철근의 종류와 배근 사례 [건축 RC구조]

RC 구조의 이해

• Reinforced concrete의 역사 및 이해
• 구조체에서의 철근의 역할 이해

건축용 철근의 종류 이해

• 품질표준 - KS D 3504 이해
• 일반사항 - 생산 과정 및 생산 방법 이해
• 일반용 철근 종류 이해
• 특수용 철근 종류 - Bar In Coil

철근의 배근 사례

• 철근 배근을 위한 기본사항 및 3D BIM
• 국내외 철근 배근사례
• 철근 공사 신기술 및 선조립 사례

RC 구조의 이해

• 고대 아치 : 압축력으로 힘을 전달 - 경간(기둥 사이 거리)이 짧음
• 보 구조 : 압축력과 인장력으로 힘을 전달 시멘트 발명, 콘크리트와 철근의 사용으로 경간 증가 가능

• 긴장재(강선, 강연선 강봉)를 이용한 프리스트레싱 기술로 장경간 가능

힘과 응력 - 응력의 정의

• 응력(Stress)
• 단위면적당 힘
• kgf/cm2, tonf/cm2, Mpa(N/mm2)
• 인장력 (Tensile Force)
• 압축력 (Compressive Force) - 축응력
• 전단력 (shear Force) - 전단응력
• 휨모멘트 - 축응력 : 인장응력 + 압축응력

하중과 철근배근.

• 갈고리 정착 - 직선 정착
• 확대머리 철근정착
• 겹침이음

구조부재

• 바닥판(슬래브)
• 작은보
• 큰보
• 기둥
• 기초
• 지반

보(Beam)

• 보의 종류
• 큰보 (Girger)
• 작은보 (Beam)
• 보에서 압축력은 콘크리트, 인장력은 철근이 저항

기둥(Column)

• 기둥에서 대부분의 경우 철근은 압축력을 지지
• 외부 기둥에서는 인장력도 지지
• 콘크리트는 인장력에 취약, 강도가 높은 철근이 인장력을 받도록 함
• 철근이 인장력에 저항할 때, 콘크리트가 철근을 감싸주어서 철근이 충분히 항복할 때까지 뽑히지 않아야 함
• 콘크리트와 철근은 상호 보완 관계
• 부착 파괴 : 쪼깸파괴 (splitting) vs 뽑힘파괴(pullout)

쪼갬파괴 : 부착(마디)에 의해 콘크리트에 유발되는 인장응력

• 조건1. 피복두께가 무한히 크다.
• 조건2. 반력이 정착부에 영향을 주지 않는다.

뽑힘파괴

• 조건1. 피복두께가 무한히 크다.
• 조건2. 반력이 정착부에 영향을 주지 않는다.
• 조건3. 마디 높이가 크지 않다.
• 뽑힘(pullout = shearing) : 마디가 낮고 간격이 좁은 경우, 쪼갬(splitting) 이전에 마디 사이에서 콘크리트의 파괴가 발생하여 철근이 콘크리트에서 뽑힘.
• 피부두께나 횡보강근의 배근으로 성능을 향상시킬 수 없음
• 뽑힘(pullout)이 발생되지 않게 높이와 간격 결정
• 상대 마디 면적(R, Relativ Rib area of reinforcement)개념 도입
• 철근 표준(KS, ASTM,JIS, ISO, EC)에서 마디 높이(hr), 간격(sr), 마디 틈을 규정함

건축용 철근의 종류

• 건축용 철근의 종류 > KS D 3504 > 종류 및 기호
• 이형 봉강 - SD300, SD400, SD500, SD600, SD700, SD400W, SD500W, SD400S, SD500S, SD600S
• 일반용, 용접용, 특수내진용

• SD400 W와 SD500 W에서 치수가 호칭명 D 32를 초과하는 것에 대해서는 탄소 함량 0.25% 이하, 탄소당량은 0.55% 이하로 한다. 또한 SD600 S에서 치수가 호칭명 D 35를 초과하는 것에 대해서는 탄소 함량 0.40% 이하, 탄소당량 0.70% 이하로 한다.
• 질소 결합 원소가 충분히 있을 경우에는 질소 함량이 높아도 좋다.

건축용 철근의 종류 > KS D 3504 > 화학성분

Ceq(탄소당량)

• 합금원소의 영향력을 탄소의 영향력으로 환산한것
• Ceq(%) = C+Mn/6 + (Cr+V+Mo)/5+(Cu+Ni)/15
• 성분을 구성하는 원소의 종류나 양에 따라 CEQ값은 변화
• CEQ값이 높을수록 임계냉각속도와 변태온도(Austenite-Martensite)를 낮춤

C(탄소) 원자번호: 6

• Fe, Cr, Mo, V등과 탄화물을 형성하여 강도를 증대시킴
• 탄화물의 증가에 따라 강도는 향상되나 연성 및 인성은 저하

Si (규소) 원자번호 : 14 

• 경도, 탄성계수, 인장력을 증대하고 연신율, 충격치를 감소시키고 용접성을 감소시킴
• 제강시 탈산제로서 가장 유효 (용강중에 산화물은 Mn산화물과 결합하여 SiO2또는 규산 개재물을 형성, 분리부상이 용이)

Mn(망간) 원자번호 : 25

• 강의 연신율을 감소시키지 않고 소입성과 강도를 향상 시킴
• 고온에서는 소성을 증가시키며 주조성을 좋게 함
• Mn을 합금시 열처리에 민감하지 않아 용접성 구조용 강재로 적당

P(인) 원자번호 : 15

• 경도와 인장강도를 다소 증가시키나 단면수축율을 감소시키고 Fe3P화합물 형성에 의한 충격저항 감소 및 상온취성 유발
• P는 응고시 편석이 심하여 풀림처리를 해도 균질화되지 않고 단조, 압연 등 가공시 길게 늘어나 그 방향으로 연신되어 충격치를 감소시키고 파열의 중심이 됨

S(황) 원자번호 : 16

• 철과 FeS 화합물을 형성하여 고온취성 유발, 강재취화(인장략, 신율, 충격치의 감소) 유발 및 가공시 파괴원인
• 취화방지책 : Mn을 첨가하여 고융점의 MnS를 형성(Mn/S>10관리)

겉모양 및 제조방법

이형 봉강을 가공 없이 기계식 이음을 하기 위한 리브가 없는 나사모양의 철근

• 겉모양 - 이형 봉강의 겉모양은 다음에 따른다.
• 사용상 해로운 결함이 없어야 한다.
• 이형 붕강에서 녹, 겹침, 압연 딱지 및 표면 홈은 철 솔질한 시험편의 무게, 단면적, 치수 및 기계적 성질이 이 표준의 요구에 만족하면 반품의 사유가 아니다.
• 규정하지 않은 표면 결함은 이들을 포함한 시험편이 인장이나 굽힘 요구사항을 만족하지 못 할 경우, 해로운 결함으로 간주하여야 한다.
• 제조 방법 : 이형 봉강은 열간 압력에 의해 제조한다. 

제강공정과 압연공정의 방법이 있다.

에폭시 피복 철근은 정전분체 도장법에 의해 피복한 철근으로 표면에 밀착시킨 도막에 의해 철근의 부식을 억제한다. 높은 내식성을 발휘하여 철근 콘크리트 구조물의 수명 연장에 기여하는 효과가 크다.

철근의 배근 사례

콘크리트 구조물의 철근 구분

• 수평부재 (휨부재,보,슬래브)의 축방향 철근(주철근)
• 수평부재 (휨부재, 보)의 횡방향 철근 (전단철근)
• 수직부재 (기둥)의 축방향 철근 (주철근)
• 수직부재 (기둥)의 횡방향 철근 (띠철근, 나선철근)

철근상세 : 강도 확보를 위한 요건 간격, 피복두께, 철근 구부림 반지름, 정착 길이, 철근 연결, 겹침 이음 길이, 철근 절단 위치 등

• 가공 Process (코일철근- 직선화-절단-가동철근-절곡후 절단)
• 3D BIM - 구조 기준 : 철근 최소 순간 25mm, 기둥 & 보 접합부
• 3D BIM : 기준층 물량분석 & 적산 변환 Model 비교 - 벽체
• 3D BIM : 기준층 물량분석& 적산 변환 Model 비교 - 슬라브
• 적산물량 : 일반정착길이 적용 / 물량분석 : 표준갈고리 정착 적용
• 3D BIM : 기준층 물량분석& 적산 변환 Model 비교 - 계단
• 표준갈고리 정착정용으로 길이 감소
• 연속보강근 - 나선구조 연속형태

PSRC개요

• 철근 및 L형강을 공장 선조립하여 강구조화(철골공사화)한 공법
• 강구조 제작, 세우기 절차와 동일
• PSRC 장점
• 전 부재의 공장조립에 의한 품질확보 및 공기단축
• 시공시 휠내력에 강하며 자립성 및 수직도 우수
• 거푸집설치 시 피복두께 균일하게 유지
• SRC대비 공사비절감 가능
• 공장제작에 의해 현장시공의 단순화 및 현장정돈 용이 (철근공정 삭제)

• 철근 접이식 선조립 공법
• 확대머리 철근
• PC접합부, 철근이음용, 철근 선조립