내진갈고리

왜 배우는가: 내진설계에서는 지진 시 기둥과 보 단부의 횡방향 철근이 풀리지 않게 정착하는 것이 성능을 좌우한다. 내진갈고리는 이 정착을 맡는 대표 상세라서 내진 관련 문항에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제124회 1교시 13번, 제90회 1교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 내진갈고리는 띠철근·스터럽 단부를 관련 기준이 정한 굽힘각 이상 구부리고 철근 지름에 비례한 길이 이상 연장해 내부 주근을 감싸는 표준 갈고리이다.

핵심 키워드

• 내진갈고리
• 135° 갈고리
• 6db 연장
• 띠철근·스터럽
• 주근 걸림
• 코어 구속
• 콘크리트 박리 방지

위 키워드는 답안의 정의와 원리를 채우는 최소 단위다. 각 키워드는 아래 2절에서 풀이하고, 3절에서는 이 상세가 왜 필요해졌는지 배경을 정리한다. 키워드를 외울 때는 정의 문장의 순서대로 연결해 두면 답안에서 누락이 줄어든다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면, 내진갈고리는 지진으로 기둥과 보가 흔들릴 때 띠철근 끝이 벌어지지 않게 걸어 잡는 장치다. 띠철근이 풀리면 안쪽 주근이 밖으로 휘고, 그 안의 코어 콘크리트가 먼저 떨어져 나간다.

정식 정의는 다음과 같다. 내진설계 부재에서 횡방향 철근의 단부를 관련 기준이 정한 굽힘각 이상으로 구부리고, 그 끝을 부재 내부 방향으로 철근 지름에 비례한 길이 이상 연장하여 주근을 감싸게 한 갈고리를 내진갈고리라 한다. 여기서 db 는 철근의 공칭지름이다.

핵심 용어 풀이

• 정착 파괴: 갈고리 끝이 콘크리트에서 빠져나오거나 끝단 콘크리트가 깨지는 현상이다. 내진갈고리는 이 파괴를 막기 위해 끝을 깊게 묻는다.
• 135° 갈고리: 구부림 각도를 크게 해 끝단이 주근 쪽으로 더 깊이 들어가게 한다. 90° 갈고리보다 반복하중에서 열림이 작다.
• 주근 걸림: 갈고리 끝이 주근을 감싸고 부재 내부로 돌출해야 한다. 횡철근과 주근이 한 덩어리로 거동하게 하는 장치다.
• 코어 구속: 띠철근이 내부 콘크리트를 가둬 압축강도와 변형능력을 높이는 효과다. 갈고리가 풀리면 이 구속 효과가 사라진다.

이 상세의 원리는 두 가지다. 첫째, 갈고리 끝이 주근을 감싸면 횡철근의 인장력을 주근이 받아 띠철근이 벌어지지 않는다. 둘째, 끝을 충분히 연장하면 정착 콘크리트가 응력을 나눠 받아 끝단 파괴가 늦춰진다. 띠철근 단부의 정착이 내진 성능의 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

과거 기둥의 띠철근은 간격이 넓고 90° 갈고리로 정착된 경우가 많았다. 이런 기둥은 저층 반복하중에서 피복이 먼저 떨어지고 띠철근이 벌어져 전단파괴가 먼저 일어난다.

최근 기존 기둥 연구에서도 90° 갈고리 기둥은 내부 횡방향 연결근(크로스타이)의 구속 효과에 크게 의존하는 것으로 보고되었다. 즉 갈고리 각도와 간격이 같아도 구속 상태에 따라 변형 능력이 달라진다. 이 결과는 내진상세에서 갈고리 형상을 명확히 정해야 하는 이유를 보여 준다.

180° 갈고리의 인발 실험 해석에서는 갈고리 곡부의 부착이 인발 저항의 핵심으로 나타났다. 곡부 부착이 떨어진 뒤에는 꼬리 연장부가 응력을 더 많이 받는다. 따라서 연장 길이와 곡부 상세를 함께 규정해야 정착 성능이 확보된다.

국내 표준갈고리 규정도 이 원리를 반영한다. 스터럽·띠철근의 135° 표준갈고리는 D25 이하 철근 6db 이상 연장 이 기준이고, 90° 갈고리는 D16 이하에서 6db, D19 이상에서 12db 연장이 요구된다. 주철근의 180° 갈고리는 4db 이상, 60mm 이상 연장한다.

내진 설계에서는 소성힌지가 생기는 구간의 횡철근을 강화한다. 이 구간에서는 갈고리가 풀리는 순간 코어 구속이 사라지므로, 135° 갈고리와 주근 걸림을 함께 적용해야 한다. 이것이 내진갈고리를 별도 상세로 분리해 규정하는 필요성이다.

다음 단계인 형상과 용도는 4절에서 다룬다.

4. 구성요소·원리·절차

내진갈고리는 횡철근(스터럽, 띠철근, 크로스타이)의 끝을 구부려 만든다. 구성요소는 다음과 같다.

내진갈고리의 원리는 횡구속(lateral confinement)이다. 지진 시 기둥과 보의 코어 콘크리트는 큰 압축과 전단을 받는다. 폐쇄형 횡철근이 코어를 감싸면 압축 콘크리트의 횡팽창이 억제되어 압축강도와 변형 능력이 함께 올라간다. 갈고리가 코어 안쪽으로 꺾여 있어야 횡철근의 장력이 콘크리트에 전달된다. 갈고리가 바깥쪽으로 열린 90° 갈고리는 피복 콘크리트가 먼저 탈락하면 정착력을 잃는다.

내진갈고리의 시공 절차는 다음과 같다.

• 횡철근의 치수와 간격을 설계도에서 확인하고 절단 길이를 산정한다.
• 굽힘 반지름을 지정하고 횡철근 끝을 135° 이상으로 구부린다.
• 연장부 길이를 6db 이상으로 맞추고 코어 안쪽 방향으로 향하게 한다.
• 갈고리가 종방향 철근을 감싸도록 조립하고 고정 간격을 확인한다.
• 콘크리트 타설 시 갈고리 위치가 밀리지 않도록 조임선으로 고정한다.

정착 길이는 표준갈고리 정착식으로 구하며 그 결과는 다음과 같다.

$l_{dh}=\max(8d_b,\;150\,\text{mm},\;\lambda\cdot l_{hb})$

여기서 l_{dh}는 표준갈고리 최소 정착길이(mm), d_b는 철근 공칭지름(mm), l_{hb}는 표준갈고리 기본정착길이(mm), \lambda는 보정계수다. 내진 상세에서는 굽힘각과 연장 길이를 동시에 만족해야 한다.

내진갈고리는 135° 굽힘과 6db 연장으로 코어 콘크리트를 횡구속한다.

5. 관련 법령·기준·표준

내진갈고리의 상세 규정은 건설 설계기준(KDS)의 콘크리트 구조 편 철근 상세 규정에 따른다. 해외에서는 ACI 318의 내진 상세 규정이 같은 개념을 다룬다. 두 기준 모두 굽힘각과 연장 길이를 함께 정한다. 아래 표는 국내 표준갈고리 규정과 내진 상세의 기준값을 모은 것이다.

표의 값은 철근 지름과 항복강도에 따라 달라진다. 내진 상세에서는 굽힘각과 연장 길이를 동시에 만족해야 하며, 한쪽만 맞추면 정착이 부족해진다. 보정계수 0.8은 fy가 550MPa를 넘으면 적용할 수 없다.

설계 적용 전에는 현행 설계기준의 조항 번호와 판본을 함께 확인한다.