철근 겹침이음 상세

왜 배우는가: 철근 겹침이음은 철근 길이보다 긴 부재를 만들 때 가장 흔히 쓰는 이음 방법이며, 기둥과 보의 응력이 이음부에서 끊기지 않도록 하는 핵심 상세다. 이음길이가 짧으면 부착 파괴로 성능이 떨어지고, 길면 철근량과 시공 비용이 늘어 설계와 시공을 함께 판단해야 하므로 계산과 서술 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제130회 2교시 3번, 제90회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 겹침이음은 두 철근을 길이 방향으로 겹쳐 놓고 부착으로 응력을 전달하는 철근 이음 방법이다.

• 겹침이음
• 겹침이음길이(ls)
• 부착응력
• 인장 A급·B급 이음
• 압축 겹침이음
• 최소 겹침이음길이
• 띠철근 횡보강

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 철근이 짧아서 한 개로 부재 길이를 채울 수 없을 때 두 철근을 옆에 나란히 겹쳐 묶는 방법이다. 힘은 철근 표면과 주변 콘크리트 사이의 부착으로 한쪽 철근에서 다른 쪽 철근으로 넘어간다.

정식 정의는 다음과 같다. 겹침이음은 두 철근을 서로 겹쳐 배치하고, 겹친 구간의 부착으로 응력을 전달하도록 한 이음이다. 이때 겹쳐진 길이를 겹침이음길이(ls) 라 한다. 겹침이음이 성립하려면 콘크리트가 철근을 충분히 감싸야 하고, 피복과 철근 간격이 확보되어야 한다.

부착이 부족하면 철근이 콘크리트에서 빠져나오는 부착 파괴가 먼저 일어난다. 그래서 이음길이를 응력 크기에 맞춰 충분히 두고, 이음부 주변을 띠철근으로 횡보강한다.

압축 겹침이음은 철근 끝단의 지압 작용이 함께 작용하므로 인장 이음보다 짧게 잡는다. 인장 겹침이음은 응력이 크므로 인장 A급·B급 이음 으로 나눈다. 이음이 한 구간에 몰리지 않고 배근 철근량에 대한 이음 비율이 낮은 경우가 A급이며 1.0ld로 잡는다. 그 밖의 경우가 B급이며 1.3ld로 잡는다. 인장 겹침이음길이는 어느 경우든 최소 300mm 이상이어야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

철근은 제조와 운반 때문에 길이가 제한되므로, 긴 부재를 현장에서 만들려면 철근을 이어야 한다. 기둥 주근이 층마다 이어지는 곳과 보 주근이 기둥을 지나 연속되는 곳이 대표적인 이음 위치다.

국내 철근 이음은 맞대기 용접, 겹침이음, 기계이음의 세 가지로 크게 나뉜다. 직경 16mm 이하의 철근은 겹침이음으로 잇는 경우가 많고, 19mm 이상의 굵은 철근은 가스압접이나 기계이음을 주로 쓴다.

굵은 철근이 등장하면서 접합 작업이 중요한 과제가 되었고, 이에 따라 이음 방법이 다양해졌다. 겹침이음은 별도 장비가 적게 들고 현장에서 바로 쓸 수 있다는 장점이 있다.

반면 겹침이음은 철근량이 늘고, 철근이 조밀하게 배근되어 시공이 어렵다. 굵은 철근을 연결하는 데에는 적합하지 않으며, 고소 부위의 철근 작업은 위험이 따른다. 또한 콘크리트 강도에 따라 이음 품질이 좌우되므로 이음길이를 강도에 맞춰 정해야 한다.

기둥과 보 접합부처럼 응력이 큰 곳에서 이음길이가 부족하면 접합부 파괴가 일어난다. 그래서 이음 위치와 길이를 상세 도면에 명확히 정해야 한다. 겹침이음은 철근 사이의 부착으로 힘을 넘기므로, 부착이 확보되는 길이가 곧 이음 성능이다.

이 배경은 4절 이후의 이음길이 산정과 상세 배근 기준으로 이어진다.

4. 구성요소·원리·절차

겹침이음은 두 철근을 길이 방향으로 나란히 겹쳐 놓고 콘크리트의 부착과 응력 전달로 힘을 잇는 방식이다. 이음부에서는 한쪽 철근의 힘이 부착응력을 통해 콘크리트로 전달되고, 다시 다른 철근으로 옮겨 간다. 따라서 이음길이는 철근이 힘을 전달하는 데 필요한 정착길이와 같은 원리로 정해진다.

겹침이음 길이는 철근 응력을 부착으로 전달하는 데 필요한 길이이며, 응력 크기와 이음 등급에 따라 달라진다.

표는 이음 철근의 역할을 구성요소별로 정리한 것이다. 이음 구간에는 횡방향 보강근이 필요하며, 보강근이 없으면 할렬 균열로 부착이 급격히 떨어진다.

압축철근의 겹침이음은 압축력이 콘크리트 지압으로도 전달되는 점이 특징이다. 이 때문에 인장철근 이음보다 짧게 둘 수 있다. 다만 최소 길이 규정은 별도로 적용된다.

원리는 다음 세 가지로 정리한다.

• 부착 전달: 철근 표면의 마디와 콘크리트 사이 마찰·기계적 맞물림으로 힘을 옮긴다.
• 할렬 저항: 이음 철근 주변 콘크리트가 쪼개지지 않도록 횡방향 보강근이 구속한다.
• 지압 전달: 압축 철근은 이음부 단면의 콘크리트 지압으로도 힘을 나눠 받는다.

절차는 다음과 같다.

• 이음 위치와 이음 종류(압축 이음·인장 이음, A급·B급)를 정한다.
• 철근 직경과 설계기준압축강도, 항복강도를 확인한다.
• 기본 정착길이 l_d를 구하고 이음 종류별 계수를 곱해 이음길이를 정한다.
• 이음 구간 횡방향 보강근의 간격과 개수를 검토한다.
• 이음 위치를 응력이 작은 곳으로 엇갈리게 배치하고, 한 단면의 이음 비율을 확인한다.

인장 이음 길이는 다음 식의 형태로 계산한다. 기호 l_d는 인장 정착길이(mm), \alpha·\beta·\lambda는 철근 위치·도막·경량콘크리트 보정계수이다.

$l_d = \frac{f_y \alpha \beta \lambda}{\lambda \sqrt{f_{ck}}} \, d_b$

인장 이음 길이는 A급 이음에서 1.0 l_d, B급 이음에서 1.3 l_d를 적용한다. 압축 이음은 f_y가 400\,\mathrm{MPa} 이하이면 철근 항복강도와 지름에 비례한 최소 길이 이상이어야 하며, 설계기준압축강도가 21MPa 미만이면 길이를 1/3 증가시킨다. 두 식 모두 최소 길이 300mm 이상을 둔다.

이음 길이의 결정 순서는 다음과 같다. 먼저 설계 응력의 크기로 인장·압축 구분을 정하고, 그다음 A급과 B급 중 하나를 고른다. 마지막으로 최소 길이와 비교해 큰 값을 채택한다.

5. 관련 법령·기준·표준

철근 겹침이음의 기준은 콘크리트구조 설계기준(KDS 14 20 00)과 그 하위의 철근 상세 규정에 있다. 설계기준 체계는 2021년 이후 KDS 체계로 정리되어 있다. 이음 길이 계산과 정착길이 계산은 같은 규정 체계를 공유한다.

표의 값은 철근 겹침이음 규정의 핵심 조건이다. 압축 이음 길이는 철근 강도와 직경으로, 인장 이음 길이는 A급과 B급 계수로 정해진다. 최소 길이 300mm 규정은 두 경우 모두에 적용된다.

관련 기준은 다음 항목으로 함께 본다.

• 인장 정착길이 산정 규정(인장 이음 길이의 기초)
• 90도 표준갈고리 정착 규정(이음 대신 갈고리를 쓰는 경우)
• 부착강도와 철근 간격 규정
• 내진 상세 규정(특수모멘트골조의 이음 위치 제한)

개정 연혁은 설계기준이 KDS 체계로 전환되면서 명칭과 번호가 바뀐 점이 핵심이다. 구 설계기준의 이음 규정은 현행 KDS 규정으로 대체되어 적용된다. 설계 시에는 현행 KDS 규정을 기준으로 삼는다.

6. 유형과 비교

겹침이음은 이음 방식에 따라 기계식 이음, 용접식 이음과 구분된다. 철근 지름, 응력 상태, 시공 여건에 따라 선택한다. 아래 표는 겹침이음과 주요 이음 방식을 비교한 것이다.