철근 콘크리트의 의미, 철근의 필요성, 자이안단테 붕괴사고 원인

최근 아파트 건물의 철근 누락으로 인해 붕괴사고가 발생하고 있습니다. 지난 4월 29일에는 한국토지주택공사(LH)가 발주하고 GS건설이 시공한 인천 검단신도시 자이안단테 아파트 공사 현장에서 지하주차장이 붕괴했으며, 그 원인은 콘크리트 구조 내 보강 철근이 누락되었기 때문이었습니다.

 

본 게시물에서는 철근 콘크리트의 의미, 그리고 콘크리트 구조상 보강 철근이 필요한 이유에 대해 다뤄보고자 합니다.

 

 

 

철근 콘크리트의 의미

 

철근 콘크리트란 인장력이 약한 콘크리트를 보강하기 위해 철근을 배치한 콘크리트를 의미합니다. 현재 건설에 사용되는 대부분의 콘크리트는 철근 콘크리트이며, 철근은 인장력이 작용해도 뽑혀 나가지 않도록 끝을 구부리거나 고리로 만드는 것이 일반적입니다. 건설현장에서나 서류 등에서는 줄여서 R/C(Reinforced Concrete)나 철콘이라고 쓰이는 경우가 많습니다.

 

철근 콘크리트 설치 작업 현장

철근 콘크리트가 성립되는 이유는 다음과 같습니다:

- 철근과 콘크리트 사이의 강한 부착강도

- 철근은 인장에 강하고 콘크리트는 압축에 강함

- 콘크리트 속의 철근은 부식되지 않음

- 철근과 콘크리트의 열팽창 계수는 거의 같음

 

철근 배근량은 단면이 받는 휨강도의 계산에 따라 결정됩니다(휨강도가 훨씬 크기 때문에 이게 주된 단면의 설계). 그 다음, 단면의 전단과 비틀림력을 추후 한번 더 계산해줍니다. 전단과 비틀림은 콘크리트 크랙의 위치, 형태, 크기에 따라 철근을 더 보강할지 여부, 배근량, 그리고 위치를 결정하는 요소입니다.

 

콘크리트 구조에 철근이 필요한 이유

 

콘크리트 내 철근이 사용되는 전형적인 예는 철근을 삽입한 보(외력으로 휨을 받는 구조부재)가 될 수 있습니다.

1. 압축부, 2. 인장부, 1과 2 사이의 경계선: 중립축, 붉은색: 철근

위의 그림은 철근이 들어간 보의 단면도입니다. 1번은 보의 상단, 즉 외력이 가해짐에 따라 압축되는 영역이고, 2번은 보의 하단으로 외력의 힘에 의해 인장되는 부분입니다. 1번과 2번 사이의 경계선은 중립축이라고 하며, 인장되지도, 압축되지도 않는 부분입니다. 붉은색 선은 철근이 배치되는 영역입니다.

 

만약 철근을 넣지 않고 콘크리트 만으로 보를 만든다면, 외력에 의해 발생되는 인장력을 버티지 못할 것입니다. 콘크리트는 그 재질의 특성상 압축력에는 강하지만 인장력에는 약합니다. 반면에 철근은 인장력에 강하므로, 콘크리트 단면 상에서

특히 인장력이 적용되는 구조부의 하단에는 철근을 배치하여, 콘크리트 구조부로 하여금 인장력을 견딜 수 있게 도와줍니다. 이것이 철근 콘크리트 구조물의 기본 원리입니다. 철근을 콘크리트 부재 아랫면에 노출시켜 배치할 수도 있지만, 철근은 대기에 의해 부식되기 때문에 콘크리트 내부에 배치하는 것이 일반적입니다.

 

위의 그림처럼 보의 양쪽에 지지점이 있을 경우, 보는 아래쪽으로 휘어지게 됩니다. 따라서, 철근은 보의 아래쪽에만 배치되는데, 이런 보를 '단철근' 보라고 합니다. 실제 철근 콘크리트 보에는 주철근(보의 경우, 휨에 저항하는 철근) 외에

전단파괴가 발생하는 것을 방지하기 위한 전단보강근(스터럽 등)을 사용하기도 합니다.

 

이번 자이안단테 지하주차장 붕괴사고의 주요 원인은 기둥 안에 배치해야 할 전단보강근의 부재였습니다. 전단보강근에는 크게 보에 들어가는 스터럽(stirrup)과 기둥에 들어가는 띠철근(hoop)이 있습니다. 기둥에 사용되는 띠철근은 기둥의 좌굴(기둥이 옆으로 휘어지는 현상)을 방지하고, 수평력에 대한 전단보강의 역할을 하며, 보에 사용되는 스터럽은 전단력에 대한 사인장균열(보의 단부에서 경사진 방향으로 발생하는 균열)을 방지하는 역할을 합니다.

 

스터럽이 들어간 보, 그리고 띠철근이 들어간 기둥(출처: 대한전문건설신문)

 

 

 

 

자이안단테 붕괴사고 원인

자이안단테의 지하주차장은 무량판 구조로 설계되었습니다. 이는 하중을 지탱하는 보를 사용하지 않고, 건물 하중이 적용되는 기둥에 슬래브를 바로 연결하는 구조입니다. 보에도 인장력을 견디기 위한 철근이 배치되는데, 이러한 보를 제외한 무량판 구조에는 슬래브에 충분한 양의 전단 보강근이 설치되어야 합니다.

 

하지만 사고현장의 경우 설계, 감리, 시공 전과정에서 이를 외면하였습니다. 지하주차장에 있는 기둥 32개곳 모두 전단 보강근을 설치해야 하지만, 설계할 때 15곳에 설치를 누락했고, 이후 감리 과정에서도 이를 지적하지 않았으며, 시공과정에서도 하중을 측정하지 않았습니다. 건설사고조사위가 사고 구간 콘크리트 강도를 시험한 결과, 설계기준 강도보다 85% 낮게 측정된 것으로 밝혀졌습니다.

 

이는 설계단계부터 감리, 시공단계에 걸쳐 발생한 총체적 부실에 따른 인재라고 할 수 있습니다.