보강철근 - 원형철근. 이형철근, 이형철근의 공칭지름 및 단면적

안녕하세요.

오늘은 보강철근에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

보강철근(Steel Reinforcement)

 

 대부분의 구조 요소는 전단과 휨 모멘트로 인하여 상당한 인장응력이 발생하기 때문에 보강철근으로 보강하지 않은 콘크리트는 인장강도가 낮아서 취성(brittle) 거동하여 그 적용에 한계가 있다. 강도가 강하고 연성이 있는 철근을 콘크리트에 매립하면 철근이 콘크리트에 강하게 부착하여 인장에 저항하므로 강하고 연성(ductile)이 있는 복합구조재료가 되어 슬래브나 보 또는 기둥과 같은 여러 종류의 구조용 요소에 사용될 수 있다.

 섬유 [강섬유(steel fiber), 탄소섬유(carbon-based, graphite), 유리섬유(glass-based)]나 플라스틱 섬유(plastic filaments) 등도 보강재로 사용되지만, 일반적으로 가장 많이 사용되는 보강재료로는 강재를 사용하며 형태는 봉강[이형철근(SD로 표기, Steel Deformed) 또는 원형철근(SR로 표기, Steel Rounded)]이나 철망(wire mesh) 또는 강선(strand) 등이 있다. 강도(strength)가 높고 연성(ductility)이 크며 강성(stiffness) 이(stiffness) 강한 철근을 콘크리트 속에 매림함으로써 콘크리트의 강도와 인성(toughness)을 증가시킬 수 있다. 보강철근(reinforcing bars)은 또한 크리프를 감소시키고 균열의 폭을 최소화한다. 지름이 작고 길이가 긴 철근은 어떤 형태로든지 성형을 쉽게 할 수 있어서 어떤 형태의 구조물을 건설하는 데도 사용할 수 있다.

 이형철근은 원형 강봉의 표면에 돌기 [마디와 리브(rib, 축선 방향)]를 만들어서 철근과 콘크리트의 접착력을 최대가 되도록 한 철근으로 구조기준 2.2.3(1)에서는 보강용 철근은 이형철근을 사용하여야 한다고 규정하고 다만 나선 철근이나 강선으로 원형철근을 사용할 수 있도록 하고 있다. KS D 3504:2001에서는 원형철근 2종류(SR240과 SR300)와 이형철근 6종을 소개하고 있으나 2011년 개정된 KS D 3504:2011 원형철근에 관한 내용은 삭제하고 SD600과 SD700을 추가하여 이형철근 8종만 소개하고 있다. 철근의 길이는 3.5 m~12m까지 생산되지만, 일반적으로 8m가 표준이 되고 있다.

 

이형철근은 지름과 단면적을 공칭지름과 공칭단면적으로 나타내며, 공칭지름이란 단위길이 당 무게가 이형철근과 같은 원형철근에서의 지름을 공칭지름, 그리고 이 공칭지름으로 계산한 단면적을 공칭단면적이라 한다. 원형철근은 KS D 3051에 규정되어 있고 지름이 6mm~ 42mm(Ø6 ~Ø42)의 종류가 있다. 표에는 설계 시에 적용하기 쉽게 이형철근의 종류와 공칭지름 및 단면적 표가 제시되어 있다. 표에는 KS의 호칭 명인 D10 등의 기호 이외에 미국의 USCU(U.S. Customary Units) 기호로도 표기되어 있다. KS에서 철근의 번호는 mm 단위의 공칭지름을 의미하고 USCU에서는 inch 단위의 공칭지름을 8로 나눈 값을 의미한다.

[표. 이형철근의 종류와 공칭지름 및 단면적]

 SD400(fy = 400 MPa) 고장력 철근과 SD300(fy = 300 MPa) 일반철근의 생산단가가 거의 비슷하여 근래에는 일반철근의 생산이 거의 중지되는 상태라고 한다. 균열의 폭과 처짐량을 제한하기 위해서 응력을 제한하는 경우, 극한 변형률이 작은 항복강도가 낮은 철근을 사용하여야 할 것이다. 2007년도 기준에서 ACI 9.4에 따라 fy ≤ 550 MPa 이하이었던 철근의 설계 기준항복강도 fy는 한국산업표준(Korean Standard, KS)에서 550 MPa의 철근이 존재하지 않아 실효성이 떨어져서 2012년도 구조기준에서는 600 MPa을 초과하지 않아야 한다고 개정하였다. 그러나 구조기준 7.4.1(3) 전단철근, 그리고 구조기준 7.6.1(4) 비틀림 철근에 대한 설계 기준항복강도는 fy ≤ 500 MPa 이하로 취해야 한다고 제시하고 있다. 또한 구조기준 6.4.2(3) 나선 철근에 관한 규정에서는 나선 철근의 설계 기준항복강도는 fy ≤ 700 MPa 이하, 400 MPa을 초과하면 구조기준에서 허용하는 나선 철근의 겹침 이음을 할 수 없도록 제한하고 있다.

 구조기준 21.2.5(2) 내진설계 특별 고려사항에서는 지진력에 저항하는 부재의 철근에서는 제작한 공장에서 계측한 실제 항복강도가 규정 항복강도를 120 MPa이상 초과하지 않아야 하고, 재시험에서 이 값을 20 MPa 이상 초과하지 않아야 한다고 규정하여 철근의 균일한 품질을 요구하고 있다.