7장 철근의 정착과 이음 7-1 개요 철근콘크리트 부재:철근과 콘크리트가 일체화되어 부재강도를 발휘 7장 철근의 정착과 이음 7-1 개요 철근콘크리트 부재:철근과 콘크리트가 일체화되어 부재강도를 발휘 철근과 콘크리트는 서로 다른 종류의 재료      : 일체화를 이루기 위해 완전한 부착이 필요 부착작용의 역할 휨을 받는 철근콘크리트 보 : 압축응력 - 콘크리트가 저항                                  인장응력 - 인장철근이 저항            ⇒ 인장응력을 철근에 전달하는 작용 - 부착력 부착응력:철근과 철근을 둘러싼 주위 콘크리트 사이의 전단응력 고강도 재료의 사용 : 부착 거동이 중요한 설계요소 중에 하나로 작용한다.

7-2 부착의 기본 7.2.1 휨에 의한 부착응력 평균부착응력 7-2 부착의 기본 7.2.1 휨에 의한 부착응력 평균부착응력  휨을 받는 보에서 미소 길이 dx의 단면에 생기는 응력은 그림 7-1(c)와 같다. 휨 압축응력의 합력과 인장응력의 합력사이의 거리를 응력 중심거리 jd로 표시하면, 철근에 생기는  인장력의 증분은         dT=dM/jd          (7-1)  그림 7-1(d)의 철근 요소의 자유물체도에서 힘의 평형조건은                 dT= (πdb)u dx   

평균 부착 응력도 부착응력 : u=dT/ (πdb)u dx (7-2) 여기서, db : 철근의 직경, πdb : 철근의 원주    보의 휨모멘트와 전단력의 관계에서 dM/dx=V      이므로      u=V/ (πdb)jd (7-3)

(b) 휨 부착응력의 실제 분포 균열부분 : 철근이 전인장력을 부담 ⇒ 부착응력=0 균열사이 : 철근과 콘크리트가 인장력 부담 ⇒ 부착응력 존재 균열 근처에서 최대 부착응력, 균열사이 중간에서 최소 부착응력

7.2.2 부착에 의한 힘의 전달과 부착파괴 철근과 콘크리트의 미끄럼 저항 :초기에는 화학적 접착력과 마찰에 의해 저항 인장력이 증가하면 철근 돌기와 콘크리트에 지압응력 발생 지압응력 - 경사방향으로 발생                      길이방향과 방사선 방향으로 분해가능                                          쪼갬균열을 일으킴 쪼갬균열 : 철근과 콘크리트 표면 사이의 거리, 또는 철근과 철근 사이가 작을수록 쉽게 일어나고, 콘크리트 인장강도에 영향을 받는다.

7-3 정착길이 7.3.1 부착강도와 정착길이 정착길이(development length ) 7-3 정착길이 7.3.1 부착강도와 정착길이 정착길이(development length ) :콘크리트에 묻힌 철근이 뽑히거나  미끄러지지 않고 철근의 인장 항복에 이르기까지의 최소 묻힘 깊이 콘크리트에 묻힌 철근의 인장강도 = Abfy         πdb ua ld = (π db2 /4) fy ld = db fy/4ua                           (7-4)        그림 7-6 철근의 정착      여기서, ua : 보의 부착 파괴시 극한 부착응력의 평균값       따라서,    ld = μ db fy/√fck                             (7-5)               여기서 μ는 부착실험으로부터 얻어지는 상수.                    단, /√fck 는 8.37MPa 이하로 한다(fck≤70MPa).

부착강도의 영향인자 철근의 피복두께: 콘크리트 인장내력이 증가 → 수직방향 쪼갬 저항력 증가  철근간격: 철근 배근간격이 증가하면, 철근을 감싸는 콘크리트 단면적 증가 → 수평방향 쪼갬강도가 증가  횡방향 보강 철근: stirrup과 같은 횡방향 구속 철근은 콘크리트 인장내력이  횡방향 구속 철근의 내력으로 증가함   철근의 위치 : 상단근, 하단근

7.3.2 인장을 받는 이형철근의 정착길이 (1) 기본 방정식 7.3.2 인장을 받는 이형철근의 정착길이 (1) 기본 방정식 철근의 크기, 간격, 피복두께 및 위치, 횡방향 보강철근, 에폭시 도막 등에 의한 영향을 고려하여,                                                (7.6)   여기서, c: 철근 간격 또는 피복두께에 관련된 계수로서 철근중심 으로부터 콘크리트 표면까지의 거리 또는 정착되는 철근 중심간 거리의 1/2중 작은 값         Ktr : 횡방향 철근지수= Atr fyt /(107s n)         Atr : 정착된 철근을 따라 쪼개질 가능성이 있는 면을 가로질러             배근된 간격 s이내에 있는 횡방향 철근의 전체 단면적(mm2)          fyt : 횡방향 철근의 항복강도(MPa)           s : 정착길이 ld 구간내에 있는 횡방향 철근의 최대 중심간 간격     n:쪼개질 가능성이 있는 면을 따라 정착되거나 이어지는 철근의 수

(1) 기본 방정식 위의 식(7.6)에서 (c+Ktr)/db : 콘크리트 쪼갬 인장강도 이외에 쪼갬 부착파괴에 대한 부재의  저항성능을 나타내는 식               철근간격과 피복두께 및 횡방향 철근지수가 크면 쪼갬저항 성능이 증가하나, 철근의 지름이 크면 저하하는 현상을 나타내고 있다. c와 Ktr의 값이 커지거나 철근지름이 작은 경우 : 뽑힘 부착파괴 발생      ∴ (c+Ktr)/db ≤2.5로 제한 함

(b) 보정계수 (i)철근 위치 계수 α ①정착길이나 이음부 아래 굳지 않은 콘크리트가 300mm 이상 타설되는       수평 배근된 상부철근 : 1.3     ②기타 철근 : 1.0  (ii)에폭시 도막 계수 β     ①에폭시 표면처리 철근으로 피복두께가 3db미만이거나 철근 순간격이       6db미만인 경우  : 1.5     ②기타 에폭시 도막 철근 또는 철선 : 1.2     ③도막되지 않은 철근 : 1.0.          단, α×β≤1.7 로 한다.  (iii)철근의 크기 계수Υ     ①D19이하의 철근과 이형철선 : 0.8     ②D22이상의 철근 : 1.0  (iv)경량 콘크리트 계수 λ     ①fsp가 주어지지 않은 경량 콘크리트 : 1.3     ②fsp가 주어진 경량 콘크리트 : /√fck/(1.76fsp)≥1.0

(2) 약산식 식(7.5)의 기본방정식에서 ①정착되거나 이어지는 철근의 순간격과 피복두께가 모두 db이상이고, (2) 약산식   식(7.5)의 기본방정식에서 ①정착되거나 이어지는 철근의 순간격과 피복두께가 모두 db이상이고,   정착길이 전구간에 걸쳐 설계기준에서 규정된 최소 철근량 이상의   스터럽 또는 띠철근이 배근된 경우 ②정착되거나 이어지는 철근의 순간격이 2db이상이고, 피복두께가 db이상인 경우 위의 두 조건 중 하나라도 만족되는 경우 (c+Ktr)/db ≒1.5 이므로 인장철근의 정착길이는                                      (7.8) 위의 두 조건 중 하나도 만족되지 않는 경우 (c+Ktr)/db ≒1.0으로 하여                             (7.9)

7.3.3 압축을 받는 이형철근의 정착길이 정착길이 ld=보정계수×기본 정착길이 ldb ≥ 200mm (a) 기본정착길이(표7-2 참조)                                      (7-9) (b) 보정계수  ① 철근소요량 이상인 과다철근인 경우: 소요철근량/실제철근량    ②지름 6mm이상인 나선철근으로 100mm이하의 간격으로 둘러싸인 철근 :0.75 (c) 구조제한     최소 정착길이 : 200mm이상

7.3.4 다발 철근의 정착길이 다발 철근 : 단일철근 보다 부착면적이 작다     다발 철근 : 단일철근 보다 부착면적이 작다     다발 철근의 정착길이는 :  2개 다발 : 10% 증가시킴                                3개 다발 : 20% 증가시킴                                 4개 다발 : 33% 증가시킴

7.4 갈고리에 의한 인장철근의 정착 7.4.1 표준 갈고리(hook) 부재의 위치에 따라 철근의 정착길이를 충분히 확보하기 곤란한 곳에서 90°, 180°갈고리를 사용 (a) 주근 갈고리(그림 7-10(a))     구부림 각도180°에 자유단의 길이가 4db이상 또는 60㎜이상     구부림 각도90°에 자유단의 길이가 12db이상 (b) stirrup 및 띠철근 갈고리    ① D16이하의 철근으로 구부림 각도90°에 자유단 길이가 6db이상  ② D19, D22, D25의 철근으로 구부림 각도90°에 자유단 길이가 12db이상     ③ D25이하 철근으로 구부림각도 135°에 자유단 길이 6db이상

(c) 구부림 최소지름 ① stirrup 및 띠철근 : D16이하 -4db D16이상 - 표7-3 ② 주근 : 표7-3    표 7.3 구부림 최소 지름 철근크기 구부림 최소지름 D10-D25 6db D29-D35 D38이상

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                               그림 7-11 표준 갈고리 그림 7-11 표준 갈고리

7.4.2 갈고리 철근의 정착길이(그림 7-11) 갈고리 철근의 파괴 원인 : 갈고리 면 안에 있는 콘크리트의 쪼갬                → 철근의 지름db 및 철근 구부림 지름에 의존 갈고리 철근의 정착길이 lhb (cm)= 보정계수×기본정착길이(lhb)        단, 정착길이lhb는 8db와 150mm중 큰 값보다 커야 한다. 압축력이 작용하는 경우에는 갈고리가 유효하지 못하므로 정착장치로서 사용불가 (a) 기본정착길이      철근의 항복강도 fy=400MPa 인 철근을 기준으로

(b) 보정계수 ①철근항복강도 fy≠400MPa 인 경우 : fy/400 ②콘크리트 피복두께 : 0.7 ②콘크리트 피복두께  : 0.7 90도 갈고리가 사용된 D35이하의 철근으로 갈고리 면에 수직한 피복두께가 70mm이상이고 갈고리에서 뻗은 자유단 철근의 피복두께가 50mm이상인 경우 ③띠철근, stirrup근이 배근된 경우 : 0.8 갈고리가 띠철근이나 스터럽으로 수직 또는 수평방향으로 갈고리 철근지름의 3db이하의 간격으로 둘러싸여 있는 D35이하의 철근  ④과다철근 : 소요철근량/실제철근량  ⑤경량골재 콘크리트 : 1.3  ⑥에폭시 도막 철근 : 1.2

7.4.3 기계적 정착장치 부재의 형태 등으로 정착길이나 Hook에 의한 정착이 불가능할 경우 사용 철근 단부에 강판을 접착하여 사용 단부철근을 나사모양으로 하는 방법 적합성이 시험에 의하여 입증되어야 한다.

7.5 휨 철근과 복부철근의 정착 7.5.1 철근이 절단되는 부위의 정착길이 7.5 휨 철근과 복부철근의 정착 7.5.1 철근이 절단되는 부위의 정착길이 그림 7-13에서와 같이 보에서 모멘트의 크기에 따라 철근량이 감소되는 구간이 존재 →휨모멘트가 큰 부위에는 많은 철근이 배근되고, 작은 부위에서는 보강근을 줄임 이와 같이 철근을 절단하여 배근할 때 고려사항    -전단력이 큰 구간에서 철근이 절단 -응력 집중발생 -여분의 철근이 필요   -최대 휨모멘트 위치로부터 정착길이를 확보 따라서 철근의 실제 절단점은 이론적인 절단점에 전단, 정착 및 시공성을  고려하여 결정하여야 함

<설계규준의 정착> - 그림 7-14참조 정모멘트 철근   단순보 :철근량의 1/3   이상을(보)부재 의 동일 면에 따라     연속보 :철근량의 1/4   지지부재(기둥) 내에 150mm이상 연장배근 부모멘트 철근 철근량의 1/3이상을 부재 유효깊이(d)이상         철근지름의 12db             순스팬의 l/16    中 큰 값 이상의 길이가 변곡점 넘어(중앙부로)연장 배근 철근의 절단위치 :이론적인 절단위치에서 보의 유효깊이d 또는 12db이상 연장배근

7.5.2 단순 받침부와 변곡점에서 철근 정착 실제 단순 받침부, 변곡점에서는 휨모멘트 ≈ 0         단, 전단력에 의해 부착응력 ≠ 0      ⇒ 단순 받침부, 변곡점에도 정착 길이가 필요 <규준제한> 단순 받침부와 변곡점에서의 정모멘트 인장철근의 지름은 다음 식을 만족하도록 해야 한다. (그림 7-15 참조) ld=Mn/Vn +la       여기서  ld : 철근의 항복강도 를 사용하여 구한 정착길이             Mn : 단면의 모든 철근이 항복강도 에 도달한다고 가정하여 구한 공칭 휨모멘트 강도            Vn  : 단면의 계수 전단력             la  : 단순 받침부인 경우 지점중심을 넘어 묻힘길이                    변곡점에서의 경우 (부재 유효깊이d, 12db)중 큰 값

7.5.3 복부(Web)철근의 정착 묻힘 길이가 확보되지 않는 경우 보, 기둥 단면의 증가가 불가피 (1)복부철근은 피복두께 또는 철근 간격이 허용하는 한 인장면 및 압축면에 가까이 둔다⇒사인장 균열을 억제하기 위함 (2)U자형 stirrup은 하단 인장 철근을 감싸는 형태를 이루어야 하고, 이때 stirrup은 인장응력을 받으므로, 충분히 항복강도를 발휘하도록 정착길이가 확보되어야 한다. (3)규준의 stirrup 정착길이는 다음 중 한가지 방법을 사용(그림 7-18)    ①D16이하의 철근 또는 지름 16mm이하의 철선은 길이방향의 철근을 둘러싸는 표준 갈고리로 정착되어야 한다(그림 7-18(a))    ②D19, D22 및 D25 스터럽은 길이방향의 철근을 둘러싸는 표준 갈고리로 정착에 추가하여 보의 중간 깊이에서 갈고리 단부 바깥까지 0.17dbfy/√fck 이상의 묻힘 길이를 두어야 한다.

그림 7-18 U형 스터럽의 정착

7-6 철근의 이음 제작과 운반의 제한 → 이음이 필요 이음의 종류: 용접 기계적 이음: Sleeve 등 겹침이음  겹침이음 힘의 전달이 연속적이고 웅력 집중이 일어나지 않도록 한다. 응력이 작은 곳에서 엇갈리게   이음을 둔다. 겹침 이음시 이음되는 부위의 두 철근의 간격:ld(겹침이음길이)/5 또는 15cm이하

7.6.1 인장철근의 겹침이음 겹침길이가 철근의 인장내력을 부착응력으로 지지할 수 있는 길이 확보 소요 겹침길이 내에서 (이음철근/전체철근, 사용철근/소요철근량)에 영향을  받아 A, B등급으로 나눈다. 겹침이음 최소길이는 다음 값 이상 또는 300mm이상           A급 : 1.0ld           B급 : 1.3ld              ld  :  정착길이 겹침이음 위치를 철근의 응력도가 fy/2이하 되는 곳에 두고 같은 위치에서    겹침이음이 집중되는 것을 방지          표 7-3 인장철근 겹침이음의 분류 사용 철근량 소요 철근량 겹침길이내에서 전체철근에 대한 이음철근량 50% 이하 2이상 A 2미만 B

묶음 철근에 대한 겹침이음길이 증가율            2개 묶음 : 10%            3개 묶음 : 20%            4개 묶음 : 33%  D35이상 철근 : 겹침이음을 하지 않는다. ⇒ 용접 또는 기계적 이음 사용

7.6.2 압축철근의 겹침이음 최소 겹침길이는 다음 값 이상으로 한다.    fy≦400MPa 일때 ld=0.72fydb   또는 300mm이상        fy>400MPa 일때 ld=(0.13fy-24)db  또는  300mm이상 콘크리트 압축강도 fck≦21MPa 일 때, 겹침길이 1/3증가 철근의 직경이 다른 철근끼리 이음시:이음길이 중 큰 것을 겹침이음 길이. 단부 지압이음(두 철근을 맞대어 이음) 사용 조건      ①폐쇄형 띠철근, stirrup, 나선철근을 갖는 부재   ②철근 양끝은 철근 중심축의 직각면에서 오차 1.5°이내로 가공하고  조립 후 접촉면의 오차 3°이내

7.6.3 기둥철근의 겹침이음 압축철근의 이음규칙에 따른다 기둥철근의 이음 규정    ①하중조합에 의한 기둥철근의 응력σ 가 –fy<σ<0.5fy 인 경우      이음 부위의 인장강도는 설계 인장강도보다 2배 이상 되도록 한다    ②기둥의 설계인장강도가 기둥철근의 인장응력 0.5fy 를 초과할 경우      인장응력fy 를 지지할 수 있는 겹침이음, 완전용접이음, 기계적 이음을      사용한다.    ③이음 위치에서 최소 인장강도는 0.25As((철 근단면적)×fy와 같도록 한다. ACI318-95규정     - 설계하중에 의한 철근의 응력이 전부 압축인 경우 : 압축철근의 겹칩이음 규정에 따름     - 철근의 인장응력이 0.5fy 이하 일때 B급 이음: 겹침이음 철근량의 반 이상                                        A급 이음: 겹침이음 철근량의 반 이하     - 철근의 인장응력이 0.5fy 이상일 때 : B급 이음