서언
이전 강좌에서는 탄성계수와 관련하여 탄성의 개념, 응력-변형 곡선 및 콘크리트 탄성계수의 개요에 대하여 소개하였다. 이번 강좌에서는 전 강좌의 연속으로 구조해석 등에 이용되는 정 탄성계수에 대하여 시험방법, 탄성계수의 일반적인 경향 및 해석 식 등 정탄성특성에 대하여 소개한다.

정 탄성계수의 시험법
탄성계수란 (1)식과 같이 하중(P)을 단면적(A)으로 나눈 응력(σ =P/A)에 대하여 변화된 길이(Δℓ)를 처음길이(ℓ)로 나눈 변형률(ε =Δℓ/ℓ)의 비로 구하는데, 이는 직선의 기울기에 해당한다.

 Ec = σ/ε = (P/A)/(Δℓ/ℓ) ------------ (1)  

이와 같은 정 탄성계수의 시험방법은 KS F 2438(콘크리트 원주공시체의 정 탄성계수 및 푸아송비 시험방법)에 규정되어 있다. 상세한 규정은 KS표준을 참조하면 되겠지만, 특징적인 것을 소개하면 다음과 같다.
먼저 응력에 관한 것으로 공시체의 단면적은 시험 전에 지름을 측정하면 쉽게 구할 수 있고(πr2 = πD2/4), 하중 값은 압축강도 시험기에 표시되기도 하지만, 로드 셀(Load cell)을 이용하면 쉽 게 측정할 수 있다. 그러나 문제는 변형률(ε) 측정에 관한 것으로 처음 길이(ℓ)는 시험 전에 측정하면 가능할 수 있지만, 하중에 따른 미소 변형량(Δℓ)의 측정은 어려움이 있다. 따라서 미소 변형량의 측정에는 다음 <표 1>과 같은 기기 및 장비가 이용되고 있다.

<표 1> 각종 변형 측정계

시험 방법은 원주공시체의 측면에 컴프레소미터(길이방향 변형; <사진 1> 참조)와 엑스텐소미터(길이 직각방향 변형; 푸아송비 측정에 이용)를 설치하거나 <사진 2>와 같은 와이어 스트레인 게이지를 부착하고 하중 가력 측정과 함께 변형을 측정한다. 이때 컴프레소미터의 변형 측정인 경우는 기계식인 다이얼 게이지로 측정하거나, 전기식인 변차트랜스포머(LVDT: Linear variable differential trensformer) 등을 이용하여 측정한다.
탄성계수 측정은 KS F 2405의 압축강도 시험을 진행하며 동시에 진행한다. 그런데, 중요한 것은 시험기에 공시체를 설치하고 바로 하중을 가하는 것이 아니라 2회 이상 가볍게 하중을 가했다 제거했다를 진행하여 구좌와 공시체를 안착시키고, 게이지를 정착시키며, 게이지의 동작을 관찰한 후 이상이 없으면 하중을 지속적으로 가하면서 각 단계 별 응력과 변형을 측정한 다음, 식(1)에 대입하여 탄성계수를 구한다.

<사진 1> 컴프레소 미터에 다이얼 게이지 설치

<사진 2> 와이어 스트레인 게이지 부착

콘크리트의 탄성계수 특성
일반적으로 콘크리트의 탄성계수는 압축강도와 단위질량이 밀접한 관계를 갖는데, <그림 1>은 압축강도와 정 탄성계수의 상관관계를 나타낸 것이다.

<그림 1> 압축강도와 탄성계수의 관계

특히, KDS 14 20 10(콘크리트 구조해석과 설계원칙)에는 단위질량과 압축강도로부터 탄성계수를 구하는 공식을 다음 <표 2>과같이 규정하고 있다.

<표 2> 구조설계 기준의 탄성계수