평균 부착응력

7장 철근의 정착과 이음

7.1 개요

․철근콘크리트 부재 : 철근과 콘크리트가 일체화되어 부재강도를 발휘

․철근과 콘크리트는 이종재료: 일체화를 이루기 위해서는 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 콘크리트사이의 전단응력

→ 부착응력을 초과시 부착파괴가 일어나는데 강도설계법에서는 부착파괴가 발생하기 전에 철근이 항복되는 것을 전제로 하고 있다.

․고강도 철근의 사용 : 부착 거동이 중요한 설계요소 중에 하나로 작용함

7.2 부착의 기본

7.2.1 휨에 의한 부착응력

(1) 평균 부착응력

dT = dMjd , dT= (πd_b) u․ dx

u = _



 ∑_



 ∑_



여기서, d_b : 철근의 직경 πd_b : 철근의 둘레길이

평균 부착응력 u  d_bj d

V  ∑_j d V

그림 7-2 부착응력의 분포

그림 3 보의 휨균열에 의한 철근 인장력의 변화

⒜ 폭이 좁은 보 ⒝ 폭이 넓은 보 ⒞ 조밀하게 배근된 보 그림 7-5 쪼갬부착퐈괴의 유형

7.3 정착길이

7.3.1 부착강도와 정착길이

: 콘크리트에 묻혀 있는 철근의 부착응력은 길이에 따라 일정치 않으므로 설계기준에서는 부착응력보다 정착길이 개념이 채택되고 있다.

․정착길이(development length) : 콘크리트에 묻힌 철근이 뽑히거나 미끄러지지 않고 철근 의 인장항복에 이르기까지의 응력을 발휘할 수 있는 최소묻힘 길이 l_d

그림 7-6 철근의 정착

․콘크리트에 묻힌 철근의 인장강도 = A_bf_y A_bf_y = u_a⋅ l_d⋅π⋅ d_b πd_b²

4 f_y = u_a․ l_d․π․ d_b

∴ l_d = d_bf_y

4 u_a (7.4)

u_a : 보의 부착파괴시 극한 부착응력의 평균값이며, 쪼갬 부착파괴시 부착강도는 쪼갬 인장 강도와 관련을 가지고 있어 u_a는 콘크리트 압축강도의 제곱근에 비례한다.

_  



 __

,

 



식(7.5)는 철근의 크기와 강도, 콘크리트의 압축강도 등 모든 철근콘크리트 부재가 공통으로 가지고 있는 요소들에 의하여 정하여지는 정착길이를 의미하며, 이를 기본 정착길이( l_db)라고 한다. 기본 정착길이에 이 보정계수를 곱한 것을 철근의 정착길이로 한다.

7.3.2 인장을 받는 이형철근의 정착길이

인장을 받는 이형철근의 정착길이를 산정하는 방법은 식(7.6)에 의하거나 기본정착길이 l_db 에 보정계수를 곱하여 계산되는 값 중 큰 값으로 하되 최소 30cm 이상이어야 한다.

(1) 인장철근의 정착길이 기본식 이용 정착길이  



 __





 _



 

(7.6)



c K_tr



α, β, , λ, K_tr은 다음에 의해 결정된다.

① α : 수평철근의 위치계수

상부근 (30cm 두께 이상의 콘크리트가 정착철근 아래에 타설된 경우) : 1.3 기타철근 : 1.0

② β : 에폭시 도막계수 : (단 αβ ≤ 1.7)

3 d_b미만의 피복 또는 6 d_b미만의 순 간격으로 배근된 에폭시 도막철근 또는 철선 : 1.5 기타 에폭시 도막철근 또는 철선 : 1.2

도막되지 않은 순수철근 : 1.0

③  : 철근 또는 철선의 크기 계수 D19 이하의 철근, 이형철선 : 0.8 D22 이상의 철근 : 1.0

④ 경량 콘크리트 계수 ^ (기준 3.4.4)

_가 주어지지 않은 경우    : 전경량콘크리트

   : 모래경량콘크리트

_가 주어진 경우   



_

≤ 

⑤ K_tr : 횡방향 철근지수 K_tr = A_trf_yt

10.7 sn

- A_tr : 잠재 쪼갬균열 예상면을 가로지르는 횡방향철근의 전체 단면적 - f_yt : 횡방향철근의 설계기준 항복강도

- s : l_d 구간내에 있는 횡방향철근의 최대 중심간격

- n : 쪼갬면을 따라 정착되거나 이어지는 철근 또는 철선의 수

* 횡방향철근이 배근된 간략한 설계시 K_tr =0 으로 할 수 있다.

*  ≧  인 경우 콘크리트의 부착강도가 비례하여 증가하지 않으므로



⑥ c : 철근간격 또는 피복두께에 관련된 치수 - 철근중심에서 피복표면까지의 최단거리

- 정착철근, 철선의 중심간 배근간격의 1/2 중 작은 값

D19 이하의 철근(r = 0.8) D22 이상의 철근(r = 1.0) 정착되거나 이음이 되는 철근의 순간격

≥d_b, 그리고 순 피복두께 ≥d_b, 그리 고 l_d 사이의 횡보강근이나 띠철근은 최소 철근면적 기준 이상

=> c+K_tr

d_b ^{= 1.5     }

정착되거나 이음이 되는 철근의 순간격 이 ≥2d_b, 그리고 순 피복두께 ≥1d_b

=> c+K_tr

d_b ^{= 1.5} 기타 => c+K_tr

d_b ^{= 1.0      }

(2) 인장정착길이 약산식 기본정착길이  



 __

표 7.1 인장철근의 정착길이

예) D22철근의 기본정착길이 ( , ^ ) 정착길이  



 __

 ^

 ×  × 

 

50d 이상

_

그림 7-7 예제 7-1의 보-기둥 접합부

그림 7-8 예제 7-3의 줄기초

7.3.3 압축철근의 정착길이

압축철근은 정착된 철근의 부착 및 정착철근 끝부분의 지압에 의하여 압축력을 콘크리트에 전달한다. 압축력을 받는 경우 균열발생의 가능성이 적고 콘크리트의 지압효과 때문에 인장정 착보다 짧은 정착길이가 가능하다. 나선철근 등에 의하여 횡보강된 경우 소요 정착길이는 더 욱 짧게 할 수 있다. 갈고리는 압축철근에서는 효과가 없다.

압축에 대한 정착길이 l_d는 기본 정착길이 l_db에 보정계수를 곱하여 산정한다. 단 최소 200mm 이상이어야 한다.

기본 정착길이 ^ 



__

≧ __ (7.10) 보정계수

① 배근된 철근이 소요량 이상인 과다 철근의 경우 : ^{소요 철근량}_{배근 철근량}

② 지름 6mm이상인 나선철근으로 100mm 이하의 간격으로 둘러싸인 철근 0.75

25d면 충분

⒜ 주철근

⒝ 스터럽과 띠철근

7.4 갈고리에 의한 인장철근의 정착

7.4.1 표준 갈고리

부재의 위치에 따라 철근의 정착길이를 충분히 확보하기 곤란한 곳에서 철근의 끝부분에 90°, 180°갈고리(hook)를 사용하여 정착길이를 짧게 할 수 있다.

⑴ 주근 갈고리

① 구부림 각도180°에 자유단의 길이가 4d_b이상 또는 60㎜이상

② 구부림 각도90°에 자유단의 길이가 12d_b이상

⑵ stirrup 및 띠철근 갈고리

① D16이하의 철근으로 구부림 각도90°에 자유단 길이가 6d_b이상

② D19, D22, D25의 철근으로 구부림 각도90°에 자유단 길이가 12d_b이상

③ D25이하 철근으로 구부림각도 135°에 자유단 길이 6d_b이상

⑶ 구부림 최소지름

① stirrup 및 띠철근 : D16이하 - 4d_b D16이상 - 표 7.3

② 주근 : 표 7.3

철근크기 최소 내면 반지름 D10-D25

D29-D35 D38이상

3d_b 4d_b 5d_b 표 7－3 구부림 최소 지름

그림 7-12 표준 갈고리 철근의 상세

7.4.2 갈고리 철근의 보정계수와 정착길이

* f_y = 400 MPa의 경우 갈고리철근의 기본 정착길이는 아래 식을 이용한다.

갈고리철근의 기본 정착길이는   



 __

(7.9)

식 (7.9)에 의한 기본 정착길이에 표 7.3의 보정계수를 곱한 정착길이 l_dh를 사용한다.

(단 l_dh ≥ 8d_b , 15cm )

A. 갈고리 철근의 기본 정착길이l_hb

f_y= 400MPa ^{   }



 __

B. 보정계수

f_y= 400MPa이외의 철근 

_

D35이하 철근에서 갈고리 평면에 수직한 피복두께가 70mm 이 상인 경우

90°갈고리이고, 갈고리를 넘어선 부분의 철근 피복두께가 50mm 이상인 경우

0.7

D35이하의 철근에서 갈고리를 포함한 전체 정착길이l_dh구간에 3d_b이하의 간격으로 띠철근 또는 스터럽이 둘러싼 경우(갈고 리 철근의 순피복두께가 70mm이하는 보정계수 사용불가)

0.8

f_y가 되는 정착길이를 요구하지 않는 단면에서 휨철근이 소요 철근량 이상 배근된 경우

소요 철근량 배근 철근량

그림 7-13 철근의 절단

[철근 절단의 고려사항]

1. 전단력이 큰 구간에서 철근이 절단되면 응력집중현상이 발생 – 여분의 길이 필요

2. 최대 휨모멘트로부터 충분한 정착길이 필요 – 여분의 길이 d 나 12db이상

● 특별한 조건(p.224)을 만족시키 지 않는 한 인장영역에서는 철 근을 절단하지 않는다.

그림 7-14 철근의 절단점

7-5-3 복부철근(스터럽)의 정착

7.6 철근의 이음

․ 제작과 운반의 제한으로 인해 철근은 한정된 길이로 생산 → 이음이 필요

․ 시공의 편의상 철근의 이음을 두는 경우도 있다. (기초에 기둥철근을 배근시 장부 철근을 사용하는 경우)

․ 이음의 종류 : 기계적 이음 : 용접, 커플러, 쐐기형 Sleeve 등 겹침이음

․철근의 이음은 힘의 전달이 연속적이고 응력집중이 일어나지 않도록 하며, 응력이 작은 곳 에서 엇갈리게 이음을 둔다.

․기계적 이음으로 할 때에는 철근의 응력이 1.25 f_y 이상 발휘될 수 있는 완전한 이음으로 하여야 한다.

․겹침이음은 두 철근의 겹침길이를 충분히 하여 원래 철근의 힘이 콘크리트의 부착 응력에 의하여 이어지는 철근으로 전달되도록 하는 이음방법이다.

․D35를 초과하는 철근의 이음은 겹침이음으로 하지 않는다.

․겹침이음시 이음되는 부위의 두 철근의 간격 : ld(겹침이음길이)/5 그리고 150mm 이하

ld

․다발철근을 겹침이음할 때 이음길이는 개별철근의 겹침이음길이를 기본으로 정하며, 다발철 근의 정착길이에 준하여 겹침이음길이를 증가시킨다.

7.6.1 인장철근의 이음

․인장철근의 겹침이음에는 철근의 최대 인장력 A_bf_y을 콘크리트의 부착응력으로 지지할 수 있는 겹침길이가 확보되어야 한다.

․인장철근의 겹침길이는 인장철근의 정착길이 l_d의 항으로 나타낼 수 있다.

․인장철근의 겹침이음은 소요겹침길이 내에서 (이음철근/전체철근, 사용철근량/소요 철근량) 에 영향에 의해 A급과 B급의 2등급으로 나눈다.

(1) 최소 겹침이음길이

• A급 이음 : 1.0ld

• B급 이음 : 1.3ld

여기서, ld : 인장을 받는 이형철근의 정착길이 (기본정착길이 × 보정계수)

B급 이음 A급 이음

겹침길이

Abfy

Abfy

100

50

0 25 50 75 100 겹침길이 내의 이음철근(%)

이음철근 응력/fy (%)

(2) 겹침이음의 분류

사용철근량 소요철근량

겹침길이 내에서 전체철근량에 대한 이음철근량

50% 이하 50% 초과

2 이상 A급 B급

2 미만 B급 B급

(a) 철근의 겹침길이

(b) 이음의 형태

7.6.2 압축 철근의 이음

• 압축을 받는 철근의 힘 전달 = 콘크리트와의 부착 + 철근단부의 지압

• 쪼개짐이 발생하지 않고 철근단부의 지압으로 인해 압축철근의 이음길이는 짧음

• 철근단부의 지압 : 폐쇄스터럽이나 나선철근이 증가할수록 증가하지만 피복두께의 영향은 거의 없음

(1) 겹침이음길이

_





_

 



• fy ≤ 400MPa인 경우 : 0.072fydb

• fy ＞ 400MPa인 경우 : (0.13fy－24)db

단, fck＜ 21MPa인 경우는 상기의 이음길이를 ⅓ 증가시킴