콘크리트의 크리프(creep)

이번 시간에는 콘크리트의 크리프에 대해 알아보도록 하겠습니다. 콘크리트는 시간이 지남에 따라 지속적으로 하중을 받을 경우 변형이 증가하는 성질을 가지는데, 이를 크리프(Creep)라고 합니다. 크리프는 구조물의 처짐 증가, 균열 발생, 프리스트레스트 콘크리트의 긴장력 손실 등의 원인이 될 수 있으므로 구조 설계에서 중요한 고려 요소 중 하나입니다. 본 글에서는 콘크리트 크리프의 정의, 발생 원인, 영향을 주는 요인, 크리프계수, 크리프 변형 특성에 대해 구체적으로 살펴보도록 하겠습니다.

1. 콘크리트 크리프(Creep)의 정의

크리프는 응력이 일정하게 작용하여 크기의 변화가 없더라도 변형률이 시간 경과에 따라 증가하는 현상으로, 재료가 일정한 하중을 지속적으로 받을 때 시간이 지남에 따라 추가적인 변형이 발생하는 현상을 의미합니다. 즉, 초기 변형 이후에도 시간이 경과함에 따라 추가적인 변형이 계속 누적되는 것입니다.

콘크리트에서 크리프는 주로 압축 하중을 받을 때 발생하며, 이는 콘크리트의 장기 거동(Long-term behavior)에 중요한 영향을 미칩니다.

 

2. 콘크리트에서 크리프가 발생하는 원인

콘크리트 크리프는 다음과 같은 주요 원인에 의해 발생합니다.

(1) 수화반응 진행 및 내부 수분 이동

• 콘크리트의 강도 발현은 수화반응에 의한 것이며, 수화 과정이 계속 진행되면서 내부 미세구조가 변화하여 크리프 변형이 증가.
• 내부 수분 이동에 의해 미세 구조 내 응력이 재분포되면서 크리프가 발생.

(2) 미세균열 및 점탄성 거동

• 콘크리트는 균열이 발생하기 전에도 점탄성적 성질을 가지므로, 지속적인 하중에 의해 점진적으로 변형이 증가.
• 미세균열이 서서히 증가하면서 크리프 변형이 가속.

(3) 내부 응력 재분포

• 콘크리트 내부의 수산화칼슘(Ca(OH)₂)과 실리카겔(SiO₂)의 미세 구조 변화로 인해 내부 응력이 재분포되면서 크리프가 발생.

 

3. 콘크리트 크리프에 영향을 주는 요인

콘크리트의 크리프 변형은 다양한 요인에 의해 영향을 받으며, 이는 크리프 변형의 정도를 결정하는 중요한 요소가 됩니다.

 

(1) 재료적 요인

1)콘크리트 강도

• 일반적으로 강도가 높을수록 크리프가 감소.
• 강도가 낮은 콘크리트는 내부 미세구조가 더 불안정하여 크리프 변형이 크게 나타남.

2)수화도(수화 반응의 진행 정도)

• 수화도가 낮은 초기 콘크리트일수록 크리프 변형이 크며, 시간이 지나면서 크리프 증가율이 감소.

3)재료 혼합비

• **물-시멘트비(W/C)**가 높을수록 크리프가 증가.
• 잔골재율이 높을수록 크리프가 감소.

 

(2) 환경적 요인

1)온도 및 습도

• 상대 습도가 낮을수록 내부 수분 이동이 활발하여 크리프가 증가.
• 고온 환경에서는 크리프가 더욱 빠르게 진행.

2)양생 조건

• 양생이 충분히 이루어진 콘크리트는 크리프가 상대적으로 적게 발생.

 

(3) 하중 및 구조적 요인

1)하중 크기 및 지속 시간

• 하중이 클수록 크리프 변형이 증가.
• 지속적인 하중이 가해지는 시간이 길수록 크리프 변형도 증가.

 

4. 크리프계수(Creep Coefficient)

크리프계수(ϕ, Creep Coefficient)는 콘크리트 크리프 변형의 정도를 정량적으로 표현하는 값으로, 탄성 변형 대비 크리프 변형의 비율을 나타냅니다. 압축응력이 높지 않은 상태에서는 크리프 변형률이 탄성변형률에 일정한 비율로 발생하여 동일한 값의 크리프계수 값을 갖게 되는데 이를 선형크리프라고 하고 일반적으로 1.5~3.5의 범위입니다. 

 

$$\phi (t)= \frac{\varepsilon _{c}}{\varepsilon _{e}} $$

여기서,

$\varepsilon _{c}$: 크리프 변형

$\varepsilon _{e}$: 탄성 변형

 

즉, 크리프계수가 클수록 시간이 지남에 따라 추가적으로 발생하는 변형이 크다는 의미이며, 국내의 콘크리트 구조 설계기준(KDS 14 20 00)에서는 크리프계수를 구조 설계 시 고려하도록 규정하고 있으며, 이는 하중 지속 시간과 환경 조건에 따라 다르게 적용됩니다.

 

5. 콘크리트 크리프 변형 특성

(1) 초기 크리프 변형이 가장 크다

• 크리프 변형은 하중이 가해진 직후 급격하게 증가한 후 점진적으로 감소하는 경향을 보임.
• 일반적으로 하중 작용 초기 1년 동안 전체 크리프 변형의 80%가 발생하고, 5년 동안 전체 크리프 변형의 90%가 발생.

(2) 장기 크리프 변형은 점진적으로 증가

• 초기 변형이 발생한 이후에도 장기간 동안 서서히 변형이 누적됨.

 

6. 설계시 고려사항(크리프가 콘크리트 구조물에 미치는 영향)

콘크리트 크리프는 강도를 직접 저하시킨다고 보기 어렵지만, 장기적인 처짐 증가, 균열 발생, 그리고 프리스트레스트 콘크리트(PSC)의 긴장력 손실 등의 문제를 초래할 수 있습니다. 따라서 구조 설계 시 크리프 영향을 적절히 반영해야 하며, "콘크리트 구조 설계기준(KDS 14 20 00)"에서는 크리프를 고려한 설계 방안을 제시하고 있습니다.

 

(1) 장기 처짐 증가

• 크리프는 시간이 지남에 따라 추가적인 변형을 초래하며, 이는 슬래브, 보(Beam), 캔틸레버 구조물의 처짐 증가로 이어질 수 있고, 특히 교량과 같은 장지간 구조물에서는 크리프에 의해 처짐이 예상보다 커질 수 있으며, 이를 보상하기 위한 설계 조치가 필요.

 

(2) 프리스트레스트 손실

• 프리스트레스트 콘크리트(PSC) 구조물에서는 크리프가 긴장재(강연선 등)에 작용하는 프리스트레스 응력 손실을 유발.
• 크리프에 의한 프리스트레스 손실은 즉시 손실(Instantaneous Loss)이 아닌 장기 손실(Time-dependent Loss)로 분류되며, 설계 시 이를 반드시 고려해야 함.

 

(3) 부재 내력 변화

• 크리프 자체는 콘크리트의 압축강도를 저하시키지 않지만, 부재 내 응력 재분포를 초래하여 장기적으로 부재의 거동에 영향을 미치며, 고층 건물 및 대형 토목 구조물에서는 크리프에 의해 기둥의 응력이 재분배되어 예상과 다른 거동이 나타날 수 있음.

 

7. 설계기준(KDS 14 20 00)에서의 크리프 고려 방법

(1) 크리프계수를 이용한 장기 처짐 고려

• 설계기준에서는 크리프 변형을 고려하여 장기 처짐을 산정하도록 규정하고 있음.
• 크리프에 의해 발생하는 추가 변형을 평가하기 위해 크리프계수(ϕ)를 사용하며, 이를 통해 장기 처짐을 예측.

(2) 프리스트레스트 손실 산정

• 프리스트레스트 콘크리트 구조물(KDS 14 20 60)**에서는 크리프를 포함한 장기 손실을 반영하여 프리스트레스 응력을 보정하도록 요구.

(3) 크리프를 고려한 기둥의 축력 설계

• 고층 빌딩, 장기 하중을 받는 토목 구조물에서는 크리프에 의해 기둥의 응력이 시간이 지나면서 변할 수 있다. KDS 14 20 00에서는 크리프를 반영한 기둥의 설계 축력을 고려하도록 하며, 특히 기둥-보 접합부에서 응력 재분포를 고려한 설계를 요구.

 

8. 크리프 영향을 최소화하는 설계 방법

(1) 크리프가 작은 콘크리트 사용

• 고강도 콘크리트(HSC)를 사용하면 크리프 변형을 줄일 수 있음.
• 물-시멘트비(W/C)를 낮추고 적절한 혼화재(실리카 흄, 플라이애시 등)를 활용하면 크리프 영향을 감소시킬 수 있음.

(2) 프리스트레스 손실 보정 설계

• 프리스트레스 손실을 최소화하기 위해 초기 긴장력(Prestress)을 보정하여 설계.
• 손실을 줄일 수 있는 저크리프 콘크리트 또는 고강도 강연선을 사용하는 것도 효과적 임.

(3) 크리프를 고려한 장기 처짐 보상

• 크리프에 의한 처짐 증가를 방지하기 위해 초기 캠버(Camber)를 도입하여 구조물의 처짐을 미리 보정.

(4) 보강재 사용 및 구조적 보강

• 크리프가 큰 구조물에서는 철근 비율을 조정하여 크리프 변형을 억제할 수 있음.
• 철근량이 증가하면 크리프 변형이 상대적으로 감소.

 

9. 결 론

콘크리트 크리프는 구조물의 거동에 영향을 미치는 중요한 요인으로, 특히 장기적으로 지속적인 하중을 받는 구조물에서는 반드시 고려해야 합니다. 크리프 변형은 콘크리트의 재료적 특성, 환경적 요인, 하중 조건 등에 따라 달라지며, 이를 정량적으로 평가하기 위해 크리프계수를 활용합니다. 콘크리트 구조 설계기준(KDS 14 20 00)에서는 크리프를 고려한 설계를 요구하고 있으며, 이를 적절히 반영하여 구조물의 안전성과 내구성을 확보하는 것이 중요합니다. 이상으로 이번 시간에는 콘크리트의 크리프에 대해 알아보았습니다.

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