콘크리트 내구성 설계기준(조건, 등급, 강도)

콘크리트 내구성 설계기준이 변경되었죠. 과거 KCI 콘크리트구조 설계기준 대비 콘크리트 강도가 올라갔습니다. 이로 인해 콘크리트 재료비가 올라갈 수 밖에 없는데요. 인허가, 구조심의를 받는 대상의 구조물은 반드시 지켜야할 기준입니다. 내구성은 좀 안지켜도 유지관리를 잘하면 된다는 식의 사고를 갖고 계신분들도 있습니다. 하지만, 구조물은 안정성, 내구성, 경제성, 미적 사항을 모두 고려하는 것이 기본입니다. 내구성 기준 변경으로 콘크리트 강도는 올라갔는데, 변경 전과 비교해보고 해외(미국 ACI) 최신 기준도 비교해보겠습니다.

콘크리트 내구성 설계기준 강도 – KDS 14 20 40

국내 최신 설계기준 KDS 14 20 40 내구성 설계기준에 따르면, 구조물 노출 범주를 먼저 확인해야 합니다. 노출 범주는 아래와 같이 크게 구분합니다.

내구성 범주, 등급

일반환경
– 아래 노출 환경에 모두 해당되지 않는 경우
탄산화 노출 환경
– 공기 중 이산화탄소 등 콘크리트 탄산화, 중성화가 발생할 수 있는 환경
염화물 노출 환경
– 해양 환경, 제설명 노출 환경으로 염화물에 노출되는 경우
동결융해 노출 환경
– 동결융해가 반복되는 환경에 노출되는 경우
황산염 노출 환경
– 황산염이 있는 토양 또는 물 속에 누촐되는 경우

위의 환경 등급 및 범주를 먼저 구분하고 각 환경에 맞는 조건을 확인하면 됩니다. 조건으로 확인이 어려울 때는 예시까지 참고하시면 선정하는데 도움이 되죠. 만약 두 가지 이상 조건에 해당된다면, 더 큰 콘크리트 강도를 기준으로 선정하시면 됩니다. 황산염에 대한 기준은 미국 기준을 참고하면 더 구분하기 쉬우니 아래 표를 참고하시기 바랍니다.

내구성 설계기준 강도

범주	등급	조건			예시	f_ck _(MPa)
일반	E0	물리적, 화학적 작용에 의한 콘크리트 손상의 우려가 없는 경우 철근이나 내부 금속의 부식 위험이 없는 경우			– 공기 중 습도가 매우 낮은 건물 내부의 콘크리트	21
일반	EC1	건조하거나 수분으로부터 보호되는 또는 일구적으로 습윤한 경우			– 공기 중 습도가 낮은 건물 내부의 콘크리트 – 물에 계속 잠기지 않는 콘크리트	21
EC (탄산화)	EC2	습윤하고 드물게 건조되는 콘크리트로 탄산화의 위험이 보통인 경우			– 장기간 물과 접촉하는 콘크리트 표면 – EC1에 속하는 기존 외부에 노출되는 기준	24
	EC3	보통 정도의 습도에 노출되는 콘크리트로 탄산화 위험이 비교적 높은 경우			– 공기 중 습도가 보통 이상으로 높은 건물 내부의 콘크리트 – 습기가 많은 콘크리트 표면	27
	EC4	건습이 반복되는 콘크리트로 매우 높은 탄산화 위험에 노출되는 경우			– EC2 등급에 해당하지 않고 공기 중 습도가 높은 건물 내부의 콘크리트 – 비에 맞는 콘크리트 표면	30
EA (황산염)	EA1	보통 수준의 황산이온에 노출된 콘크리트	0.10 ≤ SO₄^2- < 0.20	150 ≤ SO₄^2- < 1500	– 토양, 지하수에 노출되는 콘크리트 – 해수에 노출되는 콘크리트	27
	EA2	유해한 수준의 황산이온에 노출되는 콘크리트	0.20 ≤ SO₄^2- < 2.0	1500 ≤ SO₄^2- < 10,000	– 토양과 지하수에 노출되는 콘크리트	30
	EA3	매우 유해한 수준의 황산이온에 노출되는 콘크리트	SO₄^2- > 2.0	SO₄^2- > 10,000	– 토양과 지하수에 노출되는 콘크리트 – 하수, 오폐수에 노출되는 콘크리트	35

콘크리트 내구성 기준 강도 – KCI

KDS 콘크리트 구조 설계기준이 통합되기 전, KCI 콘크리트 구조를 사용할 때 내구성 설계기준을 가져왔습니다. 예전 기준은 동결융해, 황산염, 투수성, 철근 방식으로 범주를 구분했었습니다. 그리고 인허가 및 심의가 없는 구조물은 해당 내구성을 따르지 않는 경우도 있었다고 생각됩니다. 현재 기준이 변경되고 콘크리트 강도가 상향되어 엔지니어들이 혼란도 있다고 봅니다. 예전 기준과 비교하여 현재 기준을 알맞게 적용하는 것이 중요하니 참고하시기 바랍니다.

만약 현재 기준과 예전 기준을 비교할때 내용에 이해가 되지 않는 부분이 있으면 아래 미국 ACI 318을 비교해보면 더 명료하게 이해가 되리라 생각합니다.

KCI 2012 내구성 기준

범주	등급	조건		f_ck _(MPa)
F _{(동결융해)}	무시 F0	동결융해의 반복작용에 노출되지 않는 콘크리트		21
	보통 F1	간헐적으로 수분과 접촉하고 동결융해의 반복작용에 노출되는 콘크리트		30
	심함 F2	지속적으로 수분과 접촉하고 동결융해의 반복작용에 노출되는 콘크리트		30
	매우 심함 F3	제빙화학제에 노출되며 지속적으로 수분과 접촉하고 동결융해의 반복작용에 노출되는 콘크리트		30
		토양 내 수용성 황산염 (SO₄)의 질량비(%)	물속에 용해된 황산염(ppm)
S _(황산염)	무시 S0	SO₄ < 0.10	SO₄ < 150	21
	보통 S1	0.10 ≤ SO₄ < 0.20	150 ≤ SO₄ < 1500	27
	심함 S2	0.20 ≤ SO₄ < 2.00	1500 ≤ SO₄ < 10,000	30
	매우 심함 S3	SO₄ > 2.00	SO₄ > 10,000	30
P _{(낮은 투수성 요구)}	무시 P0	낮은 투수성이 요구되지 않고 수분과 접촉되는 경우		21
P _{(낮은 투수성 요구)}	적용 P1	낮은 투수성이 요구되고 수분과 접촉되는 경우		27
C _{(철근 방식)}	무시 C0	건조하거나 또는 수분으로부터 보호되는 콘크리트		21
	보통 C1	수분에 노출되지만 외부의 염물질에 노출되지 않는 콘크리트		21
	심함 C2	제빙화제, 소금, 해수 또는 해수 분무와 같은 염화물에 직접적으로 노출되는 콘크리트		35

콘크리트 내구성 기준 강도 – 미국 ACI 318

미국 설계기준 ACI 318 chapter 19(design and durability requirements)에 내용을 정리했습니다. ACI 318 챕터 19에는 내구성 설계 요구조건이 나와있습니다. ACI 318(2019) 최신 버전으로 업데이트 했는데요, ACI 318은 기본 단위가 psi로 되어 있습니다. MPa로 다시 정리했습니다.

ACI-318 & KDS-14 차이점 4가지

최소 콘크리트 설계기준강도
콘크리트 설계기준 강도 최소값이 다릅니다. 17MPa로 국내 기준보다 하향되어 있습니다. 국내 최소 기준인 21MPa 과는 차이가 있습니다. 하지만, 같은 환경 조건에서의 콘크리트 최소설계기준 강도는 ACI 가 더 높습니다. 표로 확인해보시기 바랍니다.
황산염 노출 최소기준
황산염에 노출되더라도 최소 수치 이하라면 17MPa를 적용할 수 있습니다. 국내의 황산염 최소 수치와 다르며 최소 강도도 다르다는 것을 알 수 있습니다.
노출 범주 구분
국내는 탄산화, 해양환경, 동결융해, 황산염으로 크게 4가지 구분하는 반면에, 미국은 동결 융해, 황산염, 수분 접촉, 철근 부식으로 구분되어 있습니다. 범주가 다르게 보일지 모르겠지만, 내용을 들여다보면 거의 똑같다는 것을 알 수 있습니다. 탄산화도 결국 콘크리트 탄산화에서 철근 부식으로 이어지는 문제를 확인하는 목적을 갖고 있으니 말이죠.
30MPa 사용
미국 기준에는 30MPa 적용이 없습니다. 콘크리트 최소 17MPa 에서 최대 35MPa로 범위를 갖고 있으며, 최대 값은 35MPa로 국내와 동일합니다. 하지만 국내에서 많이 사용하는 30MPa은 없고 31MPa이 있다는 점은 다른 사항입니다.

국내 KDS 와 다른 부분은 황산염에 대한 기준인데요, 황산염에 노출되지만 특정 값 이하가 되는 경우 더 낮은 콘크리트 최소 설계기준강도를 제시하고 있다는 점이 특징입니다.

범주	등급	조건		해석		f_ck _(MPa)
Freezing and thawing (F)	F0	Concrete not exposed to freezing-and-thawing cycles		동결융해의 반복작용에 노출되지 않는 경우		17
	F1	Concrete exposed to freezing-and-thawing cycles with limited exposure to water		간혹 수분과 접하고 동결융해에 반복작용에 노출되는 경우		24
	F2	Concrete exposed to freezing-and-thawing cycles with frequent exposure to water		자주 수분과 접하고 동결융해에 반복작용에 노출되는 경우		31
	F3	Concrete exposed to freezing-and-thawing cycles with frequent exposure to water and exposure to deicing chemicals		자주 수분과 접하고 제빙화학제에 노출되며, 동결융해에 반복작용에 노출되는 경우		35
		Water-soluble sulfate (SO₄^2-) in soil (percent by mass)	Dissolved sulfate (SO₄^2-) in water ppm	토양 내의 수용성 황산염의 질량비 (%)	물속에 용해된 황산염 (ppm)
Sulfate (S)	S0	SO₄^2- < 0.10	SO₄^2- < 150	SO₄^2- < 0.10	SO₄^2- < 150	17
	S1	0.10 ≤ SO₄^2- < 0.20	150 ≤ SO₄^2- < 1500	0.10 ≤ SO₄^2- < 0.20	150 ≤ SO₄^2- < 1500	28
	S2	0.20 ≤ SO₄^2- < 2.00	1500 ≤ SO₄^2- < 10,000	0.20 ≤ SO₄^2- < 2.00	1500 ≤ SO₄^2- < 10,000	31
	S3	SO₄^2- > 2.00	SO₄^2- > 10,000	SO₄^2- > 2.00	SO₄^2- > 10,000	35

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