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콘크리트 건물의 균열
1. 개요
현대사회의 모든 구조물에서 콘크리트가 쓰이지 않은 곳이 거의 없으며 또한 콘크리트가 없는 현대사회는 상상할 수 없을 정도로 콘크리트 재료는 20세기의 문명사회를 이룩하는 데 커다란 역할을 하였다. 콘크리트는 제조의 용이성, 경제성, 내구성 등 많은 장점을 가지고 있으나 한편으로 많은 단점을 지니고 있는 것도 사실이다.
그 대표적인 단점으로 모든 콘크리트 구조물은 항상 균열을 갖고 있다는 것이며, 이러한 균열을 완전히 방지한다는 것은 불가능한 일이다.
콘크리트구조물에서 발생하는 균열은 건축물의 구조적인 안전성 또는 내구성 등의 품질에 큰 영향을 미치고 있다. 시공 중이거나 완공된 건축물에 발생되는 균열은 누수, 부식, 탈락 등과 같이 건축물의 품질을 저하시키고 있으며, 심한 경우는 구조물의 붕괴사고에까지 이를 수 있다.
이에 여기에서는 콘크리트 구조물에서 발생하는 균열의 일반적인 원인을 조사하고, 균열의 유형, 원인, 방지 대책 및 보수·보강에 대하여 언급하고자 한다.
2. 균열의 매커니즘
콘크리트균열의 성장과 파괴거동
콘크리트는 그 특성상 균열을 발생시키는 수많은 요인들을 안고 있어서 생겨날 때부터 균열을 함유하고 있는 셈이며, 또한 콘크리트는 인장강도를 무시하고 설계하기 때문에 균열의 발생은 피할 수 없다. 따라서 아무리 설계 · 시공이 견실하게 이루어지고 감리하여 콘크리트의 균질성이 유지된다 하더라도 어느 한 곳이라도 부실하면 균열이 생기지 않는다고 확신할 수 없고 또 방지하기도 어렵다.
콘크리트에 균열을 발생시키는 요인은 상당히 복잡하고 다양한데, 콘크리트와 같은 다상의 취성복합재료는 이들의 서로 다른 특성으로 인하여 제조단계부터 많은 공극 또는 미세균열을 갖게 되고, 초기에는 존재하지 않더라도 사용중에 어떤 원인에 의한 미세균열이 발생하여 환경 또는 외력이 작용하면 균열은 점차로 또는 급속히 성장한다. 여기서 만일 작용하중이 지속적으로 작용하고 반복되는 동적 하중일 때는 단기 정적하중의 경우보다 균열의 폭과 길이가 증가하며, 하중이 계속 증가하여 응력이 극한상태에 이르고 균열길이와 폭이 증가하여 파괴기구가 형성되면 콘크리트는 더 이상 연속체가 될 수 없으며, 결국 파괴에 이르게 된다. 즉 균열의 진전에 의해 파괴가 일어난다는 것이다.
균열의 성장과정을 이해하기 위해 하중의 증가에 따른 균열의 성장과정을 보면 그림 1-1에서 잘 보여주고 있다.
그리고 균열이 갖는 물체의 기본적인 변형에 대해서는 그림 1-2에 나타낸 바와 같이 기본적으로 다음의 세 가지 형태로 분류할 수 있다.
변형(모드 Ⅰ)
균열면에 대하여 수직인 인장응력을 받아 생기는 개구모두(Opening Mode) 변형인데, 그 변위는 균열면에 대하여 수직방향으로 일어난다.
변형(모드 Ⅱ)
면내 전단(in-place shear) 또한 활동모드(Sliding Mode)의 변형으로, 균열면의 변위는 균열면 내에서 일어나며, 응력이 작용하는 면에 대해서는 직각방향이 된다.
변형(모드 Ⅲ)
면외 전단(out-of-place shear)에 의한 전단변형이다. 이와 같이 균열은 일반적으로 세 가지 변형이 겹쳐서 진행되지만, 세가지 모드 중 실제적으로 가장 중요한 변형은 개구모드 변형이다.
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