내진용 철근과 TS/YS

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내진용 철근으로 시공하여야 하는 건물 및 그 부재

내진용 철근을 의무적으로 적용하여야 하는 건물 대상이 늘어났다.

과거 기준에서 중간모멘트골조까지 적용범위를 확장시켜 개정하였다. 

건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00) 9.3 및 콘크리트 내진설계기준(KDS 14 20 80) 4.1.5 등에 의하면 중연성도와 고연성도가 요구되는 구조형식인 중간모멘트골조, 특수모멘트골조, 특수철근콘크리트전단벽은 소성힌지구간이거나 연결보에 내진용 철근을 사용하도록 규정하고 있다.

한국구조기술사회 Q&A에서는 필로티구조(정상적인 명칭은 하중전이구조)에서도 중간모멘트골조 이상의 연성상세를 요구하므로 내진용 철근 적용을 권장하고 있다.

 

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내진용 철근을 확인하는 방법

현장 반입되는 철근을 살펴보면 내진용인지 일반용인지 쉽게 구분할 수 있다.

KR은 원산지가 대한민국이라는 표시,

(원산지 표시 예 : 한국=KR,

                      일본=JP,

                      중국=CN,

                      대만=TW 등

                      ISO3166-1 Alpha-2 표기법에 따름)

 

BM(가칭)은 생산회사 표시,

(생산회사 표시 예 : 대한제강=DH,

                         동국제강=DK,

                         환영제강=HY,

                         한국제강=HK,

                         한국철강=HK,

                         현대제철=HS,

                         YK스틸=YK 등

                         국내에는 7개 제강사)

 

19는 철근직경이 19mm라는 표시, 

(철근직경에 따른 호칭명 예 : D10, D13, D16, D19, D22, D25, D29, D32, D35, D38, D41, D43, D51, D57)

 

5는 항복강도가 500MPa이라는 표시, 

(항복강도와 용도에 따른 기호명 예 : SD300, SD400, SD500, SD600, SD700,

                                               SD400W, SD500W,

                                               SD400S, SD500S, SD600S)

 

마지막 종류에서 S는 Seismic의 약자로 내진이라는 뜻이다.

용접용 철근인 경우는 W가 표시되고, 일반용 철근은 이 표시가 없다.

 

위 그림에 표시된 규격의 철근을 구조도면이나 구조계산서에는 SD500S로 표기한다.

 

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내진용 철근의 조건

 

철근콘크리트구조에서 철근의 인장강도(TS)와 항복강도(YS)는 그 부재가 건축구조기술사의 구조설계 의도대로 견디거나 파괴되도록 하기 위해 고려되는 중요한 재료의 기계적 특성 중 하나이다.

최근까지는 항복강도에 대한 인장강도의 비(TS/YS)에 대하여 실무에서는 그다지 특별하게 주목하지 않았다.

우리나라 KDS 기준뿐만 아니라, ACI를 포함한 대부분의 국제적인 내진설계 기준에서도 TS/YS 비율이 1.25 이상이어야 한다고 명시하고 있다. 

 

내진용 철근의 조건은 3가지이다.

1. 실제 인장강도(TS)가 실제 항복강도(YS)의 1.25배 이상일 것.

2. 실제 항복강도가 설계기준 항복강도보다 120 MPa를 초과하지 않을 것.

3. KS규격에서 정하는 철근 규격별로 요구되는 연신율 이상일 것.

 

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일반용 철근을 내진용 철근 대신 사용할 수 없을까?

 

일반용 철근이라 하더라도 국내 기준에는 내진용 철근의 조건 1과 2를 충족한다면 내진용 철근을 대신하여 사용할 수 있다. ACI 등 외국 기준에서는 연신율까지 모두 충족해야 인정된다.

내진용 철근의 수급이 원활하지 않은 경우가 종종 있다. 이러한 불가피한 사정으로 일반용 철근을 내진용 철근 대신하여 사용하고자 한다면 시험성적서(품질검사증명서)를 건축구조기술사에게 제출하여 사용 가능을 검토받으면 된다.

건축구조기술사의 전문적인 판단 없이 현장 책임자가 임의 승낙하는 경우에는 도면대로 정확히 시공하더라도 여러 가지 구조적 문제점이 발생하여 부실한 구조물로 시공될 수 있다.

현장 시공사 또는 감리단은 철근 다발에 묶여있는 태그의 레이들 번호가 건축구조기술사가 검토 시 고려한 시험성적서의 레이들 번호와 일치하는지만 확인하면 된다.

 

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내진용 철근 조건에 대한 전문적 설명

 

왜 TS/YS≥1.25이어야 하는가?

TS/YS는 유럽 실무에서는 변형경화값(Strain Hardening Value)이라고 한다.

철근에 힘이 가해지면 초기 응력-변형 거동은 항복할 때까지 탄성 한계까지는 응력과 변형이 정비례로서 선형 비례한다. 이 항복점을 넘어서면 비선형 구간으로 최종 파단 시까지 비례관계를 가지지 않는다. 이 비선형구간 내에서는 항복점 이후 변형경화구간이라 해서 최대인장강도까지 만큼 추가응력이 발생하여 최대인장강도까지 도달하고, 최대인장강도 이후에는 변형연화구간이라 해서 응력증가없이 변형이 발생하여 종국에 파단되는 영역으로 구분된다. 철근은 항복강도가 높을수록 변형경화구간이 짧아지는 특성이 있다. 이는 곧 철근이 끊어질 때까지 흡수할 수 있는 에너지량 즉, 연성도가 줄어든다는 말이다. 연성도는 엿가락처럼 잘 늘어나거나 대나무처럼 잘 휘어지는 능력이라고 생각하면 이해하기 쉽다. 그래서 항복강도가 높기만 하다고 해서 좋은 것은 아니다. 오히려 저항복 철근이 연성도가 더 좋기 때문에 철근이 끊어질 때까지 에너지도 더 많이 흡수할 수 있고, 완전 파단시까지 대피할 수 있는 시간을 더 많이 벌어준다. 그러나 이런 저항복 철근은 규모가 크지 않은 구조물 설계에는 반영이 가능하여 좋지만, 큰 구조물일수록 작용하는 외력이 크므로 필요한(소요) 배근량이 상당히 증가하여 경제적으로도 부담되고, 설계 시 소요 철근량이 지나치게 많아지므로 부재 배근이 불가능한 경우가 많으며, 시공 시 노무량도 증가되어 전체 공사비가 증가하면서 철근 간격이 지나치게 촘촘해지기 때문에 콘크리트가 제대로 채워지지 못하여 재료분리로 품질이 조악 해지는 등의 문제가 발생한다. 그리고 아무리 저항복 철근이더라도 철근량이 과대하면 연성적으로 거동한 후 파괴되지 못하고 취성적으로 갑자기 파괴될 수 있다.

어쩔 수 없이 항복강도가 높은 고강도 철근을 사용해야 한다면 설계 대책으로 두 가지를 충족시켜야 한다. 하나는 재료적 조건이고, 다른 하나는 구성적 조건이다.

재료적 조건에서 요구되는 것이 TS/YS≥1.25 조건이다. 전 세계 수많은 실험에서 TS/YS=>1.25일 때, 변형경화구간에서 항복 고원이 길어짐을 확인하였고 이는 그만큼 연성도가 늘어난다는 의미이다. 철근의 연성도가 클수록 이를 사용하는 보나 기둥과 같은 철근콘크리트 부재는 소성힌지 구간도 늘어난다. 소성힌지는 부재가 탄성 부재력 범위를 넘어 원래 형태로 돌아갈 수 없을 만큼 큰 하중을 받을 때 과도한 변형이 발생하여 소성화될 때 힌지처럼 쉽게 회전되어 파괴되는 지점을 뜻하며 철근콘크리트 부재에서는 휨부재의 구조적 균열로서 확인할 수 있다. 소성힌지구간이란 이 소성힌지가 발생하는 길이방향 범위이고 부재가 완전히 파괴될 때까지 이 균열이 발생할 수 있는 길이로 이해하면 쉽다. 소성힌지구간이 짧다는 것은 짧은 구간에서 균열이 조금만 발생한 후 곧 파괴된다는 것이고, 소성힌지구간이 길다는 것은 긴 구간에서 균열이 많이 진행되어도 쉽게 파괴되지 않는다는 것이다. 이 소성힌지구간이 길수록 부재가 항복하여 균열이 넓은 범위에서 많이 발생하여도 최종 파괴될 때까지는 여유력이 있다는 것이고 그만큼 완전 파괴될 때까지 더 많은 시간을 확보할 수 있으므로 인명손실을 줄일 수 있다는 것이다.

구성적 조건에서 요구되는 것이 연성상세이다. 연성상세란 부재 중 특정한 부위(소성힌지구간)에 철근을 어떻게 배치할지에 대해 상세하게 설계하여 연성능력을 키우는 것이다. 단지 고강도 철근으로 했을 때 부재가 더 강해지니까 좋다고 생각한다면 상당히 위험하다. 고강도 철근 사용시에 재료적 조건인 TS/YS≥1.25를 충족하는 것은 기본이고 이에 대해 철근 하나하나 검토하는 것이 현장상황에서는 곤란기 때문에 KS품질로 보증하는 내진용 철근으로 구조계산서에 명시되는 것이 일반적이다. 그 이후에 이 철근들을 부재의 어느 구간에서 어떻게 배근할지를 설계하는 것이 연성상세 설계이다. 구조물을 계획할 때는 제한사항을 검토한 후 어떤 지진저항시스템으로 내진설계할지 방향을 잡는다. 이때 지진계수로서 반응수정계수(R)가 결정되는데 지진저항시스템별로 3~8까지 다양하다. 반응수정계수가 높을수록 건물은 더 큰 지진력에 견딜 수 있다. 따라서 내진설계 시에는 실제 지진하중에 반응수정계수로 나누어 실제보다 작은 설계지진하중에 대하여 검토한다. 지진저항시스템이 전단벽형식이거나 골조형식에서 이 연성상세에 따라 보통, 중간(R≥5), 특수(R=8)로 분류된다. 높은 연성도를 갖는 상세일수록 철근량이 많아지고 배근이 복잡해진다.

 

왜 실제 항복강도가 설계기준 항복강도보다 120 MPa를 초과하지 않아야 하는가?

구조설계 시 가정한 철근 항복강도보다 실제 현장에 반입되는 항복강도는 당연히 높다. 구조설계시 가정하는 값은 KS규격에서 정하는 최소치를 바탕으로 한 것이고, 실제 철강회사에서 철근을 생산할 때는 이 값 이상만 충족하면 KS제품으로 인정받을 수 있기 때문이다.

이 실제 생산된 철근의 항복강도가 지나치게 높은 경우도 가끔 있는데, 이 경우에 여러 가지 심각한 문제점이 발생한다. 첫째는 지진하중에 의해 항복모멘트가 발생할 때 전단응력과 부착응력은 더 크게 집중되어, 부재에 발생하는 파괴모드는 휨 파괴가 아닌 전단 파괴로서 즉시적인 파괴가 발생하게 되므로 피해야 한다. 둘째는 소성힌지구간에서 발생하는 변형에 대하여 철근은 에너지 흡수가 지연되어 더 큰 지진 관성력이 발생하므로 더 큰 횡력을 끌어들이게 되어 문제를 더욱 복잡하게 만들므로 피해야 한다. 셋째는 철근의 응력-변형도 관계에서 높은 항복점으로 인해 탄성에너지 흡수능력은 조금 증가하지만 변형도경화구간의 항복고원 길이가 짧아져서 탄성에너지 흡수능력보다 몇 배에서 몇 십배 더 큰 소성에너지 흡수능력은 더 많이 감소되어 결과적으로 연성능력이 감소하게 되므로 피해야 한다. 넷째는 부재중에서도 소성힌지를 고려한 위치에서 실제 휨강도가 증가하게 되어 소성힌지가 발생될 것으로 기대되는 휨강도를 초과해도 소성힌지가 발생하지 않게 되는데 이러면 엉뚱한 위치에서 준비되지 않은 소성힌지가 발생하여 심각한 파괴를 유발할 수 있으므로 피해야 한다.

 

왜 철근 규격별로 요구되는 연신율 이상이어야 하는가?

TS/YS가 클수록 연성능력 즉 파괴전까지 에너지 흡수능력이 커지므로 구조에 더 좋다.

이를 실험적으로 증명한 수많은 실험들 중 이탈리아 Pavia대학 Giorgio  Macchi교수의 횡하중을 받는 실제 크기의 철근콘크리트 기둥이 TS/YS 영향에 대한 실험이 유명하다. 그의 보고서 "Ductility Requirements for Reinforcement under EuroCodes"에서는 높은 TS/YS값 또는 변형경화 값을 유지할 필요성을 강조한 매우 흥미로운 연구결과들을 소개하면, 1. 비교적 낮은 TS/YS비(<<1.25)를 갖는 철근으로 연성상세 배근된 부재는 소성변형이 매우 국한된 구간에서만 집중되었다. 즉, 소성힌지구간이 매우 짧았고 이로 인해 국소 곡률값이 상당히 컸다. 이후 콘크리트 피복이 파괴되었고 콘크리트 피복의 구속력이 상실되어 압축력을 받는 방향의 주철근이 죄굴 파괴되었으며 동일 단면상 반대측 주철근은 역방향 작용으로 인장 파괴되었다. 2. TS/YS비가 1.4인 철근으로 배근된 경우에는 높은 변형경화값으로 인해 소성변형이 상당히 긴 구간에 걸쳐 퍼졌고 이로인해 국소곡률 값이 상당히 작았다. 결국 콘크리트 피복과 철근은 파괴되지 않았으며, 철근콘크리트 기둥 부재는 상단에서 더 높은 변위를 발휘할 수 있었다. 3. 변형경화가 부족하면 높은 변형 집중화(국소 곡률 증가)로 이어진다. 4. 연성도가 부족하면 극한하중에서 철근은 조기에 파괴된다. 5. 따라서 철근에는 과도한 재료강도를 제한하는 상한치가 있어야 한다.

 

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소결

 

현장에서 수급 곤란 등의 사유로 설계 시 반영된 철근과 다른 철근을 사용할 수밖에 없는 경우가 가끔 있다.

최소한의 건설 상식을 가진 자라면 강도가 더 낮은 철근을 사용하려는 위험천만한 생각은 하지도 않는다. 

통상 두 가지 경우가 대부분인데, 하나는 내진용 철근을 일반용으로 대체하여 사용하려는 경우이고 다른 하나는 강도가 더 높은 철근을 사용하려는 경우이다.

현장 시공 시 철근 강도가 더 높을수록 좋다는 단순한 생각으로 고강도 철근으로 임의 시공하는 경우가 더러 있는데 상당히 위험하다.

설계 시 정한 철근을 다른 종류로 변경하고자 한다면 사전에 건축구조기술사에게 사용 가능 여부를 의뢰하여 확실히 짚고 가야 한다. 건축구조기술사의 전문적인 판단 없이 현장시공 책임자가 임의 승낙하는 위험한 상황은 없어야 한다.  끝.