압축철근 효과

왜 배우는가: 압축철근은 같은 단면에서 휨강도와 연성을 함께 높이고, 장기처짐을 줄이는 실무 핵심 요소다. 복철근보 설계, 연속보 지점부, 역모멘트를 받는 부재 설계에서 반복해서 쓰이므로 시험에서도 1교시 용어와 2~4교시 논술에 자주 나온다.

출제 이력: 제135회 1교시 5번, 제123회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

압축철근은 보의 압축연단 쪽에 배근하여 압축력을 분담시키고, 휨강도·연성·장기처짐 성능을 높이는 철근이다.

• 압축철근
• 복철근보
• 장기처짐 저감
• 연성 증대
• 스터럽 지지
• 압축철근비
• 유효깊이
• 등가직사각형 응력블록

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 보 위쪽은 눌리고 아래쪽은 당겨진다. 인장철근만 넣은 단철근보는 위쪽 콘크리트 압축능력에 휨강도가 묶인다. 위쪽에 철근을 함께 넣으면 콘크리트가 받던 압축력을 철근이 나눠 받으므로 같은 단면에서 더 큰 모멘트를 버틴다.

정식으로는 압축연단과 인장연단 사이의 압축 측에 배근한 철근을 압축철근이라 한다. 압축철근이 배치된 보를 복철근보라 하며, 압축철근은 설계 휨강도 계산에 압축력 항으로 포함된다. 압축철근의 위치는 압축연단에서 철근 도심까지 거리 d'로 나타내며, d'가 작을수록 압축철근의 응력 효율이 높다.

압축철근의 핵심 용어는 세 가지다. 압축철근은 압축 측 철근 자체이고, 복철근보는 인장·압축 양측에 철근이 있는 보다. 압축철근비는 압축철근 단면적을 유효 단면적으로 나눈 값이다. 콘크리트 압축 극한변형률은 0.003으로 보며, 이 변형률에 이르러 압축부가 파괴된다고 본다.

3. 등장 배경과 필요성

단철근보는 인장철근을 늘릴수록 중립축이 깊어져 압축부 콘크리트가 먼저 한계에 도달한다. 따라서 인장철근량에는 상한이 생기고, 연성파괴를 유도하려면 인장철근량을 줄여야 한다. 이때 휨강도를 더 높이려면 단면 치수를 키우는 방법밖에 없어 설계 제약이 크다.

보 단면 높이가 제한되는 경우가 많다. 건축물의 층고, 교량의 거더 깊이 제한, 기존 구조물의 보강이 그 예다. 이런 조건에서는 압축 측에 철근을 배근하여 같은 단면의 휨강도를 늘리는 방법이 실무적으로 필요하다.

또 하나의 배경은 모멘트 방향 역전이다. 연속보의 지점부는 하중 조합에 따라 정·부 모멘트가 번갈아 나타나고, 지진하중이나 풍하중으로 부모멘트가 반복된다. 이때 인장과 압축 측이 모두 인장을 받을 수 있으므로 양면에 철근을 배치하는 복철근 단면이 필요해진다.

압축철근은 장기처짐에도 관계한다. 콘크리트의 크리프와 건조수축으로 생기는 장기처짐은 압축 측 철근이 콘크리트 변형을 구속하여 줄어든다. 이 효과는 장기 하중이 많은 구조물에서 사용성 검토의 핵심 항목이 된다.

마지막으로 압축철근은 스터럽의 위치를 잡아 주는 역할을 한다. 전단철근을 정위치에 고정하고 콘크리트 압축부의 횡구속을 돕는다. 이는 파괴 때 압축 콘크리트의 취성 거동을 완화하는 효과로 이어진다.

4. 구성요소·원리·절차

압축철근이 들어간 단면은 압축철근(compression reinforcement), 인장철근, 압축블록, 횡방향 철근의 네 요소로 힘을 나눠 받는다. 각 요소의 역할은 아래 표와 같다.

압축철근의 원리는 중립축 위쪽 압축 콘크리트가 받을 힘의 일부를 철근이 대신 받는 데 있다. 단철근보에서는 압축블록 깊이가 커져 콘크리트 압축 부담이 커지지만, 압축철근을 넣으면 같은 모멘트를 더 얕은 블록으로 저항할 수 있다. 이때 압축철근의 응력 상태는 단면 해석에서 확인한다.

블록 깊이와 공칭휨강도는 다음 식으로 계산한다.

$a=\frac{(A_s-A_s')f_y}{\text{등가블록 계수}\,f_{ck}\,b}$

$M_n=(A_s-A_s')f_y\left(d-\frac{a}{2}\right)+A_s'f_y(d-d')$

기호 뜻은 다음과 같다. A_s, A_s'는 인장·압축철근 단면적(mm²), f_{ck}는 콘크리트 설계기준강도(MPa), b는 보 폭(mm), d는 유효깊이(mm), d'는 압축철근 중심부터 압축연단까지 거리(mm)다.

절차는 다음과 같다.

• 계수모멘트와 단면 치수를 정하고 인장철근량을 가정한다.
• 압축철근량을 정하고 압축철근의 응력 상태를 확인한다.
• 압축철근의 응력 상태를 반영하고 블록 깊이 a를 구한다.
• 인장철근과 압축철근의 모멘트 기여분을 더해 공칭휨강도 M_n을 구한다.
• 강도감소계수를 곱해 설계휨강도를 구하고 계수모멘트와 비교한다.
• 횡방향 철근 간격을 정해 압축철근의 좌굴을 막는다.

예제를 본다. 보 폭 b=300mm, d=500mm, d'=50mm, f_{ck}=28MPa, f_y=400MPa, A_s=3,000mm², A_s'=1,000mm²로 둔다.

$a=\frac{(3000-1000)\times400}{\text{등가블록 계수}\times28\times300}$

$M_n=2000\times400\times\left(500-\frac{112}{2}\right)+1000\times400\times(500-50)$

$M_n\approx355.2\times10^6+180\times10^6=535\times10^6\,\text{N·mm}=535\,\text{kN·m}$

공칭휨강도는 적용 기준의 등가블록 계수를 반영해 산정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

휨설계의 기준은 콘크리트구조 휨 및 압축 설계기준(KDS 14 20 20)이다. 이 기준은 콘크리트 극한변형률, 철근 응력, 최외단 인장철근 변형률 한계를 정한다. 압축철근 효과를 계산할 때 쓰는 기준값은 아래 표로 모았다.