철근의 온도, 부착 특성 - 피복두께, 철근의 정착길이, 찢어짐 파괴, 뽑힘 파괴

안녕하세요.

오늘은 철근의 온도특성과 부착특성에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

철근의 온도특성(Thermal Properties of Reinforcement)

 철근의 온도 팽창계수는 실제로는 11.5 x 10^-6℃이지만 보통 설계목적을 위해서 콘크리트와 같은 10 x 10^-6℃를 사용한다. 이형철근이 화재 등으로 인해서 고온에 노출되면 강도를 잃게 된다. 철근 온도가 200℃ 이상 증가하게 되면 강성(stiffness)과 강도(strength)가 상당히 감소하게 된다. 온도가 450℃ 이상 증가하게 되면 항복강도와 극한강도가 상당히 감소하게 된다. 프리스트레싱 강선이나 강봉에서는 고온에 대한 영향이 더욱더 뚜렷하여 온도가 400°C로 증가하면 극한강도는 평온의 극한강도에 비해서 50% 정도밖에 되지 않고 있다. 보강철근에 대한 콘크리트 피복두께의 기능 중 하나가 철근이 직접적으로 화재에 노출돼서 강도를 잃는 것을 방지하고자 하는 것이다.

 구조기준 5.4.6(3)(ACT 7.7.8)에는 내화가 있어야 하는 구조물의 피복두께는 열의 온도, 지속시간, 사용 골재의 성질 등을 고려하여 정하여야 하며, 구조기준 5.4에 제시된 최소 피복두께보다 더 큰 값이 요구될 때는 이에 상응하는 내화성능의 재료나 피복 재료를 사용하거나 피복두께의 값을 증가시켜야 한다고 규정하고 있다.

 

철근의 부착 특성(Bond Characteristics of Reinforcement)

 콘크리트에 매립된 이형철근을 잡아당겨 뽑기 위한 힘은 매립된 길이(embedment length)가 길면 길수록 많은 힘이 필요하게 된다. 따라서 매립 길이가 충분히 길게 되면 철근은 콘크리트에서 빠지기 전의 인장에 의해서 항복하게 될 것이다. 철근에 항복강도가 발달하도록 요구하는 최소 매립 길이를 정착길이(development length)라 한다. 따라서 이 정착길이 ld는 보강철근의 부착 특성에 따라 좌우되게 된다.

 보강철근으로부터 콘크리트로의 힘의 전달은 같이 철근으로부터 방사 방향(radial direction)으로 분포하는 경사압축력에 의해서 전달되며 이런 현상은 1913년 Adams에 의해서 제시되었다. 경사압축력의 방사 방향 분력은 철근을 둘러싸고 있는 콘크리트에 원주 인장응력이 발생하여 균형을 이루게 된다, 이형철근이 둘러싼 콘크리트에 하중을 얼마나 전달할 수 있느냐 하는 능력은 환상의 인장에 의해서 어떻게 파괴가 일어나느냐에 따라 좌우되며, 콘크리트의 피복두께에서 가장 얇은 부분이 먼저 찢어지는 파괴가 일어나게 될 것이다, 그러나 만약에 지름이 작은 철근이 큰 콘크리트 블록에 매립되어 있게 되면 콘크리트에 찢어짐이 일어나기 전에 철근이 뽑히는 파괴가 일어나게 될 것이다.

 1990년도에 발행된 콘크리트 표준시방서(ACT 318-89)에서는 기본 정작 길이(basic development length)를 찢어짐 파괴를 방지하기 위해서는 철근의 단면적을 합수로 표현하였고, 뽑힘 파괴가 일어나지 않도록 하기 위해서는 철근의 지름을 함수로 각각 제시하였다. 2003년 이후에 발행된 구조기준 8.2.2(ACI 12.2.2)에서는 이러한 기본 정착길이를 계산하는데 이 2 기본 파괴 모드를 통합하여 식을 제시하고 있다. 이 식에서 루트 fck로 나누어 주므로 콘크리트의 강도가 증가함에 따라 정착길이가 감소한다는 의미를 포함하고 있다. 그러나 구조기준에서는 콘크리트의 강도가 70 MPa 이상으로 증가한다고 하더라도 정착길이를 감소시키지 못하도록 제한하기 위해서 루트 fck≤8.4 MPa 이하가 되도록 하고 있다. [구조기준 8.2.1(2), ACT 12.1.2]