철근 강도 설계법

1.극한강도설계법의 개념



지구상에 존재하는 부재설계방법은 허용응력도 설계법,극한강도설계법.한계상태설계법 의 세가지뿐입니다.

전에는 우리나라에서 허용응력도 설계법을 많이 사용했지만 현재 대부분이 사용하는 극한강도설계법의 특징을 간략히 설명하면



첫째 확률의 개념이 도입되었고,

둘째 재료가 파괴될 때가지의 최대 능력을 설계에 반영하

였다는 것이며, 허용응력도설계법을 개선 발전시킨

설계법이라는 것이다.



즉,허용응력도설계법에서는 재료에 안전계수를 곱하여 안전성을 확보하였다면 극한강도설계법에서는 하중에는 하중계수를 곱하여 확률적으로 하중을 크게보고, 부재의 강도는 최대강도를 그대로 계산하여 적용하는 대신에 강도저감계수를 적용 하도록 하고있습니다.

그에따른 공식을 보면



외력(1.4*고정하중+1.7*적재하중)< 내력￠ (fck,fy)



여기서 ￠는 부재의 강도저감계수 이다.

설계계산의 불확실성,재료강도및 치수의 오차,제작시공기술의 오차 등으로 인해발생할수 있는 강도의 저감요인을 보정하기 위하여 적용한것이다.

기준에 의하면 휨에는 0.9, 압축에는 0.7 등을 적용하며,사용되는 부재의 중요도와 파괴 양상을 고려하여 조금씩 달리 적용되도록 하고 있다.

fck-콘크리트압축강도, fy-철근의 항복강도 는 어떠한 보정계수도 적용하지 않는다는 특징있다.



한계상태 설계법은 우리나라에서는 사용되고 있지 않으므로 자세한 내용은 모르셨도 생각되며, 간단히 설명하면 극한강도설계법에서 일부 도입되었던 확률개념을 전적으로 도입한 일종의 확 률설계법이다.

허용응력도 설계법,극한강도설계법보다 가장합리적이고 발전된설계법입니다.



2.극한강도설계법의 특징



극한강도설계법의 특징을 다시 논하면 예전에 사용하였던 허용응력도설계법과 다른 특징을 말하는것이 이해가 빠르겠다.



1) 정착과 이음이 놀리적인 근거에 의거 대단히 복잡하

게 정차. 이음길이를 정하고 있다.

2) 균열,처짐,수축및 온도철근 등 사용성과 내구성에 대

한 기준을 명백히 하고 있다.

3) 내진규정을 적용한다.

4) 콘크리트의 소성범위를 계산에 반영한다.

5) 경량큰크리트,고강도 콘크리트,프리케스트 콘크리트,용

접철망 등 다양한 재료에 대한 규정 을 하고 있다.



지금까지는 극한강도 설계법에 대한 계략적인 내용이며 현장및 설계사무소 에서 실질적 필요한 철근의 이음및 정착 에 대한 내용을 말해보겠습니다.



3.극한강도설계법의 철근정착



1) 인장철근 정착



인장은 40d,압축은 25d 가 기본이 되는 허용응력설계법에서의 이음과 정착길이를 극한강도 설계법 에서도 이정도의 값을 기준으로 누군가가 연구를 해서 보정해야 할 몇가지 를 첨가한 것으로 바뀌 었다고 보면 극한강도 설계법의 정착과 이음을 쉽게 접근할수 있을것입니다.

이음은 정착과 같은 논리이기때문에 거의 같은식이 적용되므로 우선 인장철근의 정착부터 말하겠습니다.



인장철근의 기본정착길이 (basic developementlength)



Ldb = 0.152 db*fy /√fck



db: 철근의 공칭지름(bar diameter)

fy: 철근의 인장강도

fck: 콘크리트의 압축강도



위의 기본정착길이에 보정해주어야 하는것이 네가지가 있다



인장철근의 정착길이--1(보,기둥,슬라브)



Ld = 0.152 db *fy / √fck *α*β*r*λ



첫번째 보정계수 α는 상부철근에 대한 보정계수이다.



30cm 이상의 위체에 있는 상단철근은 그하부에 빈공간이 발생할수 있어철근을 잡아주는 부착력을 확보하려면 콘크리트의 두께를 보정하기 위해 정착길이를 더길게 해주어야 한다는 개념이다.

30cm이상의 콘크리트위에 위치한철근 즉,보의 상부철근,30cm 이상되는 슬래브의 상부철근 은 1.3배 더 길게 정착하도록 보정하면된다.



두번째 보정계수 β는 철근의 규격에 대한 보정이다.



즉 D25 2개와 D13 8개는 철근의 단면적은 같으나 콘크리트 와 접하는 표면적은 다르다.

정착은 철근 표면적의 부착응력으로 저항하는것이므로 즉 부착력으로 결정되는 정착능력은 굵은 철근보다 가는 철근이훨씬 더 크다.

이것을 단순화하여 보정한것이며, 19mm 이하와 22mm 이상으로 구분하고 굵은 철근을 1.25 배 더길게 정착 하도록 보정한것이다.



셋째 r 은 에폭시 도막계수 이므로 건축공사에 서 많이

쓰이지 않으므로 고려하지 않아도 된다.



넷째 λ 은 경량콘크리트 계수이므로 또한 고려하지 않아도

된다.



그럼 첫째와둘째의 보정계수만 알면된다고 봅니다.

위의 기본정착길이에 두 가지의 보정계수를 보정하는 식은 보와 기둥 및 내력벽에 적용하면 되고, 슬래브의 겨우는 위의 식을 적용해도 되고 또다른식 적용할수 있도록 1999년 개정 콘크리트 구조 설계기준과 2000년 발행된 그예제집에서 정하고 있습니다.

슬래브의 경우는 철근간의 간겨과 피복의 크기를 변수로 하여 정착길이를 조정할 수 있도록 하였 습니다.

즉 보와 기둥보다 길이를 짧게 할수 있는 식이 제안되어있어 통상 슬래브는 이를 적용하여 얻은 정착길이를 사용하게 됩니다.



인장철근의 정착길이-- 2(슬라브)





0.285 db*fy α*β*r*λ

Ld = ----------- * ---------

√fck C+Ktr

------

db





이식은 복잡하게 되어 있지만 위식에서

철근의 위치계수 α, 철근의 굵기계수 β

는 앞에서 설명한 두가지 보정계수와 그맥락이 같으며



① α 는 상부철근 1.3

기타철근 1.0 을 적용하며,



② β 는 D19 이하의 철근으로 0.8을 적용한다.



③ 나머지는 에폭시 도막계수,경량콘크리트계수는 건축공

사에서 많이 쓰이지 않으므로 무시한다.



④ 또한 횡철근계수 Ktr=0 으로 놓으면

(tr=0으로 놓은 것은 콘크리트 구조설계기준에서도 단순

화하기 위해 가능하도록 제안하고 있다)



위 보정을 적용하면





0.228 db*fy db

Ld = ------------ * ----- 가된다.

√fck C





⑤ C 는 철근중심간의 거리 의 1/2 과 철근중심과 콘크리

트 최외부까지의 거리중 작은값을 취하도록 되어있다.



그럼 기둥,보의 정착길이 공시과 비교하면 슬래브 정착길이의 산정공식은 약 60%정도가 된다.

그이유는 슬래브의 경우는 보나 기둥의 철근처럼 조밀하게 배치되지 않기 때문에 기본정착길이를 적용하는 것보다 훨씬 짧아진 길이를 사용할수 있게된다.

그러나 어떤경우이든 인장철근의 정착 길이는 30cm 이상이어야 한다고 제한하고 있다.

슬래브 철근이라도 철근의 굵기가 D19 이상이면 정착길이가 슬래브식이 보 기둥식보다 더 길어지므로

그때는 보,기둥식을 선택할수 있다.(인장철근정착길이-1)





지금까지 보,기둥, 슬래브의 극한강도설계법의 철근정착길이에대한 내용을 이해하리라 생각됩니다.

또한가지 인장철근정착길이 산정에서 보는 대부분의 표준갈고리를 갖게 시공됩니다.

정착되는 기둥의 크기가 한계가 있으므로 보의 철근을 직선으로 정착할수 없기 때문이거든요

따라서, 지금 말하는 공식 즉 표준갈고리를 갖는 인장철근의 정착길이가 일반적으로 더많이 사용되고 있습니다.





표준갈고리의 인장철근 기본정착길이--3



Lhd = 0.076 db *fy /√fck



즉, 인장철근의 기본정착길이에 정확히 1/2 길이이다.

여기서는 보정계수를 한가지만 고려하며 된다.



표준갈고리의 인장철근 보정



콘크리트의 피복두께가 갈고리평면에 수직방향인 측명의 피복두께가 7cm 이상이며, 90도 갈고리에 대해서는 갈고리를 넘어선 부분의 피복두께가 5cm이상인 경우 0.7 을 곱하여 보정할수 있습니다.

(이부분은 그림으로 표현하면 이해가 잘되는데 한마디로 보의 절단면 을 봤을때 직사각형이잖아여 그부분의 측면 표준갈고리 피복두께가 7cm 의미이고, 보를 옆에서 봤을때 입면이라고 할수 있는 부분에서 표준갈고리의 피복두께가 5cm 입니다. 기둥외각과 표준갈고리 정착 표면과의 거리 라고도 말할수 있습니다.)

대부분 표준갈고리 정착길이의 보정계수를 적용하는 정착이 이루어집니다.



이부분에서 주의 하여야 할사항은 표준갈고리 정착길이(Ldh)는 곡률을 포함된길이이며,갈고리 길이는(12d또는 4d)철근의 곡률을 제외한 길이라는 것입니다.

따라서 갈고리의 실제길이는 곡률에 의해 계산된것을 포함해야 합니다.

그외의 보정규정으로 띠철근과 스트럽,소요대비 배근철근량, 경량콘크리트, 에폭시 등의 보정은 일반적인 사항이 아니므로고려 하지 않아도 될것입니다.



ex) 표준갈고리 인장철근정착길이 산정 (D25-표준갈고리

90도-12d)



Ldh:표준갈고리정착길이 =(Lhd:보정한정착길이)350mm

+ (갈고리 12d)300mm

+ (곡률에의한계산값) mm





2) 압축철근 정착



압축철근의 정착에대해 알아보면 압축철근의 정착은 특별한 보정없이 간단하게 사용할수 있다.

또한 표준갈고리도 유효하지 않다고 정하고 있다.

인장철근과 달리 압축철근의 정착은 철근 단부의 지압저항 부분이 큰 역할을 하기때문일것이다.



압축철근의 정착길이



Ldb = 0.08 db*fy /√fck



이것을 fy= 4,000kg/cm2 ,fck=240kg/cm2 을 적용하면 20.6d 가된다.

예전에 많이 사용하였던 25d 보다 20% 정도 줄어든 길이가 된다.



4.극한강도설계법의 이음



지금까지는 정착의 내용이었고 이음에 대한 내용을 살펴보면 인장철근의 이음길이 이음길이는 앞에서 정해진 정착길이를 그대로 적용하면 됩니다.

즉, 기본정착길이에 세가지의 보정을 고려한 것을 그대로 사용하되 이음이므로 이음의 보정을 해줘야 합니다.



1) 인장철근의 이음 및 보정



A급이음 B급이음으로 구분한다.

A급이음 : 소요겹침 이음길이 범위내 이음된 철근량이 전

체철근량의 1/2 이하인경우 (반수이음)

B급이음 : A급이음에 해당되지않는 경우 (전수이음)

이경우 이음길이를 1.3배 더길게 해주어야 된

다.



즉, 인장이음을 한곳에서 모두 이어줄 경우 철근이 끝나는 부분에서 횡 균열이 발생한다는 연구결과 에 따라 보정하는 것이다.



2) 압축철근의 이음길이



압축철근의 이음길이는 인장이음과 는 달리 정착길이와 다른식을 적용하도록 되어있다.



Ld = 0.0072 fy db (fy≤ 4,000kg/cm2)

Ld =(0.013 fy-24)db (fy > 4,000kg/cm2)



통상 fy= 4,000 kg/cm2을 사용한다고 보았을 때 0.0072 fy.db 는 29D 가 된다.

예전에 통상 적용하였던 25d 보다는 약 20% 더 긴 이음길이를 사용하게 된다.



5. 결론



이상으로 극한강도설계법에서의 철근의 이음.청착길이를 정리해보았습니다.

우리나라에서 기준으로 쓰고 있는 이음정착에 대한 내용은 미국의 ACI 기준을 그대로 원용한 것입니다.

그런데 그내용이 너무 어렵게 번역되고 풀이 되어 구조기술자들도 이해하기 가 힘들다고 합니다.

이것을 우리나라 실정에 맞게 단순화하고 쉽게 정한 기준으로 재편집하는 것을 대한건축학회에서나 한국콘크리트학회에서 시도해주었으면 좋겠습니다.

몰론 상세한것을 알려면 ACI 원전 또는 번역판을 볼수도 있을 것입니다.

미국 기준을 그져 따라할 것이 아니라 그 놀리가 기술자들에게 쉽게 습드될수 있도록 정립된다면 그자체가 기술발전이 아니겠습니까.



지금까지의 내용의 일부는 '건축시공이야기' 시리즈에서 발최하고 제가 각색한내용이므로 현장에서나 설계사무소에서종사하는 엔지니어 분들에게 도움이 됐기를 기원합니다.
[출처] 강도설계법|작성자 호프만