콘크리트의 인장강도 및 인장시험 방법

 

이번 시간에는  콘크리트의 인장강도란 무엇이며, 인장강도를 측정하기 위한 시험방법에는 어떤 방법이 있는지에 대해 알아보도록 하겠습니다.

1. 콘크리트 인장강도의 정의

콘크리트의 인장강도는 콘크리트가 인장력(잡아당기는 힘)에 저항할 수 있는 능력을 의미합니다. 인장응력을 받는 콘크리트는 인장작용에 의하여 늘어나다가 균열이 발생하면서 파괴되는데, 이때의 응력을 인장강도(tensile strength)라고 합니다. 일반적으로 콘크리트는 압축강도에 비해 인장강도가 매우 낮기 때문에, 인장력을 직접 받는 구조에서는 철근과 같은 보강재가 필수적입니다.

 

2. 콘크리트 인장시험 방법

콘크리트의 인장강도를 측정하는 방법은 크게 세 가지로 나눌 수 있습니다.

• 직접 인장시험: 콘크리트에 직접 인장력을 가해 파괴될 때의 하중을 측정합니다. 그러나 시험체의 고정 및 부착 문제로 인해 실험이 까다롭습니다.
• 쪼갬인장시험(splitting tensile test): 압축강도 시험용인 150×300mm 크기의 원주형 공시체를 뉘어 놓고 수직방향으로 하중을 가하여 공시체를 쪼개는 시험방법입니다.
• 휨인장시험(modulus of rupture test): 보 형태의 시험체에 3등분점 하중을 가해 휨 파괴 시의 인장강도를 간접적으로 측정하는 시험방법 입니다.

<쪼갬인장시험(KS F 2423)의 방법과 강도 산정>

1) 쪼갬인장시험의 방법

쪼갬인장시험

 

쪼갬인장시험은 원주형 시험체(일반적으로 지름 150mm, 높이 300mm)를 옆으로 뉘어 놓고 수직방향으로 하중을 가하는 방식입니다. 하중이 가해짐에 따라 시험체 중앙부에서 수직 인장응력이 발생해 파괴됩니다.

쪼갬인장강도($f_{sp}$)는 다음 공식으로 계산합니다

 

$$ f_{sp} = \frac{2P}{\pi D L} $$

 

P : 최대 파괴하중 (N)

L : 시험체 길이 (mm)

D : 시험체 지름 (mm)

 

2) 쪼갬인장강도와 압축강도의 관계

콘크리트의 쪼갬인장강도를 콘크리트 압축강도의 1/2제곱으로 표현하면 다음과 같다.

$$ 0.35\sqrt{f_{ck}} \sim   0.65\sqrt{f_{ck}} $$

 

<휨인장시험(KS F 2408)의 방법과 휨인장강도>

1) 휨인장시험의 방법

휨인장시험은 150×150×530mm의 무근 콘크리트 보 공시체를 사용하여 3등분점 재하시험을 수행하는 방법으로, 지간은 450mm로 하고 지점과 하중 사이를 150mm로 하여 하중을 가한다. 단면의 폭이 b이고 높이가 h인 보공시체의 하단에 균열이 발생하면서 파괴되는 휨모멘트를 $M_{cr}$ 이라고 하면 이때의 응력은 다음과 같이 계산할 수 있고 이것을 휨인장강도(휨균열강도, 파괴계수)가 됩니다.

 

$$ f_{r} = \frac{6M_{cr}}{bh^{2}} $$

 

2) 휨인장강도와 압축강도의 관계

휨인장강도는 압축강도의 약 10~15% 수준이며, 쪼갬인장강도보다 더 큰 값을 가집니다.

$$ 0.4\sqrt{f_{ck}} \sim  1.0\sqrt{f_{ck}} $$

 

3. 콘크리트의 인장시험을 수행하지 않은 경우 평균인장강도($f_{ctm}$)산정

$$ f_{ctm}= 0.3\left ( f_{cm} \right )^{2/3} $$ 

 

$f_{ctm}$ : 콘크리트의 평균인장강도

$f_{cm}$ : 콘크리트의 평균압축강도

 

4. 휨인장강도(파괴계수)

KDS 14 20 콘크리트구조 설계기준에서는 콘크리트의 휨인장강도(파괴계수)를 인장강도의 기준으로 채택하여 설계기준압축강도의 1/2제곱에 비례하는 다음식으로 구하고 있습니다.

 

$$ f_{r} = 0.63 \lambda \sqrt{f_{ck}} $$

 

 

5. 결 론

콘크리트의 인장강도는 구조물의 균열 저항과 내구성 확보에 중요한 역할을 합니다. 직접 인장시험은 어렵지만, 쪼갬인장시험과 휨인장시험을 통해 실용적으로 인장강도를 평가할 수 있습니다. 국내 설계기준(KDS 24 14 21, KDS 14 20)에서는 실험결과나 압축강도로부터 인장강도를 추정하는 방법을 제시해, 설계자가 구조 성능을 보다 합리적으로 예측할 수 있도록 돕습니다. 오늘 이시간에는 콘크리트 인장강도의 정의 및 인장강도 시험방법에 대해 알아보았습니다. 

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