21세기 지속가능한 콘크리트 구조물 건설을 위한 건설교통부 제정 콘크리트 표준시방서 「내구성편」
콘크리트 구조물에 대한 구조설계는 전통적으로 지나치게 안전 측으로 수행돼 왔던 반면에 내구성 설계는 상대적으로 간과되어 왔다.
20~30년 전 대량으로 건설된 콘크리트 구조물의 열화에 따른 내구성 문제는 철근의 부식문제와 같이 구조물의 안전성에 치명적인 영향을 끼칠 뿐만 아니라 사회적인 문제로도 파급되고 있다.
국내에서의 콘크리트 구조물의 내구성 문제의 심각성은 각 언론의 집중적인 조명을 받아 ▷무너지는 콘크리트신화 ▷‘콘크리트 대재앙 다가온다 ▷지구촌 콘크리트 부식과의 전쟁 등의 특집 기획기사등으로 최근에 집중적으로 다루어져 왔으며, 아주 최근에는 ‘한국은 콘크리트 공화국 등의 헤드라인 기사로 보듯이 그 심각성이 사회적인 환경문제로 까지 확대되고 있는 실정이다.
특히 오늘날의 콘크리트 구조물에서의 심각한 내구성 문제는 기존 시공된 구조물의 내구성 문제 뿐만 아니라 최신의 시공 기술로 건설된 지 수년도 지나지 않은 콘크리트 구조물에서 조기 성능저하와 이에 따른 콘크리트 구조물의 열화가 발생한다는 점이다.
이에 따라 시공될 구조물에 대해 구조물 설계, 배합설계에 따른 콘크리트 제조, 시공 등 모든 면에서 내구성에 대한 고려가 얼마나 중요한지를 단적으로 보여주고 있다.
21세기의 콘크리트 산업은 환경적으로 지속가능한 구조물을 건설하기 위해 강도에 앞서 내구성을 고려해야 함이 명백해지고 있다.
현재의 건설에서 건설에 따른 구조물 설계, 배합설계에 따른 콘크리트 제조, 시공 등을 보다 깊이 연구하여 콘크리트의 내구성을 저해하는 주요 요인들을 발견하고 제어하지 않는 이상 콘크리트의 초기균열 등을 포함한 조기성능저하 및 이에 따른 심각한 구조물의 열화 또는 내구성능 저하는 우려할 정도로 높은 비율로 발생할 수 있다.
이에 내구적이고 환경적으로 지속가능한 콘크리트 구조물을 건설하기 위한 많은 연구가 콘크리트 분야의 학계 및 업계의 여러 연구자들에 의해 활발하게 수행되고 있다.
이에 대한 정부 차원에서의 적극적인 노력의 일환으로서 현재 콘크리트 표준시방서 「내구성편」이 건설교통부의 주관하에 한국콘크리트학회의 주도로 제정 작업 중에 있다. 이에 빠르면 올 하반기부터 그 제정이 완료되어 본격적인 시행이 될 것으로 예상되고 있다.
즉 새롭게 제정될 콘크리트 표준시방서 「내구성편」에서 요구하는 내구성 평가란 콘크리트 구조물의 목표내구수명의 설정과 공용기간 내에서의 구조물의 종합적인 내구성능 확보를 위해 구조물이 받게되는 주된 열화조건을 고려하여 재료로서의 콘크리트에 대한 내구성능평가 뿐 아니라 설계 및 계획된 시공방법이 반영된 콘크리트 구조물에 대한 내구성능평가를 포함하고 있으며 시공될 구조물에 시공초기에 균열이 발생하는 하에 대한 평가까지도 포함한다.
콘크리트 구조물은 준공 시에 어느 정도 이상의 내구성능을 갖고 있지만, 이는 주변의 환경하중의 영향 때문에 시간이 지남에 따라 저하한다.
이 때문에 콘크리트 구조물은 일정한 내구수명을 갖게 되고 이러한 내구수명이 설계내구수명보다 작게 되면 구조물에 있어서 공용기간내에 소위 내구적 파괴가 발생한다고 평가할 수 있다.
그러므로 공용기간내에 구조물의 내구적 파괴를 방지하기 위해서 콘크리트 구조물의 내구성 설계시에 구조물의 경제적 사회적 중요도에 따라 그에 적합한 목표내구수명을 설정하는 것이 공용기간동안 구조물의 내구성 확보에 있어서 중요한 첫걸음이 된다.
일반적으로 철근 콘크리트 구조물의 목표내구수명은 구조물의 사용에 지장이 있는 내구적 한계상태에 도달하기까지의 기간으로 물리적 내구한계, 사회적 내구한계로 구분할 수 있다.
물리적 한계는 다수의 부재가 보수·보강을 필요로 하는 수준까지 열화 되고 구조물 외부에서 철근 부식에 의한 균열이나 피복 콘크리트가 박락한 상태이다. 사회적 내구수명은 경제성과 구조물의 중요성에 따라 결정된다.
제정될 콘크리트 표준시방서의 「내구성편」은 일반적으로 콘크리트 구조물의 목표내구수명을 구조물이 일상적인 유지관리를 제외한 특별한 유지관리 없이 내구적 한계상태에 도달하기까지의 기간으로 정하여, 구조물의 내구등급에 따라 콘크리트 구조물의 내구수명을 목표를 설정할 수 있다.
특히 콘크리트 구조물의 목표내구수명을 설정하는데 있어서 일반적으로 고도의 내구성이 요구되는 구조물의 조건에는 다음과 같은 것들이 있다.
▷사회적 조건으로부터 고도의 내구성이 요구되는 것
?국가적 프로젝트와 관련된 구조물
?열화·붕괴에 의해 인명에 중대한 위험이 발생할 우려가 있는 구조물
▷경제적 조건으로부터 고도의 내구성이 요구되는 것
?열화·손상된 경우, 보수·보강으로 인한 경제적인 손실이 큰 구조물
?설계내용기간을 연장하는 것이 경제적으로 유리하다고 생각되는 구조물
콘크리트 표준시방서 「내구성편」은 콘크리트 구조물의 공사착공단계에서 내구성을 평가하기 위한 것으로서 내구성 평가 원칙, 설계에 따라 시공될 콘크리트 구조물에 대한 내구성 평가 방법, 시공계획에 따라 시공될 콘크리트 구조물에 시공 직후에 발생될 수 있는 균열의 평가 방법, 시공에 사용되기 위해 배합 설계된 콘크리트의 재료자체에 대한 내구성 평가 방법에 대한 일반적이고 기본적인 표준을 규정한다.
시공계획에 따라 시공될 콘크리트 구조물의 균열의 평가방법에 따른 균열저항성 평가 결과에 따라 균열제어시공이 되도록 시공방법 및 배합을 결정하며, 결정된 배합 및 시공방법에 따라 콘크리트를 제조하여 구조물을 시공한다.
▷설계 및 시공조건을 고려한 콘크리트 구조물의 내구성 평가
시공될 콘크리트 구조물에 대한 내구성 평가는 내구성능예측치에 환경계수를 적용한 소요내구성치를 내구성능특성치에 내구성감소계수를 적용한 설계내구성치와 비교함으로서 다음과 같이 수행된다.
Υp Αp ≤Φk Αk
Υp: 콘크리트 구조물에 관한 환경계수
Φk: 콘크리트 구조물에 관한 내구성감소계수
Αp: 콘크리트 구조물의 내구성능예측치
Αk: 콘크리트 구조물의 내구성능특성치
콘크리트 구조물의 내구성 평가는 염해의 경우 염화물이온농도, 탄산화의 경우 탄산화 깊이, 동해의 경우 상대동탄성계수 등과 같이 각 열화요인에 대해 내구성능특성치와 내구성능예측치를 비교한다.
또한 콘크리트 구조물의 시공 이후의 내구성을 확보하기 위해서는 시공초기 구조물에 발생하는 균열을 제어해야 하므로, 배합설계에서 결정된 콘크리트, 시공방법 등을 고려하여 콘크리트 구조물의 시공 중 균열평가를 수행하며, 이에 따라 배합 및 시공방법을 확정한다.
▷시공에 사용될 재료로서의 콘크리트의 내구성 평가
내구성능예측치에 환경계수를 적용한 소요내구성치를 내구성능특성치에 내구성감소계수를 적용한 설계내구성치와 비교함으로서 다음과 같이 콘크리트 내구성 평가는 수행된다.
Υp Βp ≤Φk Βk
Υp: 콘크리트 구조물에 관한 환경계수
Φk: 콘크리트 구조물에 관한 내구성감소계수
Βp: 콘크리트 구조물의 내구성능예측치
Βk: 콘크리트 구조물의 내구성능특성치
콘크리트의 내구성 평가는 염해의 경우 염화물이온 확산계수, 탄산화의 경우 탄산화속도계수, 동해의 경우 상대동탄성계수 등과 같이 각 열화요인에 대해 내구성능특성치와 내구성능예측치를 비교하며 콘크리트의 내구성 평가 결과에 따라 사용재료 및 배합을 선정한다.
현행 우리나라 콘크리트구조물 설계기준이나 콘크리트 표준시방서의 설계개념인 강도설계법 개념에 일관되도록 내구성 평가 개념도 환경계수와 내구성감소계수 등 안전계수가 도입된 강도설계법의 개념을 따른다. 각 열화요인에 대해 내구적 안전율(α)은 콘크리트 및 콘크리트 구조물에 대해 동일한 값으로 도입되며 그 크기는 내구성감소계수와 환경계수의 비로 <표-3>과 같이 정의한다.
α=ф/γ
제정될 콘크리트 표준시방서 「내구성편」에서 열화별 환경계수와 내구성감소계수에 대해 설정된 환경계수, 내구성감소계수, 안전률 등이 도입된다.
콘크리트구조물 건설산업이 이제까지 사회기반시설과 주거의 수요를 안전하고 신속하게 해결해왔지만 최근 사회적으로 문제가 되고 있는 콘크리트구조물의 내구성문제의 심각성은 이제부터 콘크리트 구조물이 보다 내구적이며, 따라서 환경적으로 보다 지속가능한 구조물로 건설되어야 한다는 시대를 맞이했다.
본고에서는 21세기 지속가능한 콘크리트 구조물 건설을 위한 가장 적극적인 해결책의 하나로서 제정되어 곧 시행될 콘크리트 표준시방서 내구성편의 핵심적인 내용을 살펴보았다.
신설 콘크리트 구조물에는 초기 균열에 따른 내구성능저하를 최소화하기 위해 양질의 재료를 사용하는 것도 필요하지만 가능한 함수량을 줄이려는 노력이 필요하다.
콘크리트 구조물 시공측면에서의 함수량을 무조건 줄이는 것은 그 한계가 있으나 최근 우수한 혼화재료가 많이 개발되었고, 특히 우수한 화학 혼화제를 용도에 맞게 적용시킬 경우 고내구성을 갖는 지속가능한 콘크리트 구조물을 건설할 수 있다.
제정될 콘크리트 표준시방서 내구성편의 적극적인 적용과 우수한 혼화제의 올바른 사용은 건설재료로서 신뢰받는 콘크리트 명성의 재건과 건설된 콘크리트 구조물을 우리 후손에게 물려주고 사랑받게 할 수 있다.
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