짐 (2021년 건축기사)

철근콘크리트 단순보에서 순간탄성처짐이 0.9 mm이었다면 1년 뒤 이 부재의 총처짐량[mm]을 구하면? (단, 시간경과계수 $\xi=1.4$, 압축철근비 $\rho'=0.01071$)

① 1.52   ② 1.72   ③ 1.92   ④ 2.12

[풀이]

$\lambda_\Delta = \dfrac{\xi}{1+50\rho'} = \dfrac{1.4}{1+50\times0.01071}=0.911$
$\delta_T=\delta_i(1+\lambda_\Delta)=0.9(1+0.911)=1.72$

[답] 2

[예제] 장기처짐 (2021년 건축기사)

압축철근 $A'_s=2{,}400\text{ mm}^2$로 배근된 복철근보의 탄성처짐이 15 mm라 할 때 지속하중에 의해 발생되는 5년 후 장기처짐[mm]은? (단, $b=300\text{ mm}$, $d=400\text{ mm}$, $\xi=2.0$)

① 9   ② 12   ③ 15   ④ 30

[풀이]

$\rho'=\dfrac{2{,}400}{300\times400}=0.02$
$\lambda_\Delta=\dfrac{2.0}{1+50\times0.02}=1$
$\delta_\Delta=\delta_i\lambda_\Delta=15\times1=15$

[답] 3

[예제] 장기처짐 (2024년 토목설계) 정답심사

압축철근비 $\rho'=0.02$인 복철근 직사각형 보에서 지속하중에 의한 탄성처짐이 15 mm 발생하였을 때, 5년 후 지속하중에 의한 추가 장기처짐을 더한 최종 처짐[mm]은? (단, $\xi=2.0$)

① 15   ② 22   ③ 30   ④ 45

[풀이]

$\lambda_\Delta=\dfrac{2.0}{1+50\times0.02}=1$
장기처짐: $\delta_\Delta=15\times1=15$
최종처짐: $\delta=\delta_i+\delta_i\lambda_\Delta=15+15=30$

정답심사: 일반적으로 토목설계에서 최종처짐은 탄성처짐과 장기처짐을 더한 처짐으로 사용되므로 이의제기는 타당하지 않은 것으로 사표되었다.

[답] 3

[예제] 장기처짐 (2019년 공무원 9급)

압축철근량 $A'_s=2{,}400\text{ mm}^2$로 배근된 복철근 직사각형보의 탄성처짐이 10 mm인 부재의 경우 하중의 재하기간이 10년이고 압축철근비가 0.02일 때, 장기처짐을 고려한 총 처짐량[mm]은?

① 10   ② 15   ③ 20   ④ 25

[풀이] $\lambda_\Delta=\dfrac{2.0}{1+50\times0.02}=1$, 따라서 $\delta_T=10(1+1)=20$

[답] 3

[예제] 장기처짐 (2017년 공무원 9급)

순간 처짐이 20 mm 발생한 캔틸레버 보에서 5년 이상의 지속하중에 의한 총 처짐량[mm]은? (단, 보의 인장 철근비는 0.02, 받침부의 압축철근비는 0.01)

① 26.7   ② 36.7   ③ 46.7   ④ 56.7

[풀이] $\lambda_\Delta=\dfrac{2.0}{1+50\times0.01}=1.333$, 따라서 $\delta_T=20(1+1.333)=46.67$

[답] 3

[예제] 장기처짐 (2017년 공무원 9급)

단순 지지된 보에 등분포 고정하중이 작용하고 있다. 순간 탄성처짐이 20 mm일 경우 5년 뒤의 총 처짐량[mm]은? (단, 중앙단면의 압축 철근비는 0.02)

① 20   ② 25   ③ 30   ④ 40

[풀이] $\lambda_\Delta=\dfrac{2.0}{1+50\times0.02}=1$, 따라서 $\delta_T=20(1+1)=40$

[답] 4

[예제] 장기처짐 (2017년 토목기사)

처짐과 균열에 대한 다음 설명 중 틀린 것은?

① 처짐에 영향을 미치는 인자로는 하중, 온도, 습도, 재령, 함수량, 압축철근의 단면적 등이다.

② 크리프, 건조수축 등으로 인하여 시간의 경과와 더불어 진행되는 처짐이 탄성장기처짐이다.

③ 균열폭을 최소화하기 위해서는 적은 수의 굵은 철근보다는 많은 수의 가는 철근을 인장측에 잘 분포시켜야 한다.

④ 콘크리트 표면의 균열폭은 피복 두께의 영향을 받는다.

[풀이] 시간 경과에 따라 진행되는 처짐은 장기처짐이며, 탄성처짐과 구분된다.

[답] 2

[예제] 장기처짐 (2016년 공무원 9급)

철근콘크리트 캔틸레버 보에 하중이 작용하여 하향 탄성 처짐 20 mm가 발생되었다. 이 하중이 장기하중으로 작용할 때, 5년 후의 총 처짐량[mm]은? (단, 보의 지지부에서의 인장철근비는 0.01, 압축철근비는 0.005)

① 26.7   ② 32.0   ③ 46.7   ④ 52.0

[풀이] $\lambda_\Delta=\dfrac{2.0}{1+50\times0.005}=1.6$, 따라서 $\delta_T=20(1+1.6)=52$

[답] 4

[예제] 장기처짐 (2015년 공무원 9급)

복철근 직사각형 보에 하중이 작용하여 10 mm의 순간처짐이 발생하였다. 1년 후의 총 처짐량[mm]은? (단, 압축철근비 $\rho'$는 0.02)

① 17   ② 18   ③ 19   ④ 20

[풀이] $\lambda_\Delta=\dfrac{1.4}{1+50\times0.02}=0.7$, 따라서 $\delta_T=10(1+0.7)=17$

[답] 1

[과제] 사용성: 장기처짐

[Excel 예제 6.1] 사용성: 장기처짐

참조: 이영욱, 송진규, 『엑셀을 이용한 철근콘크리트 설계』, 동화기술, 2012

다음 그림과 같은 단순 보의 재령 6개월에서의 단기처짐과 재령 5년에서의 장기처짐을 계산하라. 또한 본 구조물이 과도한 처짐에 의해 손상되기 쉬운 비구조요소를 지지하는 바닥구조라 가정하여 검토하라.

고정하중(자중 포함) = 6 kN/m
활하중 = 4 kN/m, 50%가 지속하중으로 작용
보 경간 = 8 m
$f_{ck}=27\text{ MPa}$, $f_y=400\text{ MPa}$
보 단면 = 400×600 mm
주철근: 8-D25, 후프철근: D13, 피복 두께: 4 cm

10.2 내구성 (Durability)

KDS 14 20 40 : 2021 콘크리트구조 내구성 설계기준

10.2.1 설계 일반

4.1.1 설계 일반

(1) 콘크리트 구조는 주어진 주변 환경조건에서 설계 공용기간 동안에 안전성, 사용성, 내구성, 미관을 갖도록 설계, 시공, 유지관리하여야 한다.

(2) 설계 착수 전에 구조물 발주자와 설계자는 구조물의 중요도, 환경조건, 구조거동, 유지관리방법 등을 고려하여 공학적으로 검증된 방법을 통해 구조물의 내구성능을 확보할 수 있는 방안을 강구하여야 한다.

▷ 내구성 설계의 필요성

콘크리트 구조물의 내구성 설계는 주어진 주변 환경조건에서 설계 공용기간 동안 안전성을 확보하기 위해 필요한 내구성능을 가지도록 구조물을 설계하는 것을 말한다. 콘크리트는 기본적으로 매우 내구성이 높은 건설재료이지만, 유해한 환경에 노출되면 다양한 물리적 화학적 변화 과정을 거치면서 성능이 저하된다. 그러므로 내구성 설계는 구조설계 못지 않게 중요하게 다루어져야 한다.




▷ 콘크리트 주요 성능저하 작용

표 1.2-1 콘크리트 주요 성능저하 작용

작용	발생 메커니즘	성능저하
염해 (Chloride attack)	내부 또는 외부 염화물에 의해 철근 부동태(不動態)피막이 깨지면서 철근 부식을 유발	철근 단면적 감소, 내력 감소 연성 감소 피복 콘크리트 균열, 탈락
탄산화 (Carbonation, 중성화)	공기중의 이산화탄소가 콘크리트 내부로 침투하여 수산화칼슘과 같은 시멘트 수화물과 결합 Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O	콘크리트의 pH가 감소하여 철근 부식 촉진
동결융해 (Freezing-Thawing)	콘크리트 내부의 수분이 동결과 융해 작용을 반복적으로 받으면서 표층부부터 성능저하가 발생	콘크리트 표면 균열 발생 표층부 박리(scaling) 골재 탈락(pop-out)
황산염해 (Sulfate attack)	황산염이 시멘트 경화체의 수화생성물과 반응하여 팽창성 물질을 생성	반응생성물(ettringite 등)이 팽창을 유발하여 콘크리트의 균열과 박리 발생
알칼리-골재 반응 (Alkali-aggregate reaction)	콘크리트 내부의 공극수에 용해되어 있는 알칼리 금속이온이 골재 중의 알칼리 반응성 광물과 반응하여 알칼리-실리카겔과 같은 팽창성 물질을 생성	내부 팽창압에 의해 콘크리트 균열, 탈락 발생

10.2.2 내구성 설계기준

4.1.2 내구성 설계기준

(1) 해풍, 해수, 제빙화학제, 황산염 및 기타 유해물질에 노출된 콘크리트는 10.2.3에서 규정하는 노출등급에 따라 10.2.4의 조건을 만족하는 콘크리트를 사용하여야 한다.

(2) 설계자는 구조물의 내구성을 확보할 수 있는 적절한 설계기법을 결정하여야 한다.

(4) 구조물이나 부재의 외측 표면에 있는 콘크리트의 품질이 보장될 수 있도록 하여야 한다. 다지기와 양생이 적절하여 밀도가 크고, 강도가 높고, 투수성이 낮은 콘크리트를 시공하고 피복 두께를 확보하여야 한다.

(7) 설계자는 내구성에 관련된 콘크리트 재료, 피복 두께, 철근과 긴장재, 처짐, 균열, 피로 및 기타 사항에 대한 제반 규정을 모두 검토하여야 한다.

10.2.3 노출 범주 및 등급

4.1.3 노출 범주 및 등급

(1) 책임구조기술자는 구조용 콘크리트 부재에 대해 예측되는 노출 정도를 고려하여 표 4.1-1에 따라 노출등급을 정하여야 한다.

표 4.1-1 노출 범주 및 등급

범주	등급	조건	예
일반	E0	물리적, 화학적 작용에 의한 콘크리트 손상의 우려가 없는 경우 철근이나 내부 금속의 부식 위험이 없는 경우	공기 중 습도가 매우 낮은 건물 내부의 콘크리트
EC (탄산화)	EC1	건조하거나 수분으로부터 보호되는 또는 영구적으로 습윤한 콘크리트	공기 중 습도가 낮은 건물 내부의 콘크리트 물에 계속 침지되어 있는 콘크리트
	EC2	습윤하고 드물게 건조되는 콘크리트로 탄산화의 위험이 보통인 경우	장기간 물과 접하는 콘크리트 표면 외기에 노출되는 기초
	EC3	보통 정도의 습도에 노출되는 콘크리트로 탄산화 위험이 비교적 높은 경우	공기 중 습도가 보통 이상으로 높은 건물 내부의 콘크리트 비를 맞지 않는 외부 콘크리트
	EC4	건습이 반복되는 콘크리트로 매우 높은 탄산화 위험에 노출되는 경우	EC2 등급에 해당하지 않고, 물과 접하는 콘크리트 (예: 비를 맞는 콘크리트 외벽, 난간 등)
ES (해양환경, 제빙화학제 등 염화물)	ES1	보통 정도의 습도에서 대기 중의 염화물에 노출되지만 해수 또는 염화물을 함유한 물에 직접 접하지 않는 콘크리트	해안가 또는 해안 근처에 있는 구조물 도로 주변에 위치하여 공기중의 제빙화학제에 노출되는 콘크리트
	ES2	습윤하고 드물게 건조되며 염화물에 노출되는 콘크리트	수영장 염화물을 함유한 공업용수에 노출되는 콘크리트
	ES3	항상 해수에 침지되는 콘크리트	해상 교각의 해수 중에 침지되는 부분
	ES4	건습이 반복되면서 해수 또는 염화물에 노출되는 콘크리트	해양 환경의 물보라 지역(비말대) 및 간만대에 위치한 콘크리트 도로 포장, 주차장
EF (동결융해)	EF1	간혹 수분과 접촉하나 염화물에 노출되지 않고 동결융해의 반복작용에 노출되는 콘크리트	비와 동결에 노출되는 수직 콘크리트 표면
	EF2	간혹 수분과 접촉하고 염화물에 노출되며 동결융해의 반복작용에 노출되는 콘크리트	공기 중 제빙화학제와 동결에 노출되는 도로구조물의 수직 콘크리트 표면
	EF3	지속적으로 수분과 접촉하나 염화물에 노출되지 않고 동결융해의 반복작용에 노출되는 콘크리트	비와 동결에 노출되는 수평 콘크리트 표면
	EF4	지속적으로 수분과 접촉하고 염화물에 노출되며 동결융해의 반복작용에 노출되는 콘크리트	제빙화학제에 노출되는 도로와 교량 바닥판 동결에 노출되는 물보라 지역(비말대) 및 간만대에 위치한 해양 콘크리트
EA (황산염)	EA1	보통 수준의 황산염이온에 노출되는 콘크리트	토양과 지하수에 노출되는 콘크리트 해수에 노출되는 콘크리트
	EA2	유해한 수준의 황산염이온에 노출되는 콘크리트	토양과 지하수에 노출되는 콘크리트
	EA3	매우 유해한 수준의 황산염이온에 노출되는 콘크리트	토양과 지하수에 노출되는 콘크리트 하수, 오·폐수에 노출되는 콘크리트

10.2.4 내구성 확보를 위한 요구조건

4.1.4 내구성 확보를 위한 요구조건

(1) 콘크리트 설계기준압축강도는 표 4.1-1의 노출등급에 따라 표 4.1-3에서 규정하는 값 이상이라야 한다. 다만, 별도의 내구성 설계를 통해 입증된 경우나 성능이 확인된 별도의 보호 조치를 취하는 경우에는 표 4.1-3에서 규정하는 값보다 낮은 강도를 적용할 수 있다.

(3) 콘크리트 배합은 표 4.1-1의 노출등급에 따라 표 4.1-3에서 규정하는 물-결합재비, 결합재 종류, 연행공기량, 염화물 함유량 등에 대한 요구조건을 만족하여야 한다.

표 4.1-3 노출등급에 따른 최소 설계기준압축강도 \(f_{ck}\) (MPa)

항목	E0	EC1	EC2	EC3	EC4	ES1	ES2	ES3	ES4	EF1	EF2	EF3	EF4	EA1	EA2	EA3
최소 설계기준압축강도 (MPa)	21	21	24	27	30	30	30	35	35	24	27	30	30	27	30	30

▪ 염해 (chloride attack; salt damage)

강한 알칼리성의 콘크리트 속에 있는 철근은 표면에 부동태피막을 형성시켜 부식되는 것을 방지해 주고 있다. 그러나 부동태피막도 콘크리트 중에 염화물이 침입하여 염소이온량이 일정값 이상이 되면 부식을 시작하여 콘크리트의 내구성 저하를 초래한다.




▪ 중성화 (탄산화, neutralization)

공기 중의 탄산가스에 의해 수화반응 시 발생된 수산화칼슘(Ca(OH)₂)이 탄산칼슘(CaCO₃)으로 변화하는 과정에서 콘크리트 고유의 알칼리성을 잃게 되어 철근이 콘크리트 속에서 알칼리 성분에 의해 부식으로부터 잘 보호받지 못하게 되는 현상이다.

중성화가 이루어지면 알칼리성인 콘크리트의 PH 농도를 약 8.5〜10 정도로 감소시켜 철근을 부식시키고, 부식으로 인하여 철근의 부피가 팽창하면서 피복콘크리트를 박리시켜 균열이 발생된다.

1. 콘크리트 중성화(탄산화): Ca(OH)₂ + CO₂ → CaCO₃ + H₂O

2. 철근: Fe + O₂ → Fe₂O₃ (산화철)




▪ 동해

콘크리트 중의 수분이 외부 온도의 저하에 의한 동결과 융해의 반복 작용으로부터 균열이 발생하거나 표면부가 박리하여 성능이 저하되는 현상. AE제, AE 감수제 등을 사용하여 공기량을 증가시킴으로서 방지시켜 준다.

10.3 보수·보강 및 유지관리

KDS 14 20 40 : 2021 콘크리트구조 내구성 설계기준

10.3.0 설계 일반

4.2.1 설계 일반

(1) 콘크리트 구조물은 주어진 주변 환경조건에서 목표 수명기간 동안에 안전성, 사용성, 내구성, 미관을 갖도록 유지관리하여야 한다. 완공된 콘크리트 구조물은 정기적인 점검과 필요할 때 보수·보강을 통하여 본래의 기능을 유지하고 사용자의 편의와 안전을 도모할 수 있도록 관리하여야 한다.

(2) 균열이 발생한 구조물에 대하여 균열 발생의 원인 및 그 유해성에 관한 검토가 필요할 때에는 KDS 14 20 30(부록)에서 제시하고 있는 방법에 따라 검토하여 제반 조치를 강구하여야 한다.

(4) 구조물의 안전을 점검하기 위한 안전진단과 보수·보강 설계는 책임구조기술자에 의해 수행되어야 한다.

10.3.0b 보수·보강 설계

4.2.2 보수·보강 설계

(1) 손상된 콘크리트 구조물에서 안전성, 사용성, 내구성, 미관 등의 기능을 회복시키기 위한 보수는 타당한 보수설계에 근거하여야 한다.

(2) 기존 구조물에서 내하력을 회복 또는 증가시키기 위한 보강은 타당한 보강설계에 근거하여야 한다.

(3) 보수·보강 설계를 할 때는 구조체를 조사하여 손상 원인, 손상 정도, 저항내력 정도를 파악하고 구조물이 처한 환경조건, 하중조건, 필요한 내력, 보수·보강의 범위와 규모를 정하며, 보수·보강재료를 선정하여 단면 및 부재를 설계하고, 적절한 보수·보강시공법을 검토하여야 한다.

(4) 보강설계를 할 때에는 보강 후의 구조내하력 증가 외에 사용성과 내구성 등의 성능 향상을 고려하여야 한다.

(5) 책임구조기술자는 보수·보강 공사에서 품질을 확보하기 위하여 공정별로 품질관리검사를 시행하여야 한다.

10.3.1 콘크리트 구조의 이음(Joint) 종류

콘크리트 구조물의 시공 및 사용 중 발생 가능한 수축, 온도 변화, 구조적 분리 등의 요구에 대응하기 위하여 다양한 이음(Joint)이 도입된다. 대표적인 이음으로는 시공이음(CJ) , 신축이음(EJ) , 구조이음(DJ) 이 있으며, 각각의 기능과 설치 목적은 다음과 같다.

10.3.1.1 신축이음 (Expansion Joint, EJ)

신축이음은 온도 변화나 건조수축 등으로 인해 발생하는 팽창 및 수축 을 흡수하기 위한 이음이다. 주로 구조물의 연속성을 분할하고, 변형 누적을 방지하는 기능을 수행한다. 고무, 발포재 등 탄성 재료를 삽입하여 부재 간 충돌을 방지하고 독립 거동을 유도한다.

10.3.1.2 시공이음 (Construction Joint, CJ)

시공이음은 콘크리트 타설 작업이 중단되는 지점에 형성되는 이음이다. 시공상 불가피하게 나뉘는 구간에서 타설을 다시 연결하기 위해 설치되며, 구조적 연속성 확보 를 위한 보강 철근 정착이 병행된다. 배치 위치는 구조 해석상 응력이 최소인 부분에 두는 것이 바람직하다.

10.3.1.3 지연이음 (Delay Joint, DJ)

지연이음은 콘크리트 구조물의 시공 순서 및 시기 차이에 의해 형성되는 이음이다. 이는 일반적으로 상·하부 구조물 간 또는 동시에 시공이 어려운 부재 간에 발생하며, 계획된 시공 지연에 따라 구조적 연속성 및 철근 정착이 검토되어야 한다.

10.3.1.4 콘크리트 이음의 비교

구분	신축이음 (EJ)	시공이음 (CJ)	지연이음 (DJ)
형성 시점	설계 및 온도/수축 고려	타설 중단 시	시공 순서 고려
주요 목적	팽창/수축 흡수	연속성 유지	구조적 연속성 확보
보강 철근	없음 (신축재 사용)	필수	필수
해석 모델	거동 분리	일체로 간주	시공단계 고려

10.3.1.5 {Q} 콜드 조인트 (Cold Joint)

콘크리트 타설 작업에서 발생하는 시공 결함의 일종이다.

1) 정의

먼저 타설된 콘크리트가 경화되기 시작한 후에 새로운 콘크리트를 타설할 때, 두 콘크리트 사이에 완전한 일체화가 이루어지지 않아 생기는 불연속면이다.

2) 발생 원인

- 시공 계획 미흡: 레미콘 운송, 장비, 인원 계획 불충분.
- 타설 지연: 레미콘 차량 도착 지연, 펌프 고장, 휴식 시간 등.
- 기온 및 날씨: 고온 환경에서의 타설 지연, 급격한 기상 변화 등.
- 기타: 부적절한 배합, 거푸집 설치 불량, 타설 순서 무시 등

3) 문제점

- 구조적 결함: 강도와 내구성 저하, 전단력 영향에 대한 검토 미흡.
- 수밀성 저하: 누수 발생, 탄산화 촉진으로 인한 철근 부식 가속화.
- 균열 발생: 콜드 조인트를 따라 균열이 발생할 위험이 증가합니다

4) 방지 대책

- 치밀한 사전 계획: 타설 구획 순서 준수 및 이어치기 허용 시간 관리.
- 철저한 준비: 레미콘 수급 및 운송 계획, 비상 장비 준비.
- 타설 중 주의: 콘크리트 온도 관리(응결 지연제 사용 등), 진동 다짐 철저.
- 불가피할 경우 조치: 작업 완료 후 워터젯 등으로 표면 처리하여 새로운 콘크리트 타설 준비.

[예제] 보수·보강

[예제] 보수·보강 (2022년 건축기사)

콘크리트구조의 내구성설계기준에 따른 보수·보강 설계에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?

① 손상된 콘크리트 구조물에서 안전성, 사용성, 내구성, 미관 등의 기능을 회복시키기 위한 보수는 타당한 보수설계에 근거하여야 한다.

② 보수·보강 설계를 할 때는 구조체를 조사하여 손상 원인, 손상 정도, 저항내력 정도를 파악한다.

③ 책임구조기술자는 보수·보강 공사에서 품질을 확보하기 위하여 공정별로 품질관리검사를 시행하여야 한다.

④ 보강설계를 할 때에는 사용성과 내구성 등의 성능은 고려하지 않고, 보강 후의 구조내하력 증가만을 반영한다.

[풀이]

보강설계를 할 때에는 보강 후의 구조내하력 증가 외에 사용성과 내구성 등의 성능 향상을 고려하여야 한다.

[답] 4

10.4 최소 피복 두께 (KDS 14 20 50)

KDS 14 20 50 : 2021 콘크리트구조 철근상세 설계기준

▪ 최소 피복 두께를 두는 이유

1) 내구성 확보

2) 구조내력 확보

3) 내화성 확보

4) 부착성 확보

5) 방청성 확보

6) 콘크리트 유동성 확보

10.4.1 노출조건에 따른 부재별 최소 피복 두께

철근 부식의 위험이 높은 노출범주에 대해서는 강도와 재료 및 배합에 관한 요구조건 외에 충분한 피복두께를 확보하는 것이 중요하다.

표 2.3-7 철근 최소 피복두께 (mm)

노출조건	부재 종류	현장치기 콘크리트 Non-PSC	현장치기 콘크리트 PSC	프리캐스트 콘크리트
A 옥외의 공기나 흙에 접하지 않는 콘크리트	슬래브, 벽체, 장선구조	D35 초과: 40 D35 이하: 20	20	D35 초과 철근 및 지름 40mm 초과 긴장재: 30 D35 이하 철근 및 지름 40mm 이하 긴장재: 20 지름 16mm 이하 철선: 15
	보, 기둥	40	주철근: 40 띠철근, 스터럽, 나선철근: 30	주철근: \(d_b\) (15 이상, 40 미만) 띠철근, 스터럽, 나선철근: 10
	쉘, 절판부재	20	D19 이상의 철근: \(d_b\) D16 이하의 철근, 지름 16mm 이하의 철선: 10	D19 이상의 철근: max(15, 0.5\(d_b\)) D16 이하의 철근, 지름 16mm 이하의 철선: 10
B 흙에 접하거나 옥외의 공기에 직접 노출되는 콘크리트	슬래브, 벽체, 장선구조	30		벽체: D35 초과 또는 지름 40mm 초과 긴장재: 40 D35 이하 철근, 지름 40mm 이하 긴장재, 지름 16mm 이하 철선: 20
	기타 부재	D19 이상: 50 D16 이하, 지름 16mm 이하 철선: 40	40	D35 초과 또는 지름 40mm 초과 긴장재: 50 D19 이상〜D35 이하 철근: 40 D16 이하 철근, 지름 16mm 이하 철선 및 긴장재: 30
C 흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀 있는 콘크리트	—	75	75	—
D 수중에서 치는 콘크리트	—	100	—	—
E 해수 또는 해수 물보라, 제빙화학제 등 염화물에 노출되어 철근 또는 긴장재의 부식이 우려되는 환경 (ES 범주)	벽체, 슬래브	50		40
	벽체·슬래브 외 모든 부재	노출등급 ES1, ES2: 60 노출등급 ES3: 70 노출등급 ES4: 80	(동일)	50

□ 프리스트레스하지 않는 부재의 현장치기콘크리트 최소 피복 두께

KDS 14 20 50 — 4.3.1

① 수중에서 치는 콘크리트: 100 mm

② 흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀 있는 콘크리트: 75 mm

③ 흙에 접하거나 옥외의 공기에 직접 노출되는 콘크리트

가. D19 이상의 철근: 50 mm

나. D16 이하의 철근, 지름 16 mm 이하의 철선: 40 mm

④ 옥외의 공기나 흙에 직접 접하지 않는 콘크리트

가. 슬래브, 벽체, 장선

(가) D35 초과하는 철근: 40 mm

(나) D35 이하인 철근: 20 mm

나. 보, 기둥: 40 mm

콘크리트의 설계기준압축강도 \(f_{ck}\)가 40 MPa 이상인 경우 규정된 값에서 10 mm 저감시킬 수 있다.

다. 쉘, 절판부재: 20 mm

□ 특수 환경에 노출되는 콘크리트 (4.3.6)

(1) 해수 또는 해수 물보라, 제빙화학제 등 염화물에 노출되어 철근 또는 긴장재의 부식이 우려되는 환경(노출범주 ES)에서는 다음 값 이상의 피복 두께를 확보하여야 한다.

① 현장치기콘크리트

가. 벽체, 슬래브: 50 mm

나. 그 외 모든 부재 — 노출등급 ES1, ES2: 60 mm / ES3: 70 mm / ES4: 80 mm

② 프리캐스트콘크리트

가. 벽체, 슬래브: 40 mm

나. 그 외 모든 부재: 50 mm

(2) 유수 등에 의한 심한 침식이나 심한 마모가 우려되는 환경에서는 필요한 만큼 피복 두께를 증가시키거나 침식 또는 마모를 방지하기 위한 별도의 조치를 강구하여야 한다.

(3) 내화를 필요로 하는 구조물의 피복 두께는 화열의 온도, 지속시간, 사용골재의 성질 등을 고려하여 정하여야 한다.

[예제] 최소 피복 및 철근콘크리트 피복

[예제] 최소 피복 (2021년 건축기사)

KDS에서 철근콘크리트 구조의 최소 피복 두께를 규정하는 이유로 보기 어려운 것은?

(1) 철근이 부식되지 않도록 보호

(2) 구조내력 확보

(3) 내화성 확보

(4) 콘크리트 유동성 확보

[풀이] 최소 피복 두께는 내구성, 구조내력, 내화성, 부착성 등을 확보하기 위한 기준이며 콘크리트 유동성 확보가 직접 목적은 아니다.

[답] 4

[예제] 철근콘크리트 피복 (2022년 건축기사)

프리스트레스하지 않는 부재의 현장치기 콘크리트 중 흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀 있는 콘크리트의 최소 피복 두께[mm] 기준으로 옳은 것은?

① 100   ② 75   ③ 50   ④ 40

[답] 2

[예제] 철근콘크리트 피복 (2020년 토목기사)

프리스트레스트 콘크리트의 경우 흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀 있는 콘크리트의 최소 피복두께[mm]는? (2021년 개정된 규정 적용)

(1) 45   (2) 65   (3) 75   (4) 105

[풀이] 흙에 접하여 콘크리트를 친 후 영구히 흙에 묻혀 있는 콘크리트는 75 mm를 적용한다.

[답] 3

[예제] 철근콘크리트 피복 (2006년 건축기사)

철근콘크리트조의 피복 두께에 대한 설명으로 틀린 것은?



[풀이] 피복 두께는 내화, 내구성 및 부착력을 고려하여 정하며, 부재의 종류와 노출조건에 따라 달라진다.

10.4.2 부재별 노출범주 및 최소 설계기준압축강도

노출 환경을 고려하여 콘크리트 구조물을 구성하는 부재별로 노출범주 및 등급을 적용한 예를 아래 표에 나타냈다. 여기서 부재와 노출조건은 대표적인 예를 기준으로 한 것이고, 실제 부재의 노출환경에 따라 달라질 수 있음에 유의하여야 한다.

표 3.2-1 콘크리트 구조물의 부재별 노출범주 및 등급 적용 방안 (출처: 건설기준센터, 2023.3)

부재	상세 노출조건	노출등급	최소 \(f_{ck}\) (MPa)
기초, 교각, 주탑 외부 기둥(필로티), 외벽	흙에 묻힌 부분	EC2	24
	흙에 묻힌 부분, 염화물을 포함한 지하수에 노출	EC2, ES2	30
	외기 노출(습윤)	EC2, EF1	24
	외기 노출(습윤), 대기중 제설염 영향지역 또는 해양 대기중	EC2, ES1, EF2	30
	외기 노출(건습반복)	EC4(EC3), EF1	30(27)
	바닷물에 노출(비말대, 간만대) 또는 제설염이 녹은 물에 직접 노출	EC4(EC3), ES4, EF4, EA1	35
외부에 노출된 슬래브, 옥상	외기 노출(습윤)	EC2, EF3(EF1)	30(24)
	외기 노출(습윤), 대기중 제설염 영향지역 또는 해양 대기중	EC2, ES1, EF4(EF2)	30
	외기 노출(건습반복)	EC4(EC3), EF3(EF1)	30(27)
	외기 노출(건습반복), 대기중 제설염 영향지역 또는 해양 대기중	EC4(EC3), ES1, EF4(EF2)	30
교량 바닥판	—	ES4, EF4(EF2)	35
주차장 바닥	—	ES4, EF4(EF2)	35
수영장	—	ES2	30
건물 내부	습윤	EC2	24
	건조	EC1	21
	항상 습도가 매우 낮게 유지되는 경우(건조실 등)	E0	21

( )안은 방수처리한 경우
1) 도로(차도) 가장자리로부터 수평 10 m, 수직 5 m 이내
2) 일반적으로 해안선으로부터 250 m 이내 (특별히 해풍의 영향이 심한 곳은 최소 1 km 정도까지 영향 고려)

[과제] 철근의 피복두께

[도면] 철근의 피복두께

~230912 완주 운곡유치원, 철근콘크리트 구조일반사항, 전북교육청, 가온구조

현장치기 콘크리트, 다발철근, 특수환경에 노출되는 콘크리트 및 철근의 피복두께 기준과, 2021년 개정된 내구성 설계기준에 따른 콘크리트 강도 관련 Q&A를 검토한다.

[KCI 예제] 사용성 및 내구성

[KCI 예제] 제3장 사용성 및 내구성

참조: 한국콘크리트학회, 『콘크리트구조 학회기준 예제집』, 기문당, 2020.12.

1. 예제 3.1 처짐
2. 예제 3.2 균열제어를 위한 철근의 배근
3. 예제 3.3 단철근 직사각형 단면의 단순보에 대한 피로 검토
4. 예제 3.4 균열폭 검증
5. 예제 3.5 콘크리트구조물의 노출환경과 내구성 확보를 위한 요구조건
6. 예제 3.6 염해에 대한 내구성 평가
7. 예제 3.7 탄산화에 관한 내구성 평가

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 균열 과 경화 후 균열 로 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