1. 건축물은 어떻게 서 있는가?
우리가 살고 있는 건축물은 자연에서부터 오는 여러 가지 물이 현상에 의한 힘을 받고 있으며, 그 힘을 잘 지지할 수 있도록 건축물의 뼈대인 구조체가 형성되어야 한다. 여러 가지 물리현상이 자연 현상에 의해 건축물에 작용하는 힘을 하중 또는 외력이라고 한다. 이러한 하중이 작용할 때 건축물이 무너지지 않도록 구조체가 저항을 하는데, 이때에는 물리학의 원리에 따라 구조체를 형성하는 부재에 하중에 대응하는 힘이 생긴다. 이 힘을 부재력 또는 응력이라고 한다. 이 부재력은 부재를 구성하는 재료의 강도에 따라 그 크기가 결정되며, 철근 콘크리트 건물에서는 결국 철근과 콘크리트의 강도에 따라 외부의 하중에 저항하는 부재력이 생기고 건축물을 지지하게 되나. 이렇게 해서 건축물을 튼튼히 서 있게 된다.
2. 건축물에 작용하는 하중
건축물이 자연환경 가운데 자리 잡고 있고 사람이 그 안에서 생활하고 있는 한 매 순간 건축물은 여러 가지 외부에서 가해지는 하중에 노출되어 있다. 이 하중들은 건축물 구성 자재의 중량과 같이 항상 일정한 크기로 작용하는 하중이 있는가 하면, 바람과 같이 수시로 변하는 하중도 있고, 드물기는 하지만 지진과 같이 예측하기 어려운 크기로 작용하는 경우도 있다. 이와 같이 하중은 종류와 크기가 다양하여 건축물을 설계할 때에 자세하게 고려되어야 한다. 하중은 그 작용 원인에 따라 여러 가지로 나누어지고 있으며, 대표적으로 고정하중, 적재 하중, 적설 하중, 풍하중, 지진 하중 등을 들 수 있다.
고정하중이란 건물의 자중 및 마감재의 중량으로 항상 일정한 크기를 유지하므로 고정 하중이라 하며, 사하중 이라고 한다.
적재하중이란 건물의 내부에 배치되는 가구나 피아노, 화분 등의 하중과 그 안에서 생활하는 사람들과 거주하는 사람들의 하중을 통칭하여 적재 하중이라 하며, 고정하중에 비해 하중이 수시로 바뀌고 움직이며 작용하므로 활하중 이라고도 한다.
적설 하중이란 지붕에 쌓인 눈으로 인한 하중으로 적재 하중의 일종이다.
풍하중이란 건물의 외벽이나 지붕에 미치는 바람의 압력에 의한 하중으로 고층 건물에서는 풍하중을 잘 고려하여 설계해야 한다.
지진하중이란 지진의 발생으로 인해 지반이 흔들려서 건물에 가해지는 하중으로 그 크기나 발생 시기를 예측하기가 매우 어려운 하중이다.
기타 고려해야 할 하중들은 건물 지하 부분의 지반으로부터의 토압이나 지하수 등에 의한 수압하중, 충격 하중과 진동하중을 고려해야 하는 엘리베이터, 기계, 차량 등의 움직임에 의한 하중, 열팽창 또는 수축에 의해 발생하는 온도 하중, 시공 도중 구조체에 임시로 작용하는 시공 하중 등이 있다.
3. 철근 콘크리트 구조물에 대한 하중과 응력
철근 콘크리트 부재에 하중이 작용하면 부재의 단면에는 압축 응력과 인장 응력이 발생한다. 여기서, 인장 응력이 발생하는 부분에는 인장 강도가 큰 철근으로 콘크리트를 보강하여 압축응력은 콘크리트가 부담하고, 인장 응력은 철근이 부담하도록 한 것으로 서로의 단점을 부완하여 구조체를 형성하도록 하는 것이 철근 콘크리트 구조의 원리이다.
철근 콘크리트 구조를 구성하는 주요 재료인 철근과 콘크리트는 서로의 단점을 적절히 보완하여 효율적으로 외부에서 작용하는 하중에 저항하는 이상적인 구조를 형성한다. 철근은 인장력에 매우 강하지만 압축력에 약해 구부러지기 쉽고 부식하기 쉬운 결점을 가지고 있는 반면, 콘크리트는 압축력에 강하고 철근을 감싸서 부식을 방지해 주며 내구성이 큰 장점을 가지고 있다.
그러나 콘크리트는 인장 강도가 압축 강도의 약 1/10에 불과하여 인장과 압축을 동시에 받는 구조 부재에 사용하기에는 부적합하므로 이 약점을 강한 철근이 보완해 주고 콘크리트의 알칼리 성질이 철근의 부식을 방지해 주는 역할을 하여 구조 재료로서의 단점을 상호 보완하여 효율적인 구조체를 형성해 준다.