철근의 정착 위치

[빗새1]

부착과 정착, 인장철근에 대한 정착에 대해 이야기를 해보았다.

핵심은 철근콘크리트에서 인장력을 분담하는 철근이 그 역할을 할 수 있으려면 충분히 정착이 되어야한다는 것이다.

정착길이가 확보되지 않은 철근은 항복강도까지 발현되지 않기 때문에 부재의 단면력 또한 우리가 계산한 대로 나오지 않는다.

정착이 잘 됐다는 가정하에 부재 설계를 했다는 것을 꼭 기억하자.

그러면 철근의 정착에서 매우 중요하다고 생각하느 갈고리 철근에 대해 얘기해보자.

1. 인장정착길이

인장정착길이는 콘크리트 강도, 철근의 항복강도 등에 영향을 받는다.

일반적으로 적절하게 스트럽이 배근이 되어있다고 가정했을 때 D22 이상의 철근을 생각해보자.

위치계수와 도막계수는 모두 1.0이라고 가정하고 콘크리트 강도를 24 MPa, 철근 항복강도를 400 MPa라고 가정하자.

그러면 인장철근의 정착길이는 48.9db 이 된다. 대략 50db라고 보자. (D19 이하는 40db, 상부 철근의 경우 65db라고 보면 된다)

D22라면 정착길이가 무려 1000mm가 필요하며, D29라면 1450mm이다.

생각보다 굉장히 길다.

​2. 갈고리 철근의 목적

보-기둥 접합부

때에 따라서는 인장정착 철근길이가 확보되지 않는 경우가 발생할 수 있다.

그게 주로 접합부에서 발생한다.

슬래브와 보가 만나는 부분, 작은보와 큰보가 만나는 부분, 보와 기둥이 만나는 부분 등등이 되겠다.

위의 그림은 보와 기둥이 만나는 접합부인데 기둥의 사이즈가 24인치 (610mm) 이다.

보에서 주근을 D22를 사용했다면 상부철근이니 65x22 = 1430 mm 가 필요하다.

대개 접합부에서는 인장정착길이가 확보되지 않는다고 보는 것이 맞다.

3. 갈고리 철근의 파괴메카니즘

갈고리 철근의 종류는 90도 갈고리, 180도 갈고리가 있는데 180도 갈고리는 한번도 본적이 없다.

일반적으로 많이 쓰이는 90도 갈고리 철근에 대해 얘기해보자.

인장철근에서 항복강도가 발휘하기 위해서는 콘크리트와 철근 사이의 부착력과 충분한 정착길이가 필요하다.

그러면 갈고리 철근에서는 그 정착길이가 충분하지 않기때문에 다른 무엇인가가 필요하다.

그것은 바로 갈고리부분에서 발생하는 지압응력이 되겠다.

갈고리 철근에서 발생하는 철근의 응력과 미끄러짐(slip)이다.

철근의 응력은 당연히 위험단면에서 최대값이 나오고 갈고리 끝으로 갈수록 응력이 떨어진다.

180도 갈고리의 경우 180가 꺾인 이후로는 응력이 발생하지 않는다.

또한 같은 응력에 발생하는데 90도 갈고리보다 미끄러짐이 더 발생하는 모습을 보인다.

​우리가 바라는 갈고리 철근의 파괴양상은 철근이 위험단면에서 항복하는 것이다.

철근이 항복하기 전에 파괴가 일어난다면 아마 그것은 정착 메카니즘에 문제가 있는 것이다.

첫번째로 갈고리 안쪽의 콘크리트 지압응력이 적절하게 반영되지 않은 것이다.

아마도 과도한 미끄러짐이 발생하는 것이 갈고리 안쪽 콘크리트가 파괴 된 것을 의미할 것이다.

두번째는 갈고리 바깥쪽의 콘크리트가 탈락되어 갈고리가 펴지는 현상을 생각할 수 있다.

갈고리가 펴지면 지압응력이 발생할수 없고 갈고리로서의 정착이 불가능해진다.

즉 갈고리의 지압응력을 발휘하기 위해서 갈고리르 감싸고 있는 내외부 콘크리트가 항복전에 파괴되지 않아야한다.

(갈고리 철근의 파괴 형상은 내가 스스로 고민해서 정리한 내용이므로 틀릴 수 있다.)

4. 갈고리 철근의 인장정착길이

사실 이 식이 어떻게 나온 것인지는 나도 잘 모르겠다. ACI에서 출간한 실험 논문들을 토대로 나온게 아닌가 싶다.

90도 갈고리나 180도 갈고리나 정착길이는 동일하다.

왠지 180도가 90도보다 더 효과적일거 같지만 그렇지는 않다.

그리고 위치계수, 직경에 따른 구분이 없다.

1번에서와 동일한 조건으로 계산한다면 (D22 이상의 철근, 도막계수 1.0, 콘크리트 강도 24 MPa, 철근 항복강도 400 MPa)

인장정착길이는 19.6db가 나온다. 대략 20db라고 한다면 일반 인장철근의 40% 수준으로 정착길이가 줄어든다.

(물론 갈고리의 여장길이가 12db정도 이므로 물량은 32db가 될것이다.)

구조기준에서 제시하는 갈고리의 내면 반지름과 여장길이이다.

최소 내면 반지름을 확보해야하는 것은 바로 갈고리 철근의 지압응력과 관련이 있다.

실제로 현장에서 어떻게 철근 가공을 하는지는 모르겠으나 철근의 직경이 커질수록 그 만큼 내면 반지름도 어마어마하게 커진다.

​5. 기타 관련 기준

그냥 갈고리 철근만 사용하더라도 정착길이가 상당히 효과적으로 줄어든다.

그런데 여기서 끝이 아니라 더 줄일 수 있는 장치들이 있다.

바로 적절한 피복을 확보하거나, 적절하게 스터럽으로 횡보강을 한 경우이다.

위에서 얘기했듯이 철근의 항복 전에 갈고리 주변의 콘크리트가 파괴되지 않아야 한다.

적절한 피복과 적절한 횡보강은 갈고리 주변의 콘크리트를 지지해주고 갈고리가 유지되도록 도와준다.

4번의 소요철근/배근철근은 조심해야한다.

물론 틀린 말은 아니다. 필요한 철근 이상으로 충분한 배근을 넣었다면 실제 발생하는 부재력에서 철근이 항복할 필요는 없을것이다.

하지만 나는 두가지 측면에서 이 조항에 대해 부정적으로 생각한다.

첫번째는 구조물은 연성을 확보해야한다.

슬래브나 작은 보와 같은 1차부재는 모르겠으나 큰 보와 같은 횡력에 저항하는 2차 부재에서는 철근이 항복을 해야 연성거동을 한다.

두번째는 안전율의 문제이다.

만약 보를 설계할때 철근이 8대가 필요한데 10대를 배근하여 응력비가 0.8이라고 생각해보자.

그런데 그 10대의 정착길이를 다시 80%로 줄여서 배근한다면?

보의 응력비는 1.0이 되는 것이다.

그렇다면 설계자가 의도한 20%의 안전율은 없어지는 것이다.

물론 그런것까지 고려해서 응력비가 1.0이 넘어가면 설계상 문제가 없다고는 한다.

그러나 설계자는 반드시 이 부분에 대해서 정확히 인지를 해야한다는 것이다.

​그리고 마지막으로 기억해야 할 것은 갈고리 철근의 최소 정착길이이다.

위의 각종 계수들을 고려해서 줄이고 줄여도 적어도 최소 정착길이는 확보해야한다.

바로 8db 또는 150mm가 되겠다.

이것은 반드시 잊지 말자.

[출처] [철근콘크리트] 정착 2|작성자 ddaydreamer