인장 이형철근의 정착길이

KDS 14 20 52에서는 인장력을 부담하는 이형철근의 정착길이를 두 가지 방법 중 하나를 사용할 수 있다고 규정하고 있습니다. 보통 간편식과 상세식이라고 구분합니다. 여기서는 간편식을 살펴보겠습니다. 상세식은 간편식을 이해하신 후에 참고하시기 바랍니다.

 

철근은 주로 인장력을 부담하기 때문에 콘크리트 속에서 뽑히지 않도록 충분히 정착하는 것은 중요한 문제입니다. 여기서 중요한 것이 어느 정도 콘크리트 속에 묻어야 뽑히지 않는가를 정하는 것인데, 구조설계기준에서 제시하는 식이 조금 복잡해서 헷갈리는 경우가 많습니다. 우선 명심해야 할 것은 표준갈고리를 만들어 정착할 때와 그렇지 않을 때를 명확히 구분해야 합니다. 

 

현장에서 작업하기에는 철근을 구부리지 않고 콘크리트에 매입해서 정착하는 것이 가장 수월할 것입니다. 인장 이형철근의 정착길이는 이렇게 콘크리트에 매입하는 부분의 전체 길이를 정착길이로 산정하는 것이 기본입니다. 그런데 뒤에 보겠지만 이렇게 산정하면 정착길이가 길게 계산됩니다. 따라서 대부분 표준갈고리를 만들어서 정착하게 됩니다. 

 

그런데 표준갈고리를 만들어 정착할 때는 갈고리를 아무렇게나 만들면 안 됩니다. '표준갈고리'라고 해서 형태와 치수가 명확하게 정해져 있습니다. 표준갈고리를 만드는 기준을 반드시 지켜야 합니다. 

 

매입부분의 전체 길이를 정착길이로 산정할 때

우선 위험단면에서 콘크리트 안으로 매입되는 부분의 전체 길이를 정착길이로 산정할 때 어떻게 계산하는지 살펴보겠습니다.

식이 조금 복잡해 보입니다. 이 식 말고 다른 식을 적용할 수도 있습니다. 그런데 이 식이 더 간단(ㅠㅠ)합니다. 식은 두 부분으로 나누어집니다. 앞 부분의 기본정착길이(Ldb; basic development length)와 보정계수(αβγ)를 곱해서 계산합니다. 즉 기본적으로 정착해야 되는 길이가 있고, 그 외에 철근이 배치되는 여건에 따라 길이를 조정(보정)해서 계산한다는 의미입니다. 

 

우선 보정계수를 뺀 앞 부분을 보면 철근의 공칭지름 및, 철근의 설계기준 항복강도, 콘크리트 설계기준 압축강도가 영향을 미치는 것을 알 수 있습니다. 경량콘크리트는 잘 쓰지 않기 때문에 무시하겠습니다.

 

정착길이는 철근의 공칭지름과 설계기준 항복강도에 비례합니다. 즉 굵은 철근을 쓰거나 항복강도가 높은 것을 쓰면 콘크리트 속에 더 깊이 묻어야 안 빠진다는 것이겠죠. 반대로 콘크리트의 압축강도는 제곱근에 반비례합니다. 강도가 높은 콘크리트를 쓸 수록 철근을 붙잡는 힘이 커서 정착길이를 줄일 수 있습니다.

 

이제 보정계수를 감안해야 하는데 이 보정계수가 조금 복잡합니다. 여기서 고려해야 되는 요소는 철근이 배치되는 위치(높이)와 철근의 지름, 에폭시 도막 여부입니다. 일반적으로 건축공사에서는 에폭시 도막 철근은 잘 쓰지 않기 때문에 철근 도막계수는 무시하겠습니다.

 

철근배치 위치계수(α)-상부철근과 일반철근

우선 철근의 위치에 따라 보정해야 되는 값을 보겠습니다. 기둥의 주근이나 벽체의 세로 주근처럼 연직방향으로 세우는 철근은 상관이 없습니다. 보의 주근처럼 수평방향으로 깔리는 철근만 해당되는데, 이 철근이 놓이는 위치가 높으면 정착길이를 더 길게(1.3배) 해주어야 합니다.

 

 

 

 

타설 직후의 콘크리트는 굳지 않은 상태(gel 상태)이기 때문에 재료분리가 일어납니다. 자갈은 무겁고 물이 상대적으로 가볍기 때문에 분리됩니다. 비중이 상대적으로 작은 물(+이물질)이 떠오르는데 이를 블리딩(bleeding: 콘크리트의 재료분리 현상의 일종)이라고 합니다. 이 블리딩 현상때문에 물이 떠오르다가 철근과 만나게 되면 철근에 붙어서 그대로 남게 됩니다. 즉 철근 밑에 빈 공간이 생기게 됩니다. 당연히 콘크리트가 철근을 붙잡는 힘이 약해지겠죠.

 

구조설계기준에서는 콘크리트 저면에서 300mm 이상 위에 묻히게 되는 철근을 '상부철근'이라고 정의하고 하부철근보다 정착길이를 1.3배 길게 하도록 규정하고 있습니다. 그러니까 보 하부근보다 보 상부근은 정착길이를 1.3배 길게 해주어야 합니다.

 

지름 및 조건에 따라

양호한 환경이란 여기서 제가 그냥 쓴 말이고 구조설계기준에서는 '정착되거나 이어지는 철근의 순간격이 db 이상이고, 피복 두께도  db이상이면서 ld(정착길이) 전 구간에 이 기준에서 규정된 최소 철근량 이상의 스터럽 또는 띠철근을 배치한 경우, 또는 정착되거나 이어지는 철근의 순간격이 2db 이상이고 피복 두께가 db 이상인 경우'로 정의되어 있습니다. 어쨌든 정착되는 부분에 철근 순간격을 잘 지키고 피복두께도 잘 지키고 정착하는 구간까지 스터럽이나 띠철근을 배치하면 양호한 환경이라고 볼 수 있을 것 같습니다. 그런데 사실상 이렇게 배치하기는 어렵습니다. 보 철근을 기둥에 정착할 때 기둥 안에까지 스터럽을 배치하면서 정착하는 것은 사실상 무리입니다. 

 

여기서 또 하나 고려해야 할 부분이 사용하는 철근의 지름입니다. 구조기준에서는 D19 이하의 철근을 사용할 경우 양호한 조건에서는 0.8을, 그렇지 않는 조건에서는 1.2를 곱해서 정착길이를 줄일 수 있도록 규정하고 있습니다. 이것은 철근을 붙잡고 있는 콘크리트의 면적이 넓어지기 때문에 그렇습니다.

철근이 가늘면 표면적이 늘어난다.

 

위 그림처럼 D19 철근을 네 개 배치한 것과 D22 철근을 세 개 배치한 것은 단면적이 거의 비슷합니다. 따라서 둘 다 구조적인 성능은 비슷합니다. 그러나 표면적이 꽤 차이나는 것을 알 수 있습니다. D19를 네 개 배치한 것이 원의 둘레길이가 더 늘어나 콘크리트와 만나는 표면적이 증가합니다. 따라서 콘크리트가 더 잘 붙잡을 수 있겠죠.

 

철근의 단면적이 일정할 경우 굵은 철근을 사용하는 것보다는 가는 철근을 여러 가닥 사용하는 것이 콘크리트와 접하는 표면적을 크게 할 수 있습니다. 정착은 철근 표면적에 의한 부착응력으로 지지되므로 가는 철근을 여러 가닥 사용하는 편이 부착력이 더 좋습니다.  실험 결과 D19 이하의 철근을 사용하면 정착길이를 20% 정도 줄일 수 있다고 합니다. 따라서 D19 이하와 D22 이상으로 구분하고 D19 이하 철근을 사용할 경우 0.8을 곱하여 정착길이를 줄일 수 있도록 규정하고 있다.

 

표에서 정착길이 찾기

어떻습니까? 정착길이 식이 꽤 복잡하죠?

 

일단 예를 들어 계산을 한 번 해보겠습니다. 만일 콘크리트의 압축강도가 24Mpa일 때 보 하부근으로 지름 25mm이고 항복강도 400Mpa인 철근을 사용했다면 정착길이를 얼마로 해야 할까요? 기본정착길이만 적용하면 될 것 같습니다.

 

계산 결과는 대략  1,224.7 입니다.

 

예전 허용응력도 설계법에서는 정착길이를 지름의 40배로 했으니까 40 × 25 = 1,000입니다. 허용응력도 설계법보다는 정착길이가 조금 늘어납니다.

 

철근이 배치된 상황을 모두 고려해서 적절한 정착길이를 반영한다는 취지는 이해하지만 이렇게 복잡해서는 사용하기가 어렵습니다. 그래서 구조설계도면 앞쪽 일반주기사항에는 이 값을 표로 정리해서 제시하고 있습니다. 정착길이에 대한 기본 개념을 이해해야하겠지만 사용할 때는 이 표만 잘 읽어내면 됩니다.

 

예를 들어 아래에 있는 표는 항복강도 400Mpa인 철근을 사용했을 때 일반철근 정착길이 값을 계산해서 정리한 표입니다. 상부철근의 정착길이 값은 1.3배를 해야 합니다. 이 값도 별도의 표로 제시합니다.

 

만일 앞에서 제시한 조건(콘크리트의 압축강도가 24Mpa일 때 보 하부근이 25mm이고 항복강도가 400Mpa인 철근)이라면 정착길이는 얼마로 해야할까요?