건축 자재 콘크리트 및 목재의 강도에 대해서 자세하게 알아보자

건축 자재 콘크리트 및 목재의 강도에 대해서 자세하게 알아보자

오래 전부터 건축 자재로 쓰이는 콘크리트 및 목재의 강도에 대해서

어디까지 자세히 알고 계신가요?

평소 주변에 있음에도 불구하고, 토목 건축을 전공하고 있는 분이나 

그 직종에서 일하시는 분 아닌 한, 그 강도를 모르는 분이 많으실 겁니다.

전공자 또한 금속 이외의 강도 계산은

거의 의식한 적이 없지 않을까 합니다.

그러나 목조나 콘크리트 골조 건물에 기기를 설치할 때에는 

목재와 콘크리트의 강도는 의식하지 않으면 안 될 일이 의외로 많습니다.

현장에서 기기를 설치하는 일을 하고 있는 사람에게는 피할 수 없는 일이지요.

그런 콘크리트 및 목재에 대한 강도 자료를

이 포스팅에서 다루어보고자 합니다.

 

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콘크리트란 무엇인가?

우선 콘크리트란 무엇인가에 대해서 설명합니다.

 

콘크리트는 시멘트에 물을 함께 저으며 돌과 모래를 섞어 만든 것입니다.

잘 알고 있는 사람이 있지만, 콘크리트와 시멘트는 다른 물건입니다.

 

 

공사 현장에서 섞어서 사용 경우에는 사진 같은

콘크리트 믹서를 사용하고 섞어 만듭니다.

 

대량으로 사용하는 경우는, 레미콘 차량을 이용하고 이미 조제된 콘크리트를 사용하게 됩니다.

콘크리트에는 여러 종류가 있다?

콘크리트의 종류는 혼합 시멘트 종류로 다릅니다.

그 시멘트의 종류에 대해서 소개합니다.

 

시멘트 종류 명칭	성질	용도
보통 포틀랜드 시멘트	재 녹색, 연소한 석회에 아무것도 섞이지 않은 것	일반적인 콘크리트 공사에서 사용된다.가장 교통량이 많은 시멘트.
조강 포틀랜드 시멘트	단기 강도가 높아 한랭지에서의 강도 저하가 진정될 것	도로 공사, 단기 공사로 사용된다.
고로 시멘트	강도는 천천히 나타나고 화학 저항이나 내마모성이 높다	하수나 해수에 접하는 부분에 사용된다.
실리카 시멘트	건조 수축이 크다	시장에는 거의 나돌지 않았다.

 

콘크리트의 제조법

콘크리트의 제조 법은 다음의 반응을 수반하며 경화합니다.

 

➀ 석회석을 굽고 석회로 한 시멘트 CaO에

물을 더하면 소석회 Ca(OH)2로 변한다.

 

➁ 또 공기 중의 이산화 탄소와 반응하고

탄산 칼슘 CaCO3로 변화하며 경화된다.

 

③ 경화하기 전에 모래와 돌을 섞어 강도나 내구성을 향상시키고

콘크리트를 타설 용이성을 조정한다.

 

모래와 자갈을 혼합 비율은 아래 표의 조합에서 실시하는 것이 일반적입니다.

 

잘 쓰는 것은

시멘트:모래:자갈의 비율이 1:2:4로 배합이 일반적

이라고 생각할 수 있으며, 용도에 맞추어 비율을 조정하고 사용되고 있습니다.

 

또 콘크리트에 포함되는 물 분량도 일본 건축 학회 JASS5에 따르면

콘크리트 1m3에 포함되는 물 분량을 185kg/m3이하로 규정되어 있습니다.

 

재료비를 싸게 하기 위해서 수분을 많이 하면

콘크리트를 타설 한 후 건조 수축에 의한 균열이 발생하는 원인이 되기 때문에

콘크리트의 품질을 크게 떨어뜨리게 됩니다.

 

 

콘크리트의 배합 비율에 관련한 표

시멘트:모래:자갈	특징과 용도
1 : 1 : 2	압축 강도·수밀성(물이 새 없는 시공이 가능)이 크다.
1 : 1 : 3	전자보다 조금 더 압축 강도를 떨어뜨린 것.
1 : 2 : 4	표준적인 배합. 철근 콘크리트의 경우에 일반적으로 사용된다.
1 : 2 : 5	기계 기초 및 교각 외 바닥부에 사용된다.
1 : 3 : 6	큰 하중이 걸리지 않는 곳에 사용된다.
1 : 4 : 8	자중만을 받는 곳에 사용된다.

콘크리트는 완전히 굳어져 강도가 나오기까지 시간이 걸리지만

일반적으로 표면 경화에 24시간을 본래의 콘크리트 강도가 나오려면 28일이라고 합니다.

 

그래서 이 28일을 기준으로 콘크리트 설계 기준 강도를 얻을 수 있다고 알려져 있습니다.

 

아래 표에 시멘트 경화 시간에 따른 압축 강도가 변화하는 것을 확인 가능합니다.

 

시멘트 경화 시간과 압축 강도에 대한 표

시멘트 종류	압축 강도 N/mm2
	하루	3일	7일	28일(Fc값)
보통 포오틀랜드 시멘트	–	12.5이상	22.5이상	42.5이상
조강 포오틀랜드 시멘트	10이상	20이상	32.5이상	47.5이상
고로 시멘트	–	10이상	17.5이상	42.5이상
실리카 시멘트	–	10이상	17.5이상	37.5이상

콘크리트의 허용 응력은 이 28일을 기준으로 한

콘크리트 설계 기준 강도 Fc의 값을 이하의 2가지식에 맞추어

값이 작은 편을 허용 압축 응력으로 하고 있습니다.

 

[식 1]허용 압축 응력=설계 기준 강도 Fc/30

[식 2]허용 압축 응력=0.49+(설계 기준 강도 Fc/100)

 

※콘크리트에는 인장 응력에는 대응 할 수 없다고 생각하기 때문에

인장 응력은 기재하고 있지 않습니다.

대신, 부착 강도로 불리는 응력이 있습니다.

 

 

콘크리트의 허용 응력도 표

구별	장기 하중		단기 하중
	압축 강도 N/mm2	층밀림 세기 전단 강도 N/mm2
보통 콘크리트	6~9	압축 1/10	장기의 2배
경량 콘크리이트	6~9	압축 1/10	장기의 2배

 

콘크리트의 역사에 대해서 가볍게 알아보자

콘크리트의 역사는 꽤나 오래되었습니다.

 

9000년 전 신석기 시대에 이스라엘 가라리아 지방의 후후 유적이 그 근간입니다.

 

기타 2000년 전의 고대 로마와 이집트의 피라미드의

돌의 접합부에 사용되고 있어, 세계적으로는 꽤 오래 전부터 사용되고 있었습니다.

 

한편 일본에서는 건축물은 목조가 주체이므로

콘크리트의 등장은 꽤 현대에 가깝습니다.

 

1903년 메이지 시대에 건설된 비와 호의 물길을 교토에 흘리며

수로의 다리가 최초의 콘크리트 구조의 다리라고 합니다.

 

그때는 건설 현장에서 시멘트와 물, 모래와 돌을 섞어 만든

콘크리트를 건설 자재로 사용하고 있었습니다.

 

그 후 1950년대에 레미콘으로 불리는 콘크리트가

직접 공장에서 출하되게 된 덕분에 일본에서도

건축물에 콘크리트 구조가 자리 잡을 수 있게 된 것입니다.

 

이어서 목재의 종류에 따른 강도에 대해 알아보겠습니다.

천연 목재는 당연하지만 성질이 균일하지 않고 깨지고 결격품 등이 있으므로

일률적으로 통일된 기계 강도가 없다고 생각되기 쉽상입니다만,

그러한 결함이 없는 부분의 목재의 강도도 건축 기준 법에서 결정되고 있습니다.

 

그 값은 목재의 종류마다 다릅니다.

 

목재의 외모나 사용 용도에 의해서 그 목재 강도가 나뉘어집니다.

 

삼나무, 편백, 가문비 나무의 3가지를 예로 그 강도를 이하에 나타냅니다.

 

 

목재 강도에 관한 표

수목 종류	기건 비중	목시 등급 구분		압축 강도 Fc N/mm2	인장 강도 Ft N/mm2	층밀림 세기 전단 강도 Fs N/mm2	휨강도 Fb N/mm2
삼나무	0.39	갑종 구조재	1급	21.6	16.2	1.8	27
			2급	20.4	15.6		25.8
			3급	18	13.8		22.2
		을종 구조재	1급	21.6	13.2		21.6
			2급	20.4	12.6		20.4
			3급	18.	10.8		18
편백나무	0.46	갑종 구조재	1급	30.6	22.8	2.1	38.4
			2급	27	20.4		34.3
			3급	23.4	17.4		28.8
		을종 구조재	1급	30.6	18.6		30.6
			2급	27	16.2		27
			3급	23.4	13.8		23.4
가문비 나무	0.41	갑종 구조재	1급	27	20.4	1.8	34.2
			2급	22.8	17.4		28.2
			3급	13.8	10.8		17.4
		을종 구조재	1급	27	16.2		27
			2급	22.8	15.6		22.8
			3급	13.8	5.4		9

 

목재의 허용 응력도의 계산 방법

목재의 허용 응력도의 계산은 목재 강도(상표의 값)를 이용하여

이하의 계산으로 산출하게 됩니다.

 

목재는 수분의 습윤 상태가 되면 강도가 저하하므로

사용 환경에 따라서는 허용 응력도의 70%정도로 하는 경우도 있습니다.

 

[식]허용 압축 응력=1.1×압축 강도 Fc÷ 3

허용 인장 응력=1.1×인장 강도 Ft÷ 3

허용 흼 응력=1.1×휨강도 Fb÷ 3

허용 전단 응력=1.1×층밀림 세기 전단 강도 Fs÷ 3

 

정리

기계 설계에서 사용하는 금속 재료 강도와

콘크리트 및 목재 강도에 관한 생각의 차이에 대해서 이해하셨나요?

 

콘크리트는 강도 나오기까지 기간이 필요하다는 그 조합에 의해서

강도와 성질이 다른 한편, 목재는 그 사용 조건과 목재의 품질(외관)에서

그 강도가 변하기 때문에 이를 상정한 설계를 실시하는 것이 필요합니다.

 

 

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