콘크리트에 왜 철근을 넣을까: 철근콘크리트의 원리
콘크리트는 돌처럼 단단해 보입니다. 그런데 건물을 지을 때는 굳이 그 안에 철근을 촘촘히 엮어 넣습니다. 단단한 재료에 왜 또 다른 재료를 넣을까요? 콘크리트는 누르는 힘에는 강하지만 잡아당기는 힘에는 아주 약하기 때문입니다. 철근은 그 약한 쪽을 대신 맡습니다. 이 원리를 알면 철근이 왜 그 자리에 들어가는지, 왜 콘크리트 겉에 금이 가고 녹물이 비치면 살펴봐야 하는지도 보입니다.
- 콘크리트가 버티는 인장력은 압축력의 10~15% 정도입니다. 잡아당기는 힘은 철근이 맡습니다.
- 철근은 늘어나는 쪽에 넣습니다. 그래서 받친 보는 아래쪽, 발코니처럼 한쪽만 붙은 구조는 위쪽이 중요합니다.
- 콘크리트도 철근을 지켜 줍니다. 알칼리성 환경과 겉을 덮은 두께가 녹을 막습니다.
콘크리트의 약점은 잡아당기는 힘입니다
재료를 위아래로 누르는 힘을 압축력, 양쪽에서 잡아당기는 힘을 인장력이라고 합니다. 미국 멤피스대 토목공학 강의 자료는 콘크리트의 인장 강도가 압축 강도의 약 10~15%에 그친다고 설명합니다. 같은 자료는 이런 약점 때문에 콘크리트를 보강 없이 쓰는 일이 거의 없다고 덧붙입니다.
숫자로 비교해 보겠습니다. 압축 강도가 24MPa인 콘크리트라면 인장 강도는 약 2.4~3.6MPa입니다(계산값). 반면 우리나라 표준(KS D 3504)은 SD400 철근의 항복강도 하한을 400MPa로 정합니다. 항복강도는 힘을 빼도 원래 길이로 돌아오지 못하는 영구 변형이 시작되는 경계입니다. 재는 기준이 조금 다르지만, 잡아당기는 힘에 대해서는 철근이 콘크리트보다 100배 넘게 강한 셈입니다(계산값). 다만 이것은 재료끼리의 비교이고, 구조물 전체의 안전을 비교한 값은 아닙니다.
철근은 늘어나는 쪽에 들어갑니다
양 끝을 받친 보에 무게가 실리면 가운데가 아래로 휩니다. 이때 위쪽은 눌리고 아래쪽은 늘어납니다. 콘크리트는 늘어나는 아래쪽부터 금이 갑니다. 그래서 주된 철근을 아래쪽에 넣어 이 힘을 받게 합니다. 눌리는 위쪽은 콘크리트가 맡습니다. 두 재료가 각자 잘하는 일을 나누는 것입니다.
한쪽만 벽에 붙은 발코니나 차양은 반대입니다. 끝이 아래로 처지므로 위쪽이 늘어나고 아래쪽이 눌립니다. 그래서 주된 철근이 위쪽에 들어갑니다. 철근의 자리는 습관이 아니라 어느 쪽이 늘어나는가로 정해집니다.
왜 하필 철일까
잡아당기는 힘에 강한 재료는 철 말고도 있습니다. 철근이 오래 쓰이는 데는 콘크리트와 잘 맞는 이유가 있습니다.
첫째, 온도가 변할 때 늘어나는 정도가 비슷합니다. 두 재료가 서로 다르게 늘어나면 경계에서 힘이 생겨 금이 가기 쉽습니다. 엔지니어링 툴박스의 값으로 길이 10m인 부재의 온도가 30℃ 변할 때를 계산하면 강철은 약 3.2~3.8mm, 콘크리트는 약 2.9~4.2mm 늘어납니다(계산값). 콘크리트는 배합에 따라 값이 달라지지만 강철과 큰 차이가 없습니다.
둘째, 콘크리트와 단단히 맞물립니다. 철근이 콘크리트 안에서 미끄러지면 힘을 넘겨받을 수 없습니다. 철근 표면에 울퉁불퉁한 마디가 있는 것은 이 때문입니다. 마디가 콘크리트를 붙잡아 부착을 높입니다. 미국 국립공원관리청(NPS) 자료에 따르면, 미국의 어니스트 랜섬은 철근을 꼬아 부착을 높이는 방법으로 1884년에 특허를 받았습니다.
콘크리트도 철근을 지켜 줍니다
철은 물과 공기를 만나면 녹이 습니다. 그런데 콘크리트 안의 철근은 오랫동안 멀쩡합니다. 콘크리트 내부가 강한 알칼리성이어서 철근 표면에 얇은 보호막이 생기기 때문입니다. NPS 자료는 pH 10이 넘는 알칼리 환경이 깨지고 습기가 닿으면 철근 부식이 일어난다고 설명합니다.
이 보호를 무너뜨리는 대표적인 원인은 두 가지입니다. 하나는 탄산화입니다. 공기 속 이산화탄소가 콘크리트 성분과 반응해 알칼리성을 낮춥니다. 이 변화가 겉에서 안으로 들어와 철근에 닿으면 보호가 사라집니다. 다른 하나는 염분입니다. 바닷물이나 제대로 씻지 않은 바다 골재에서 온 염화물은 보호막을 깨고 부식을 빠르게 합니다.
녹이 무서운 이유는 철이 얇아지는 데서 그치지 않기 때문입니다. 녹은 원래의 철보다 부피가 훨씬 큽니다. 갇혀 있는 철근 둘레에서 녹이 커지면 안에서 콘크리트를 밀어내는 압력이 생기고, 콘크리트는 철근에서 바깥쪽으로 갈라집니다. 금이 가면 물과 공기가 더 쉽게 들어와 부식이 더 빨라지고, 결국 겉이 떨어져 나가기도 합니다.
철근을 덮는 두께가 정해져 있는 이유
콘크리트 표면에서 가장 가까운 철근 표면까지의 두께를 피복 두께라고 합니다. 탄산화와 염분이 철근까지 오려면 이 두께를 지나야 하므로, 피복은 철근의 수명을 좌우합니다. 철근이 표면에 너무 가까우면 부식이 일찍 시작될 수 있습니다. 반대로 지나치게 두꺼우면 금의 폭이 커질 수 있습니다. 피복은 녹을 막는 일 말고도 불에 대한 보호와 철근의 부착에도 관계됩니다.
우리나라는 콘크리트구조 철근상세 설계기준(KDS 14 20 50)에서 최소 피복 두께를 정합니다. 환경이 거칠수록 두께가 커지는 것을 볼 수 있습니다.
| 현장에서 치는 일반 콘크리트의 조건 | 최소 피복 두께 |
|---|---|
| 물속에서 칠 때 | 100mm |
| 흙에 영구히 묻힐 때 | 75mm |
| 흙이나 바깥 공기에 닿을 때 | 40~50mm (철근 굵기에 따라) |
| 실내의 보와 기둥 | 40mm |
| 실내의 슬래브와 벽체 | 20mm (D35 이하 철근) |
국가건설기준센터에 공개된 KDS 14 20 50(2022) 원문의 4.3.1(프리스트레스하지 않는 현장치기콘크리트)을 줄인 표입니다. 원문은 설계기준압축강도가 40MPa 이상이면 보와 기둥의 값을 10mm 줄일 수 있다고 하고, 다른 조항도 함께 지키도록 합니다. 기준은 개정될 수 있으니 실제 공사는 최신 원문과 설계 도서를 따릅니다.
현장에서는 그 두께를 어떻게 지킬까
철근은 무겁고, 콘크리트를 부을 때 밀리기도 합니다. 그래서 철근을 거푸집 안에 그냥 두지 않고 받쳐서 자리를 잡아 줍니다. 철근의 높이를 잡는 부품을 고임재, 거푸집과의 간격을 잡아 피복을 확보하는 부품을 간격재라고 합니다.
우리나라 철근공사 표준시방서(KCS 14 20 11, 2024) 원문은 고임재와 간격재의 수량과 배치 표준을 정해 둡니다. 슬래브에서는 위아래 철근마다 가로세로 1m 간격이 표준입니다(5~6층 이내 건물 기준). 재료로는 강재와 콘크리트 제품을 들고, 노출콘크리트 면의 거푸집에 닿는 것은 모르타르, 콘크리트, 스테인리스, 플라스틱처럼 녹슬지 않는 제품을 쓰게 합니다. 작은 받침 하나가 철근의 수명을 좌우하는 두께를 지키는 셈입니다.
건축 현장에서 건물을 직접 지을 때 저도 고임재와 간격재를 사용해서 콘크리트를 타설했습니다. 간격재는 스페이서라고도 부릅니다. - 빌더(ThinkBuilder)
콘크리트 품질도 중요합니다. NPS 자료는 다짐이 나빠 생긴 빈틈이 철근을 덮는 콘크리트를 줄이고 물을 가둘 수 있다고 설명합니다. 콘크리트 수화 글에서 다룬 것처럼 물을 더 타면 빈틈이 많아지니, 같은 원리가 철근 보호에도 적용됩니다.
원리에서 나오는 실천
- 녹물 자국을 지나치지 않기: NPS 자료는 콘크리트 표면의 녹 얼룩이 겉이 떨어져 나가는 일의 전조인 경우가 많다고 설명합니다.
- 철근을 따라 난 금 살피기: 곧게 이어진 금에 녹물이 함께 보이거나 겉이 들떠 있으면 철근 부식을 의심할 수 있습니다. 점검을 받아 보시기 바랍니다.
- 드러난 철근 그냥 덮지 않기: 겉만 메우면 부식의 원인이 그대로 남을 수 있습니다.
- 함부로 뚫거나 자르지 않기: 발코니, 보, 기둥의 철근은 힘을 받는 부재입니다. 구조체 공사는 시공 전에 전문가와 상의합니다.
- 물길 막기: 부식에는 수분이 필요합니다. NPS 자료도 물이 스며드는 것을 줄이는 일을 보호 방법으로 듭니다. 발코니나 옥상의 방수와 배수를 살피는 이유입니다.
정리
철근콘크리트는 두 재료가 약점을 서로 메우는 구조입니다. 콘크리트는 누르는 힘을 받고 철근을 녹에서 지켜 주며, 철근은 잡아당기는 힘을 받습니다. 그래서 철근은 늘어나는 쪽에 들어가고, 정해진 두께로 덮여야 합니다. 콘크리트 겉의 금과 녹물이 단순한 얼룩이 아닐 수 있는 것도 이 때문입니다. 구체적인 안전 판단은 전문가의 점검으로 확인하시기 바랍니다.
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