배근 기초-정착의 개념

콘크리트구조 설계기준 KDS 14 20 52 콘크리트구조 정착 및 이음 설계기준의 첫머리에는 다음과 같이 규정되어 있습니다.

"철근콘크리트 부재 각 단면의 철근에 작용하는 인장력 또는 압축력이 단면의 양 측에서 발휘될 수 있도록 묻힘길이, 갈고리, 기계적 정착 또는 이들의 조합에 의하여 철근을 정착하여야 한다. "

 

정착은 기둥 및 벽, 보, 슬래브 등 콘크리트 개별 부재에서 힘을 전달하고자 하는 부재로 철근을 묻어서 힘을 전달하는 것을 말합니다. 예를 들어 보의 경우 휨모멘트가 작용하면 기둥과 면한 보의 상부에는 인장력이 작용하고 하부에는 압축력이 작용합니다. 따라서 보에 작용하는 휨모멘트를 기둥에 전달하려면 상하부 주근이 기둥에 매립되어야 합니다. 콘크리트는 인장력에 약하기 때문에 인장력을 받는 상부근을 기둥에 충분히 묻어야 기둥으로 힘을 전달할 수 있습니다.

보의 상하부 주근은 기둥에 정착되어야 한다.

 

기둥 철근도 마찬가지입니다. 건축물에 지진이나 바람 같은 수평하중이 작용하면 옆으로 전도되는 힘이 작용하기 때문에 기둥에 인장응력이 발생할 수 있습니다. 인장력이 작용하면 기초와 접합된 기둥 철근을 뽑는 힘이 작용하게 되기 때문에 기둥의 주근은 기초에 충분히 매립되어야 뽑히지 않습니다.

 

기둥의 주근이 기초에 정착(매립)되어 있다.

 

정착은 힘을 전달하고자 하는 부재 안으로 충분히 매립하는 것이 중요합니다. 충분히 매립되어야 철근에 인장력이 작용하더라도 뽑히지 않고 버틸 수 있습니다. 따라서 정착길이(Ld : development length)는 "위험단면에서 철근 또는 긴장재의 설계기준항복강도를 발휘하는 데 필요한 최소 묻힘 길이"로 정의됩니다.

 

정착길이의 산정

정착길이는 철근이 힘을 받을 때 미끄러짐 변형이 없이 항복강도에 이르기까지 응력을 발휘할 수 있는 최소길이로 정의됩니다. 정착길이를 어떻게 산정하는지 살펴보겠습니다.

 

정착길이는 콘크리트에 매립된 부분이 저항할 수 있는 힘과 이 철근을 뽑아내려는 힘의 균형으로부터 구할 수 있습니다.

 

정착길이의 계산

 

콘크리트에 매립된 부분에는 철근 단면 주위로 평균부착력(μ)이 작용합니다. 따라서 매립된 부분의 내력을 계산하려면 콘크리트가 붙잡고 있는 철근의 표면적에 평균부착력을 곱해서 계산할 수 있습니다. 

 

정착길이는 항복강도에 이를 때까지 뽑히지 않아야 하기 때문에 철근을 뽑아내려는 최대의 힘은 철근의 단면적에 설계기준 항복강도를 곱해서 계산할 수 있습니다. 따라서 인장 정착길이는 단면적 Ab인 철근에 외력 Ab × fy가 작용하여 파괴에 도달했을 때, 극한 부착응력을 고려한 내력(π × db × ld × μ)이 평행상태를 이루는 조건으로 풀어냅니다.

 

 

이렇게 풀어낸 결과를 보면 정착길이에 영향을 미치는 중요한 요인들을 알 수 있습니다. 아래 식을 이용해서 매번 계산하기가 번거롭기 때문에 실무에서는 표를 이용하지만, 식의 기본구조는 기억해두시는 것이 좋습니다.

K는 철근이 배치되는 여러가지 요건을 감안해서 결정하게 됩니다. 이 K값 때문에 정착길이 계산이 복잡해지는데 이 K값을 제외하면 철근의 공칭지름, 철근의 설계기준 압축강도, 콘크리트의 설계기준 압축강도가 영향을 미치는 것을 알 수 있습니다.

 

우선 분자에 있는 항목을 보면 철근의 공칭지름과 설계기준 압축강도가 있습니다. 즉 철근을 굵은 것을 쓸 수록 정착길이를 길게 해야 합니다. 그리고 철근의 항복강도가 클수록 정착길이를 길게 해야 합니다. 정착길이를 계산할 때 적용해야 되는 지름은 공칭지름입니다. 그러나 매번 공칭지름을 확인하기가 번거롭기 때문에 호칭지름을 사용할 수 있도록 규정되어 있습니다.

 

또 분모에 있는 항목을 보면 콘크리트의 설계기준 압축강도의 제곱근이 있습니다. 즉 압축강도가 높은 콘크리트를 사용할수록 정착길이를 줄일 수 있습니다. 콘크리트 압축강도가 높으면 철근을 더 꽉 붙잡을 수 있겠죠?

 

철근의 정착길이를 산정할 때는 인장력이 작용하는지 압축력이 작용하는지 우선 따져야 합니다. 대부분의 경우는 인장력이 작용하는 것으로 보기 때문에 인장을 받는 이형철근의 정착길이 계산이 중요합니다. 우선 인장력을 받는 이형철근을 정착하는 방법을 구분해서 적용하는 것이 중요합니다.