1. 소개

- 콘크리트는 세계에서 가장 많이 사용되는 건설 중 하나로 전 세계 산업국의 년간 콘크리트 생산량은 인당 1.5톤~3톤에 달함.

- 시멘트의 생산은 대량 에너지 소비와 이산화탄소 배출과 연관되어 있음.

- 시멘트 산업은 지난 반세기 동안 12배 신장한 결과, 현재 인공적으로 발생된 전세계 이산화탄소량의 약 7%를 발생시키고 있음.

- 더욱이 엄청난 콘크리트 사용량은 생산에서부터 최종 처리(demolition)과정에 이르기까지 전 생애(life cycle)에 걸쳐 대규모 수송의 필요성 및 수요와 연관되어 있음.

- 이 모든 것이 환경에 중대한 영향을 미치는 것들임.

- 지난 20년 동안 콘크리트의 발전상황, 콘크리트 건축물의 생산기술과 발달은 기술적인 특성 뿐 만 아니라 환경관련 문제들에 있어서도 많은 개선과 변화를 이끌어 왔음.

- 새로운 종류의 콘크리트들은 강도, 기계적 저항성과 내구성 및 극한하중에 대한 강성 등의 관점에서 배합비의 선택에 따라 큰 개선을 가져왔음.

- 콘크리트는 점차 환경영향 감소에 대한 높은 잠재력을 가진 희망적인 건설재료로 탈바꿈하고 있음.

- 이 문제는 콘크리트와 콘크리트 관련 제품들에 대한 재료의 매입에서부터, 시공, 사용 및 콘크리트 구조물의 철거 및 재활용에 이르기 까지 콘크리트 전 생애에 걸쳐 광범위한 지속가능성 측면에서 기술적 프로세스와 그 영향문제에 관한 보다 나은 지식을 필요로 하고 있음.

 

2. 콘크리트 건축구조물의 장점

2.1 건축공사에 쓰이는 콘크리트 구조물의 주요 장점들

 내후성 : 자연재해(홍수, 폭우, 강풍, 허리케인 및 토네이도, 화재, 지진 등)와 같은 이변상황에 대해 높은 저항성을 포함한 구조적 안전성

 단열성 - 콘크리트 단열성은 냉난방과 관련한 에너지절약을 가져다 줄 수 있음.

 차음성 - 콘크리트는 비중이 높기 때문에 벽 또는 바닥에서 분리시킬 경우 구조물의 차음성능이 증대될 수 있음.

 높은 내화성 - 여러 화재구획으로 건물을 나누는 것이 특히 중요함.

 내구성 - 건물의 장수명화를 가능하게 하는 내구성

 유지보수성 - 전반적인 건물 품질을 증대시키며 운영비를 감소시키는 유지보수성

2.2 상기 장점 이외에 지속가능성의 3가지 중점사항과 관련한 장점들

- 환경적 측면

 새로운 콘크리트 기술로 플라이애쉬, 고로슬래그 등의 콘크리트 혼화재와 혼합하여 여러 기술과정에서 발생된 폐기물 등의 보조 재료를 이용할 수 있음.

 에너지 고소비적인 포틀랜드 시멘트의 대체재로서 마이크로 실리카, 고로슬래그 분말 등의 시멘트 보충재를 이용하는 것은 내재에너지 값과 이산화탄소 및 황산화물 배출을 감소시키는 것이 가능함.

 콘크리트 재활용으로 토공사 및 신규 콘크리트의 골재 대체재로 이용 가능함.

 맞춤형 방식의 P.C 부재 제조와 현장시공은 폐기물 감소에 기여.

 그 지역에서 이용 가능한 원료로 콘크리트를 생산하는 것이 대체로 가능하므로 화물수송이 원인이 되는 환경문제(배출물, 소음 및 오염물)와 비용 감소 가능함.

- 건축물의 경제적 측면

 콘크리트 구조물은 목재, 철재 등의 타 재료와 비교하여 일반적으로 내구성이 있음. 즉 내후성, 내마모성 및 쉽게 열화되지 않는 장점들을 가지고 있으며 또한 낮은 운영비, 유지관리 및 철거비용이 소요됨.

 콘크리트 구조물의 소형화는 재료비, 취급비 및 수송비의 감소로 이어짐.

 보다 높은 품질의 콘크리트로 보다 적은 양을 이용할 수 있다는 것은 비록 일반 콘크리트의 단가보다 이러한 종류의 콘크리트가 고가일지라도 전체 구조물의 비용을 감소시킬 수 있음.

 P.C구조는 조립식으로 설계되어 또 다른 구조부재의 용도로 쓰일 수 있게 함.

 하중을 받는 콘크리트 구조물의 단면을 보다 작게 할 수 있다는 것은 시공지역의 규모에 제한을 받는 곳에서 건설공사의 효율성에 긍정적인 효과를 가져다 줄 수 있음.

 고성능콘크리트 구조물은 다른 구조해법과 비교해 볼 때 내구성(유지보수비 절감)과 수명(구조물을 보다 오랫동안 이용할 수 있는 것과 연관된 절감)측면에서 유리할 장점을 가지고 있음.

 콘크리트 구조물은 그 추가적인 특성들 때문에 어떤 경우에는 냉난방용 운영비의 감소에 기여할 수 있음.

- 건축물의 사회적 측면

 콘크리트 벽 및 바닥 구조물은 훌륭한 차음성(표면밀도가 높으면 높을수록 차음성이 대체로 커짐)을 나타냄.

 고품질로 생산된 콘크리트 표면은 쉽게 유지되고 청소 될 수 있으며 오랜 내구성을 가지고 있음.

 콘크리트 구조물은 유독성 배출물이나 휘발성 유기화합물을 만들어 내는 재료가 아님.

 콘크리트는 정적 신뢰도 요건(static reliability requirements)만으로 제한을 받는 거의 모든 형태의 부재를 만들 수 있다는 가능성 때문에 아주 큰 설계 유연성을 가능하게 함.

 장 스팬의 콘크리트 바닥구조물은 실내 레이아웃의 혁신을 가능하게 하며 하중을 받는 구조물의 장기적인 활용성을 향상시킴.

 콘크리트 구조물은 화재, 폭풍, 수해, 지진, 폭발 및 테러공격 등 극한 상황의 관점에서도 보다 안전함.

 

3. 지속가능한 콘크리트 구조물을 위한 선진 기술 및 구조지침

3.1 형태의 최적화 - RC구조물의 경량화

- 형태의 최적화는 그림 1(와플 구조)에서와 같이 까다롭고 경량화된 단면을 만들어낼 수 있음.

- 구조물이 경량화 되면 될수록 구조물이 지지해야 할 하중도 경감된다는 것을 의미함.

- 고성능콘크리트의 사용은 단면이 보다 작아지기 때문에 추가적인 하중경감이 가능함.

- 단면형태는 모듈화, 그림 2(재생 플라스틱 가공부재의 설치)에서와 같은 다양한 종류의 경량화된 부재 또는 경량콘크리트의 사용 등으로 이루어질 수 있음.

- 언급된 기술에 의하면 재료를 30~60%까지 절약할 수 있음.

3.2 고성능콘크리트 배합비의 선택

- 훨씬 더 좋은 물리적 특성을 가진 새로운 합성재를 이용한다면 재료와 에너지 절약의 관점에서 상당한 효과 달성을 가능하게 함.

- 일부 해외사례의 경우 고성능콘크리트는 기계적 특성 때문에 아주 까다로운 RC 부재의 형태(30cm 이하의 벽) 선택에 사용될 수 있다는 것을 보여줌.

- 현재 압축강도 100Mpa 정도의 콘크리트가 몇몇 사례에서 사용되어지고 있음(압축강도 150Mpa 이상의 강도를 갖는 초고성능콘크리트가 프랑스 라파즈 드에서 특수목적에 이미 사용된 경우가 있음).

- 이러한 종류의 재료들은 재료의 소비를 감소하게 하여 환경에 미치는 영향을 감소시킬 수 있음.

3.3 재활용 콘크리트와 기타 보조 재료의 활용

- 일부 보조재료(그 밖의 과정을 통해 폐자재를 재활용하는 제품)는 거푸집재료 또는 기타 합성재료 제조용으로 시멘트와 콘크리트 제조에 사용될 수 있음.

- 플라이애쉬, 슬래그 또는 마이크로실리카(microsilica, 일명 실리카흄)는 강도증진과 시공연도 증진에 사용됨.

- 그 재료들은 그 접합특성 때문에 에너지 집약적인 포틀랜드시멘트의 소비를 감소시킴.

- 폐기처분하지 않고 재활용한 콘크리트 소재는 천연골재를 대체하는데 사용될 수 있음.

- 재생 골재는 신규 콘크리트의 천연골재 대체재로서 어느 정도 사용될 수 있음.

3.4 에너지 효율적인 건물을 위한 콘크리트

- RC구조물의 특성 확대로 건물 실내환경의 보온성 증진에도 크게 기여할 것이며, 이것은 여름에 냉방이 필요한 건물에도 크게 영향을 미칠 것임.

- 건물 외피의 단열 조건에 대한 수요가 높으면 높을수록 외피의 두께도 증가함.

- 건물외피 두께는 시공지역의 지역별 규제 규모에 따라 개발계획의 제한한도를 나타냄.

- 이러한 경우 미세 RC구조물(subtle RC structures)은 단면이 작은 내력벽 또는 그림 3(훼밀리 하우스에 사용된 주거용 건물의 단면이 소형화된 골조)에서와 같은 얇은 RC골조에 큰 장점이 됨.

3.5 통합 기능을 가진 P.C 콘크리트 구조물

- 프리훼브는 그 밖의 기능을 위해서도 보다 효과적인 콘크리트 구조물의 활용으로 조정될 수 있는 보다 복잡한 형태의 통합구조부재의 설계를 가능하게 함.

- 할로우코어 콘크리트 판넬의 경우 구멍부분은 추가적인 잠재력으로 이용될 수 있음.

- 그 판넬에는 전기, 수도, 환기 및 난방시스템의 케이블 보호와 그와 관련한 설치를 위해 내장형 분배시스템(built-in distribution system)이 포함설치될 수 있음.

3.6 콘크리트 목재 합성 구조물

- 다층 목조 건축물에서 특히 바닥구조 또는 상부 데크 부분의 흡음성과 화재 안전성을 크게 증진시켜줄 수 있으며, 동시에 구조물 강성의 관점에서 수평적으로 강체(rigid floor structure)를 보장할 수 있음.

3.7 섬유보강콘크리트의 활용

- 섬유보강콘크리트(TRC - Textile reinforced concrete)는 얇은 피복두께 문제로 부식의 우려가 있기 때문에 철근을 사용할 수 없는 아주 얇은 판 또는 쉘 부재(두께 12~25mm)용으로 개발되어져 왔음.

- TRC를 사용하는 개념은 부재의 두께와 중량을 줄이기 위해 도입되었으므로 콘크리트의 소비와 관련한 환경영향도 감소됨.

- 이러한 개념은 특수 형태를 가진 쉘구조용, 구조부재의 강화용 또는 얇은 외부 판넬용으로 거의 사용되고 있음.

- 그림 4는 프라하의 CTU에 위치한 중앙실험소에서 두겹의 섬유보강 초고성능콘크리트(UHPC)로 만들어진 TRC판의 시험광경을 보여주고 있음.

- 그림 5는 백색 TRC 외부 판넬의 프로토타입을 보여주고 있음(13mm 두께의 TRC판은 철제 틀에 고정되어 있음).

3.8 콘크리트 구조물의 지속가능성 평가

- 구조물의 설계에 관한 새로운 개념의 접근방식은 재료, 성분, 구성 등 다양한 기능적 유닛으로 생각되는 멀티파라미터 구조설계를 나타내면서, 전생애주기에 걸쳐 광범위한 지속가능성 기준으로 볼 때 최적의 성능 파라미터를 달성하는 것을 목표로 하는 종합생애주기디자인(ILCE - Integrated Life Cycle Design)방식임.

- 종합생애주기평가(ILCA - Integrated Life Cycle Assessment)는 환경, 경제 및 사회적 측면 등과 같이 지속가능성에 대한 모든 필수적인 측면을 고려하여 전생애주기내에서 구조물에 대한 멀티파라미터 평가를 나타냄.

- ILCA 접근방식을 사용하는 콘크리트 구조물에 대한 지속가능성 평가의 기본원리는 태스크 그룹 3.7(“fib Commission C3 Environmental aspects of design and construction of Concrete Structures” 소속)의 활동범위 내에서 개발되었음.

- 그림 6(콘크리트 구조물에 대한 ILCA용 일반적인 프레임워크)은 다양한 종류의 콘크리트 구조물에 적용된 ILCA 프로세스를 나타냄.

- 이 프로세스에서 핵심 중요성은 콘크리트는 일반적으로 지역에서 이용 가능한 기술 및 수송체계를 활용하여 지역에서 이용 가능한 재료로 생산되기 때문에 지역 특성에 따라 달리 작용된다는 것임.

3.9 지역 특성(Regional specifics)

- 일반적으로 콘크리트 구조물의 설계와 시공 프로세스는 국가별, 지역별로 다양함.

- 지역적으로 이용 가능한 골재, 철근의 종류 등 다양한 재료, 다양한 기후여건, 다양한 기술(다양한 기후여건과 근로 체계 속에서의 전통, 지역 인건비 등에 기초) 및 문화전통의 다양성을 기반으로 하기 때문에 지역특성에 의해 결정되는 경향이 있음.

- 일부 국가/지역 특성은 구조설계에 대한 규정(즉, NAD의 Eurocode 2)속에서 시행됨.

- 지역특성에는 다양한 재료에 대한 내재된 환경 데이터를 수집해야하는 시기도 고려되어져야 함.

- 재료 종류별 소스, 채취 기술, 수송수단, 운반거리, 생산기술 등은 최종 유닛별 환경적 내재값에 관한 상당한 영향을 미침.

- 제품 또는 전체 구조물에 대한 관련 복합물의 LCA는 LCA 절차에 대한 일람표 작성 단계에서 수집된 지역 환경 데이터를 기반으로 해야 함.

 

4. 결론

- 최적화된 콘크리트구조물은 지구환경에 영향을 주는 요인들의 감소에 기여할 수 있음.

- 한 가지 가능한 방법은 최적화된 구조물의 형태에 초고성능콘크리트를 활용하는 것임.

- 압축강도, 내구성, 수밀성 등과 같은 이들 재료의 기계적 특성들은 일반 콘크리트와 비교하여 재료의 70% 이상까지 절약할 수 있도록 하고 그에 따라 이산화탄소 배출 가능성도 감소시켜줄 수 있는 까다로운 구조물을 설계할 수 있는 여건을 만들어 줌.

- 이미 실현된 것들은 세계의 지속가능한 발전에 이어 향후에는 콘크리트 구조물의 설계와 시공에 대한 새로운 요건과 기준을 고려할 필요가 있을 것이라는 것을 분명하게 나타냄. - 끝.