9.1 철근의 정착
- 정착의 필요성
철근콘크리트 구조에서 휨응력을 슬래브→보, 작은 보→큰 보, 보→기둥, 기둥→기초 순으로 다른 부재로 전달하기 위해 '철근의 정착'이 필요하다. - 최소 정착길이: 인장철근은 300mm 이상, 압축철근은 200mm 이상으로 규정된다.
- 뽑힘부착파괴: 이형철근의 마디 사이의 콘크리트가 지압파괴되어 철근이 뽑히는 형태. 콘크리트 두께가 두꺼울 경우, 철근 사이의 간격이 넓을 경우, 나선철근이나 띠철근에 의해 횡방향으로 구속되는 경우에 발생한다.
- 쪼갬부착파괴: 피복 두께가 얇거나 철근의 간격이 좁을 경우, 철근의 마디와 리브가 쐐기작용을 하여 균열이 표면까지 파급되는 형태. 일반적으로 보 상·하부의 부착파괴는 쪼갬파괴의 형태를 띤다.
- \(\alpha\) = 철근배치 위치계수
- 상부철근(정착길이 또는 겹침이음부 아래 300mm를 초과되게 굳지 않은 콘크리트를 친 수평철근): 1.3
- 기타 철근: 1.0
- \(\beta\) = 도막계수
- 피복두께가 \(3d_b\) 미만 또는 순간격이 \(6d_b\) 미만인 에폭시 도막 철근: 1.5
- 기타 에폭시 도막 철근: 1.2
- 아연도금 혹은 도막되지 않은 철근: 1.0
- \(\gamma\) = 철근 크기계수
- D19 이하의 철근: 0.8
- D22 이상의 철근: 1.0
- 해석 결과 요구되는 철근량을 초과하여 배치한 경우: \(\frac{\text{소요} A_s}{\text{배근} A_s}\)
- 지름이 6mm 이상이고 나선 간격이 100mm 이하인 나선철근 또는 중심 간격 100mm 이하로 배치된 D13 띠철근으로 둘러싸인 압축 이형철근: 0.75
- 인장 또는 압축을 받는 하나의 다발철근 내에 있는 개개 철근의 정착길이 \(l_d\)는 다발철근이 아닌 경우의 각 철근의 정착길이보다 3개의 철근으로 구성된 다발철근에 대해서는 20%, 4개의 철근으로 구성된 다발철근에 대해서는 33%를 증가시켜야 한다.
- 다발철근의 정착길이 \(l_d\)를 계산할 때 순간격, 피복두께 및 도막계수, 구속효과 관련 항을 계산할 경우에는 다발철근 전체와 동등한 단면적과 도심을 가지는 하나의 철근으로 취급한다.
- 180°표준갈고리: 구부린 반원 끝에서 \(4d_b\) 이상, 또한 60mm 이상 더 연장되어야 한다.
- 90°표준갈고리: 구부린 끝에서 \(12d_b\) 이상 더 연장되어야 한다.
- 90°표준갈고리:
- D16 이하의 철근: 구부린 끝에서 \(6d_b\) 이상 더 연장
- D19, D22 및 D25 철근: 구부린 끝에서 \(12d_b\) 이상 더 연장
- 135°표준갈고리: D25 이하의 철근은 구부린 끝에서 \(6d_b\) 이상 더 연장
- D35 이하 철근에서 갈고리 평면에 수직방향인 측면 피복두께가 70mm 이상이며, 90°갈고리에 대해서는 갈고리를 넘어선 부분의 철근 피복두께가 50mm 이상인 경우: 0.7
- D35 이하 90°갈고리 철근에서 정착길이 \(l_{dh}\) 구간을 \(3d_b\) 이하 간격으로 띠철근 또는 스터럽이 정착되는 철근을 수직으로 둘러싼 경우: 0.8
- D35 이하 180°갈고리 철근에서 정착길이 \(l_{dh}\) 구간을 \(3d_b\) 이하 간격으로 띠철근 또는 스터럽이 정착되는 철근을 수직으로 둘러싼 경우: 0.8
- 전체 \(f_y\)를 발휘하도록 정착을 특별히 요구하지 않는 단면에서 휨철근이 소요철근량 이상 배치된 경우: \(\frac{\text{소요} A_s}{\text{배근} A_s}\)
9.1.1 정착길이 개념
철근콘크리트 구조에서는 슬래브와 보, 보와 기둥 등 부재 접합부에서 휨응력이 인접 부재로 전달되므로, 이를 위해 철근이 충분히 정착되어야 한다. 정착이란 철근이 콘크리트에 충분히 묻혀 부착력을 확보하여 응력을 전달할 수 있는 상태를 의미한다.
Figure 9.1.1a 보-기둥 접합부(joint)에서의 정착길이(development length, \(l_d\))
출처: https://civilengineerfriend.blogspot.com
\[ A_s f_y \leq u_a \cdot l_d \cdot \pi d_b \Rightarrow l_d \geq \frac{d_b f_y}{4u_a} \]
여기서,
\( A_s \): 철근 단면적
\( f_y \): 철근의 항복강도
\( d_b \): 철근의 공칭지름
\( u_a \): 극한 부착응력
\( l_d \): 정착길이 (development length)
극한 부착응력(\( u_a \))은 쪼갬인장강도와 관련을 가지며 \(\sqrt{f_{ck}}\)에 비례하므로, 정착길이는 다음과 같이 산정된다.
(1) 부착파괴의 형태
(출처: 모르타르 충전식 철근이음장치, KR1020040091541A)
(2) 기본정착길이와 정착길이
기본정착길이는 철근의 크기(\(d_b\))와 강도(\(f_y\)), 콘크리트의 압축강도(\(f_{ck}\)) 등 모든 철근콘크리트 부재가 공통으로 가지고 있는 요소들에 의하여 결정되는 정착길이이다.
표준갈고리를 갖지 않는 인장철근의 최소 정착길이(\(l_d\))는 기본정착길이(\(l_{db}\))에 보정계수를 곱하여 구한다.
9.1.2 인장 이형철근의 정착(직선)
4.1.2 인장 이형철근 및 이형철선의 정착
인장 이형철근의 정착길이(\(l_d\))는 다음과 같이 기본정착길이에 보정계수를 고려하여 산정한다. 다만, 이렇게 구한 정착길이 \(l_d\)는 항상 300mm 이상이어야 한다.
정착길이(\(l_d\)) = 기본정착길이(\(l_{db}\)) × 보정계수
기본정착길이(약산식):
\[ l_{db} = \frac{0.6 d_b f_y}{\lambda \sqrt{f_{ck}}} \geq 300\text{mm} \]
정착길이 계산식(상세식):
\[ l_d = \frac{0.90 d_b f_y}{\lambda \sqrt{f_{ck}}} \frac{\alpha \beta \gamma}{\left(\frac{c+K_{tr}}{d_b}\right)} \geq 300\text{mm} \]
(1) 보정계수
| 조건 | D19 이하의 철근 | D22 이상의 철근 |
|---|---|---|
정착되거나 이어지는 철근의 순간격이 \(d_b\) 이상이고, 피복두께도 \(d_b\) 이상이면서 \(l_d\) 전 구간에 최소 철근량 이상의 스터럽 또는 띠철근을 배치한 경우,
또는 정착되거나 이어지는 철근의 순간격이 \(2d_b\) 이상이고, 피복두께가 \(d_b\) 이상인 경우 
|
\(0.8 \alpha \beta\) | \(\alpha \beta\) |
| 기타 | \(1.2 \alpha \beta\) | \(1.5 \alpha \beta\) |
블리딩(bleeding) 현상: 콘크리트 타설 후, 콘크리트 속에 있던 물과 이물질(레이턴스)이 표면으로 떠올라 고이는 현상. 철근이 놓이는 위치가 높으면 블리딩 현상으로 인해 정착길이를 1.3배 늘려야 한다.
9.1.3 압축 이형철근의 정착
4.1.3 압축 이형철근의 정착
압축 이형철근의 정착길이 \(l_d\)는 기본정착길이 \(l_{db}\)에 적용 가능한 모든 보정계수를 곱하여 구한다. 다만, 이때 구한 \(l_d\)는 항상 200mm 이상이어야 한다.
\[ l_{db} = \frac{0.25 d_b f_y}{\lambda \sqrt{f_{ck}}} \geq 0.043 d_b f_y \]
\[ l_d \geq 200\text{mm} \]
인장 이형철근의 기본정착길이에 비해 계수값이 0.6에서 0.25로 정착길이가 절반 이상 줄어든다.
압축철근 보정계수
9.1.4 다발철근의 정착
4.1.4 다발철근의 정착
다발철근(bundled bars)이란 2개 이상의 철근을 묶어서 사용하는 철근을 말한다.
출처: 철근시공 블로그
9.1.5 표준갈고리를 갖는 인장 이형철근의 정착
'인장철근의 정착길이(직선)'를 이용하여 철근의 정착을 할 경우, 보 주근처럼 굵은 철근은 보통 1m가 넘는다. 이렇게 정착하면 철근량이 많아지므로, '표준갈고리'를 만들어 정착하면 더 짧은 길이로 정착효과를 높일 수 있다. 따라서 현장에서는 대부분 '표준갈고리가 있는 인장철근의 정착길이'를 사용한다.
(1) 표준갈고리의 종류
4.1.1 표준갈고리
주철근의 표준갈고리:
스터럽과 띠철근의 표준갈고리:
(2) 구부림의 최소 내면 반지름
| 철근 크기 | 최소 내면 반지름 |
|---|---|
| D10~D25 | \(3d_b\) |
| D29~D35 | \(4d_b\) |
| D38 이상 | \(5d_b\) |
(3) 표준갈고리 정착길이
4.1.5 표준갈고리를 갖는 인장 이형철근의 정착
단부에 표준갈고리가 있는 인장 이형철근의 정착길이 \(l_{dh}\)는 기본정착길이 \(l_{hb}\)에 적용 가능한 모든 보정계수를 곱하여 구한다. 다만, 이렇게 구한 정착길이 \(l_{dh}\)는 항상 \(8d_b\) 이상, 또한 150mm 이상이어야 한다.
\[ l_{hb} = \frac{0.24 \beta d_b f_y}{\lambda \sqrt{f_{ck}}} \]
\[ l_{dh} \geq \max[8d_b, 150\text{mm}] \]
표준갈고리 보정계수
중요: 갈고리는 압축을 받는 경우 철근정착에 유효하지 않은 것으로 본다.
출처: 신현묵 등, 2018
[예제] 9.1
[예제] 인장철근 정착(2022년 건축기사)
인장을 받는 이형철근의 정착길이(\(l_d\))는 기본정착길이(\(l_{db}\))에 보정계수를 곱하여 산정한다. 다음 중 이러한 보정계수에 영향을 미치는 사항이 아닌 것은?
(1) 하중계수
(2) 경량콘크리트 계수(\(\lambda\))
(3) 에폭시 도막계수(\(\beta\))
(4) 철근배치 위치계수(\(\alpha\))
[풀이]
\[ l_d = \frac{0.6 d_b f_y}{\lambda \sqrt{f_{ck}}} \alpha \beta \gamma \]
[답] 1
[예제] 압축 이형철근 정착(2022년 토목기사)
보통중량 콘크리트에서 압축을 받는 이형철근 D29(공칭지름 28.6mm)를 정착시키기 위해 소요되는 기본정착길이(\(l_{db}\), mm)는?
(단, \(f_{ck}\) = 35 MPa, \(f_y\) = 400 MPa)
(1) 491.92
(2) 483.43
(3) 464.09
(4) 450.38
[풀이]
\[ l_{db} = \frac{0.25 d_b f_y}{\lambda \sqrt{f_{ck}}} = \frac{0.25 \times 28.6 \times 400}{1 \times \sqrt{35}} = 483.43 \]
\[ 0.043 d_b f_y = 0.043 \times 28.6 \times 400 = 491.92 \]
따라서 491.92mm 이상이어야 한다.
[답] 1
[예제] 표준갈고리 인장 이형(2022년 건축기사)
표준갈고리를 갖는 인장 이형철근(D13)의 기본정착길이[mm]는?
(단, D13의 공칭지름: 12.7mm, \(f_{ck}\) = 27 MPa, \(f_y\) = 400 MPa, \(\beta\) = 1.0, \(m_c\) = 2,300 kg/m³)
(1) 190
(2) 205
(3) 220
(4) 235
[풀이]
\[ l_{hb} = \frac{0.24 \beta d_b f_y}{\lambda \sqrt{f_{ck}}} = \frac{0.24 \times 1 \times 12.7 \times 400}{1 \times \sqrt{27}} = 235 \]
[답] 4
[예제] 표준갈고리 인장 이형(2021년 건축기사)
그림과 같이 표준갈고리를 갖는 인장 이형철근 D16의 정착길이를 검토하라.
[풀이] 계산 단위: mm
조건: 도막계수 \(\beta = 1\), 경량콘크리트계수 \(\lambda = 1\), D16의 공칭지름 \(d_b = 15.9\), \(f_{ck} = 21\) MPa, \(f_y = 400\) MPa
표준갈고리 기본정착길이:
\[
l_{hb} = \frac{0.24\beta d_b f_y}{\lambda\sqrt{f_{ck}}}
= \frac{0.24 \times 1 \times 15.9 \times 400}{1 \times \sqrt{21}}
= 333 \text{ mm}
\]
D35 이하 철근이고 측면 피복두께가 70 mm 이상인 90° 표준갈고리 조건을 만족하므로 보정계수 0.7 적용:
\[
l_{dh} = 0.7l_{hb} = 0.7 \times 333 = 233 \text{ mm}
\]
최소값 검토: \(8d_b = 8 \times 15.9 = 127.2\) mm, 150 mm 이상이므로 \(l_{dh} = 233\) mm 적용
그림의 확보 정착길이 \(410\) mm \(> 233\) mm 이므로 정착길이를 만족한다.
[답] 만족
