철근콘크리트 부착

왜 배우는가: 철근콘크리트는 철근과 콘크리트가 하나의 부재로 거동해야 성립한다. 부착은 그 합성거동을 만드는 기본 작용이어서 정착길이, 이음, 균열 제어 규정의 바탕이 된다. 시험에서는 부착의 정의, 종류, 파괴 형태와 함께 묶여 자주 묻는다.

출제 이력: 제139회 4교시 6번, 제123회 3교시 4번, 제113회 1교시 12번, 제93회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

부착은 철근과 콘크리트 접촉면에서 힘을 주고받아 두 재료가 함께 변형하도록 하는 저항 작용이다.

핵심 키워드

• 부착응력
• 부착강도
• 기계적 부착
• 정착길이
• 겹침이음
• 뽑힘 파괴
• 쪼갬 파괴

답안 첫 줄에는 정의 문장을 쓰고, 이어서 부착의 성분, 파괴 형태, 정착과 이음 규정을 키워드 순서대로 배치한다. 키워드마다 어떤 물음에 대응하는지 알아 두면 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제를 같은 틀로 정리할 수 있다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 철근은 콘크리트 속에 묻혀 있어 잡아당기면 빠져나오려 한다. 이때 콘크리트가 철근을 붙잡는 힘이 부착이다. 철근이 빠지지 않아야 두 재료가 같은 양만큼 늘어나고 줄어든다.

정식으로는 부착(bond)을 철근과 콘크리트의 경계면에서 철근이 축방향으로 미끄러지는 것에 저항하는 작용이라고 정의한다. 철근의 인장력이 길이 방향으로 변하면 경계면을 따라 접선 방향 응력이 생기며, 이를 부착응력이라 한다.

핵심 용어는 다음과 같이 푼다.

• 부착응력: 철근 인장력의 길이 방향 변화를 철근 표면적으로 나눈 값이다. 식으로는 다음과 같다.

$\tau=\frac{dT_s}{\pi d_b\,dx}$

τ는 부착응력(MPa), T_s는 철근 인장력(N), d_b는 철근 공칭지름(mm), x는 부재 축방향 거리(mm)다. 분자는 N/mm, 분모는 mm이므로 결과는 N/mm², 곧 MPa 단위가 된다.

• 부착강도: 부착이 깨지기 직전의 부착응력 한계다. 철근의 표면 형상, 콘크리트 강도, 피복두께, 다짐 상태에 따라 달라진다. 콘크리트 압축강도가 커지면 부착강도도 커진다.

• 기계적 부착: 이형철근의 리브가 콘크리트와 맞물려 생기는 저항이다. 표면이 매끈한 원형철근보다 이형철근의 부착강도가 큰 이유가 여기에 있다. 녹이 약간 슨 철근은 표면이 거칠어져 부착이 조금 증가한다.

부착응력은 철근 응력이 가장 빠르게 변하는 곳에서 가장 크게 나타난다. 단순보에서는 지점 부근, 연속보에서는 반곡점 부근이 대표적이다. 이 지점에서 부착응력이 한계를 넘으면 콘크리트가 파쇄된다.

부착응력이 한계를 넘으면 콘크리트가 파쇄되어 취성 파괴로 이어질 수 있다.

3. 등장 배경과 필요성

콘크리트는 압축에는 강하지만 인장에는 거의 저항하지 못한다. 인장강도는 압축강도의 1/10 안팎 수준이다. 그래서 인장이 생기는 부분에 철근을 넣어 두 재료의 장점을 결합한다. 이 구조가 철근콘크리트다.

두 재료가 하나로 거동하려면 힘이 경계면을 건너야 한다. 이 전달 기능이 부착이며, 철근콘크리트를 합성구조로 성립시키는 기본 조건이다. 부착이 없으면 철근은 콘크리트 속에서 미끄러져 보강 효과를 잃는다.