하중

온도하중 — 힘이 아니라 변형으로 들어오는 하중

고정하중은 무게이고 풍하중은 압력입니다. 힘의 모습을 하고 들어옵니다.

온도는 다릅니다. 힘이 아니라 변형으로 들어옵니다. 그리고 변형은 그 자체로는 아무 응력도 만들지 않습니다 — 막히기 전까지는.

응력이 생기는 조건

자유로운 부재 + 온도변화  →  늘어나거나 줄어들 뿐. 응력 0
구속된 부재 + 온도변화    →  막힌 변형이 전부 응력이 된다

부정정 구조의 “막힌 변형은 응력이 된다”가 온도하중의 전부입니다. 그래서 온도하중 검토의 첫 질문은 온도가 몇 도냐가 아니라 “이 구조가 얼마나 구속되어 있느냐” 입니다.

완전 구속을 계산해 보면 왜 이게 무서운지 보입니다.

콘크리트  α = 1.0×10⁻⁵/°C,  Ec = 25,000 MPa (개략)

완전 구속 상태에서 ΔT 만큼 식으면
  σ = Ec · α · ΔT = 25,000 × 10⁻⁵ × ΔT = 0.25 × ΔT  (MPa)
ΔT 구속응력 비고
10°C 2.5 MPa 파괴계수 fr ≈ 3.1 MPa에 근접
13°C 3.2 MPa 균열 개시선
20°C 5.0 MPa 균열 확정
40°C 10.0 MPa —

완전 구속이면 13°C 식는 것만으로 콘크리트가 갈라집니다. 한국의 계절 온도차가 수십 °C이니, 완전 구속된 콘크리트 부재는 균열이 예정되어 있는 셈입니다. 매스콘크리트의 외부구속 관통균열이 정확히 이 계산이었고, 교량이 받침으로 신축을 풀어주는 이유도 이 계산입니다.

실제 구조는 완전 구속과 완전 자유 사이 어딘가에 있고, 구속도(0~1)를 곱한 만큼 응력을 받습니다. 크리프가 장기 온도응력을 상당히 완화해 주는 것도 실무적으로 중요합니다 — 천천히 걸리는 구속은 콘크리트가 흘러서(크리프) 일부 풀어냅니다. 그래서 연간 온도변화보다 일교차·급랭이 더 위험합니다. 크리프가 도와줄 시간이 없기 때문입니다.

온도하중은 두 종류입니다

① 균일 온도변화 (전단면이 같이 오르내림)
   → 길이 변화 → 축방향 구속 문제
   → 신축이음·받침·라멘 기둥이 상대하는 것

② 온도구배 (단면 위아래 온도가 다름)
   → 단면이 휘려고 함 → 휨 구속 문제
   → 교량 바닥판·지붕 슬래브가 상대하는 것

②가 자주 잊힙니다. 여름 한낮의 교량 상판을 생각하면:

   햇빛 ↓↓↓↓
  ━━━━━━━━━━  상면: 뜨거움 (+ΔT)
  │  거더    │
  ━━━━━━━━━━  하면: 그늘 (기준)

  상면이 더 늘어나려 함 → 위로 볼록하게 휘려는 변형

단순보라면 그냥 휘고 맙니다(솟음이 조금 생길 뿐). 그런데 연속교라면 중간 지점이 들리려는 것을 지점이 붙잡습니다 — 구속 모멘트가 생기고, 지점부에 하중 없이 부가 단면력이 발생합니다. 부정정의 지점침하 문제와 부호만 다른 같은 문제입니다.

온도구배의 특징
  · 낮/밤이 반대 방향 (낮: 상면 가열, 밤: 상면 복사냉각)
  · 매일 반복 → 피로 관점에서도 무시 못 함
  · 두꺼운 단면일수록 구배가 커짐 (열이 하면까지 못 내려감)

교량 설계기준이 균일 온도와 온도구배를 별개 하중으로 규정하고 조합하는 이유입니다.

건물은 어떻게 버티나 — 신축이음 간격의 논리

건물 골조도 온도로 늘고 줍니다. 문제는 수평 부재(슬래브·보)가 늘어날 때 기둥과 벽이 그 변형을 따라가며 강제로 휘어진다는 것입니다.

        슬래브가 δ만큼 늘어나면
   ┌────────────────────────┐
   │                        │→ δ
   █          █          █
  중앙 기둥    │        단부 기둥: 강제 횡변위 δ를 받음
  (변형 0)    │        → 기둥에 전단·휨 발생

중앙에서 멀수록 변위가 커지므로 단부 기둥·벽이 가장 고생합니다. 건물이 길어질수록 δ가 커지고, 어느 길이를 넘으면 신축이음으로 건물을 끊어주는 것이 경제적이 됩니다.

δ = α × ΔT × (L/2)      (중앙 고정 가정, 단부 변위)

L = 100 m, ΔT = 20°C 라면
  δ = 10⁻⁵ × 20 × 50,000 = 10 mm

단부 기둥이 10mm 강제 횡변위 — 층고 4m 기둥이면 각변형 1/400으로, 지반 침하의 각변위 한계와 같은 자릿수입니다. 실무에서 무보강 RC 건물의 신축이음 간격이 대략 수십 m 단위로 운용되는 근거가 이 계산 구조이고, 정확한 값은 구조 형식·기후·보강 정도에 따라 기준과 해석으로 정합니다.

신축이음을 넣기 싫으면(방수·유지관리 부담) 대안은 정해져 있습니다.

· 온도응력을 해석에 넣고 배근으로 받는다
· 포어 스트립(지연 타설대): 수축 대부분을 먼저 보내고 나중에 잇는다
· 외단열 등으로 구조체의 ΔT 자체를 줄인다

세 번째가 의외로 강력합니다. 온도하중은 줄일 수 있는 하중입니다 — 구조체가 실내 온도 환경에 있으면 ΔT가 몇 도로 떨어집니다. 노출 주차장 램프와 단열 안쪽 골조의 온도 검토가 완전히 다른 이유입니다.

다른 글들과 연결되는 지점

이 사이트에서 온도는 이미 여러 번 등장했습니다. 정리하면 한 가족입니다.

[매스콘크리트]   수화열 = 내부에서 만든 온도하중 (강온기 외부구속)
[교량받침]      온도 신축 = 균일 온도의 변위 문제 (200m에 ±50mm)
[FCM 폐합부]    새벽 타설 = 온도구배·일변화 회피
[부정정]        지점침하·온도·수축 = 같은 문법 (강제변형)
[흙막이 스트럿]  강재 스트럿 축력의 일변화 = 구속된 온도하중의 계측 사례

강구조는 α가 콘크리트와 거의 같아(1.2×10⁻⁵) 같은 논리가 적용되지만, 열이 빨리 도는 만큼 설계 온도 범위가 더 넓게 잡히는 점이 다릅니다.

실무에서 자주 틀리는 지점

온도를 “2차 응력”으로 일괄 무시하는 경우

정정 구조면 맞고 부정정이면 틀립니다. 부정정에서 지적한 그대로 — 구조계를 보고 판단할 문제입니다. 라멘교·일체식 교대·긴 벽체는 온도가 주요 하중입니다.

균일 온도만 넣고 온도구배를 빼는 경우

연속교 바닥판 지점부의 부가 모멘트는 구배에서 나옵니다. 균일 온도는 받침이 다 풀어줘서 문제가 없는데 구배는 남는 구조가 흔합니다.

시공 시기(중립 온도)를 기록하지 않는 경우

온도하중의 기준점은 구조가 일체화된 시점의 온도입니다. 한여름에 폐합한 교량과 한겨울에 폐합한 교량은 같은 겨울에 정반대 크기의 신축을 겪습니다. 신축이음 유간의 설치 온도 보정과 같은 논리로, 폐합·타설 온도는 기록 대상입니다.

옥상·노출 슬래브를 실내 부재처럼 다루는 경우

같은 건물에서도 노출 부재의 ΔT는 실내 부재의 몇 배입니다. 옥상 파라펫·노출 램프의 균열이 유독 많은 이유이고, 이 부위는 온도철근과 신축 상세를 별도로 챙겨야 합니다.

벽처럼 긴 부재의 수평철근을 최소로 깎는 경우

온도·수축 균열은 부재의 긴 방향과 직각으로 납니다. 긴 벽의 수평철근이 그 균열을 분산시키는 철근이고, 매스콘크리트의 균열폭 제어 철근과 같은 역할입니다. 최소 규정은 하한이지 목표가 아닙니다.

자주 묻는 질문

설계 온도범위는 어떻게 정하나요?

기준의 지역별 최고·최저 온도와 구조 형식(강교/콘크리트교, 노출/비노출)별 규정을 따릅니다. 구조체 온도는 대기 온도와 다르며 — 콘크리트는 열용량이 커서 완만하게, 강재는 민감하게 따라갑니다 — 기준 수치에 이미 반영되어 있습니다.

온도철근과 온도하중 해석은 어떤 관계인가요?

작은 부재의 통상적 온도·수축은 최소 온도철근(수축·온도철근)으로 배근적 대응을 하고, 구속이 크거나 부재가 길면 온도를 하중으로 해석에 넣어 소요 철근을 계산합니다. 앞의 것은 처방이고 뒤의 것은 계산입니다 — 부재가 커질수록 처방에서 계산으로 넘어갑니다.

화재는 온도하중인가요?

다른 범주입니다. 화재는 재료 강도 자체가 떨어지는 사고 상황(내화 설계)이고, 온도하중은 사용 상태의 기후 변동입니다. 다만 “구속된 열변형이 힘을 만든다”는 역학은 같아서, 화재 시 보의 열팽창이 기둥을 미는 문제는 온도하중과 같은 문법으로 다룹니다.

포어 스트립은 며칠 열어두나요?

건조수축의 상당 부분이 지나가도록 통상 수주 이상 열어뒀다가 무수축에 가까운 배합으로 메웁니다. 기간·폭·배근 연속 방법은 프로젝트 사양으로 정합니다. 수축은 크리프·건조수축에서 다룬 대로 초기에 빠르게 진행되므로, 초기 몇 주를 보내는 것의 효과가 큽니다.

신축이음 없는 초장대 구조물은 어떻게 하나요?

온도응력을 정면으로 해석해 받는 설계를 합니다. 구속도를 낮추는 상세(슬라이딩, 유연한 하부), ΔT를 줄이는 조치, 그리고 충분한 균열 제어 철근의 조합입니다. “이음 없음”은 공짜가 아니라 해석과 철근으로 사는 것입니다.

정리

  • 온도는 힘이 아니라 변형으로 들어옵니다. 응력은 구속이 만듭니다. 첫 질문은 “몇 도냐”가 아니라 “얼마나 구속됐냐” 입니다.
  • 완전 구속 콘크리트는 13°C 식으면 균열입니다. σ = 0.25ΔT (MPa).
  • 크리프가 느린 온도변화를 완화해 줍니다. 그래서 연교차보다 일교차·급랭이 위험합니다.
  • 온도하중은 둘입니다 — 균일 온도(길이 문제)와 온도구배(휨 문제). 연속교에서는 구배가 지점부 부가 모멘트를 만듭니다.
  • 건물의 단부 기둥은 슬래브 신축을 강제 횡변위로 받습니다. 신축이음 간격의 논리가 여기서 나옵니다.
  • 온도하중은 줄일 수 있는 하중입니다. 단열·차양·지연 타설대가 구조 대책입니다.
  • 폐합·일체화 시점의 온도가 기준점입니다. 기록하세요.

강제변형의 일반론은 부정정 구조, 교량의 신축 처리와 유간은 교량받침과 신축이음, 수화열이 만드는 온도 문제는 매스콘크리트 수화열, 하중조합에서의 취급은 하중조합 정리에 정리해 두었습니다.