철근의 종류에 대하여

철근은 철근콘크리트를 보강하는 용도로 사용하는 강재로서 표면 요철의 유무에 따라 원형철근과 이형철근으로 구분됩니다. KS D 3504에서 마디라고 칭하는 횡방향 리브와 리브라고 칭하는 종방향 리브 등의 돌기가 철근 표면에 있는 봉강을 이형철근이라고 하며, 이러한 돌기가 없는 매끈한 표면으로 된 봉강을 원형철근이라고 합니다. 이형철근은 콘크리트의 점착력에 의하여 발휘되는 정착력 외에, 돌기에 의한 역학적인 정착력까지 발휘되어 콘크리트와의 부착력과 정착성능이 증대됩니다. 따라서 부착 및 정착성능이 우수한 이형철근이 주로 사용되고 있으며, 원형철근은 거의 사용되지 않고 있습니다. 2001년도의 KS D 3504에는 원형철근으로 항복강도가 240MPa과 300MPa인 SR240과 SR300 철근의 표준이 규정되어 있었으나, 2007년 KS D 3504 개장판부터는 원형철근이 삭제되었다고 합니다.

 

 

이형철근의 돌기는 횡방향 리브가 철근의 축방향과 경사를 이루는 생선뼈 형태와 철근과 같이 횡방향 리브가 철근의 축방향과 직각으로 배치되는 대나무 형태가 있습니다. 동일한 마디면적비를 갖는 철근이라면 횡방향 리브가 대나무 형태인 철근이 생선뼈 형태인 철근에 비하여 부착성능이 다소 좋지만, 철근을 굽히거나 혹은 굽힌 후 다시 펴는 가공성능은 생선뼈 형태인 철근이 더 좋습니다. 이것은 대나무 형태 철근의 경우 횡방향 리브의 위치에 따라 철근 단면적의 차이가 크지만, 생선뼈 형태 철근의 경우에는 횡방향 리브가 경사를 갖도록 배치되어 철근 단면적의 변화가 크지 않기 때문입니다.

 

대나무 형태 철근의 이러한 단점을 보완하기 위해서는 종방향 리브를 두어 단면적의 차이를 줄일 수 있으며, 생선뼈 형태 철근이 단면적의 변화가 크지 않은 경우에는 종방향 리브를 만들지 않을수도 있습니다. 우리나라에서는 대나무 형태의 마디 모양으로 종방향 리브가 2개인 이형철근이 주로 생산되고 있으며, 생선뼈 형태의 철근도 생산되고 있습니다. 대나무 형태 이형철근은 종방향 리브가 2개인 경우가 일반적이지만, 외국에서는 종방향 리브를 2~4개를 두는 등 다양한 형상의 철근의 생산되고 있습니다.

 

종래에는 항복강도가 300MPa정도인 철근이 주로 사용되어 왔으나, 근래에는 항복강도가 400MPa 또는 그 이상의 철근도 사용되고 있습니다. 그러나 콘크리트 구조기준은 휨부재나 압축부재의 주철근에 대하여 설계기준항복강도를 최대 600MPa로, 전단철근에 대하여는 최대 500MPa로, 나선철근 기둥의 나선철근에 대하여 최대 700MPa로 제한하고 있으므로, 이보다 높은 항복강도의 철근으로 설계해서는 안 됩니다.

 

강도설계법의 도로교설계기준은 더 보수적으로, 전단철근은 최대 400MPa로, 나머지 모든 철근은 최대 500MPa로 제한하고 있습니다. 도로교설계기준은 전단설계에 변각 트러스 모델을 사용하므로 전단철근에 대하여 철근의 최대항복강도를 제한할 필요가 없기 때문에 모든 철근에 대하여 최대 600MPa까지 사용할 수 있도록 최대항복강도를 규정하고 있으나, 내진설계에서 소성거동을 하는 교각의 주철근에 대해서는 최대 500MPa까지 사용하도록 제한하고 있습니다. 고강도 철근을 휨부재의 주철근으로 사용하면 낮은 강도의 철근을 사용할때보다 철근량을 줄일 수 있어서 경제적일 수 있으나, 철근량의 감소로 인하여 균열이 더 크게 발생하는 등의 문제가 발생할 수 있으므로, 설계에서 사용성 검증의 주의를 기울여야 합니다.

 

 

보통의 구조물에서 설계가 잘 되고, 특히 철근에 대한 피복두께가 충분하면 철근이 녹스는 일은 거의 없습니다. 그러나 교량 바닥판, 해양 구조물, 폐수처리장 등과 같이 결빙 방지제, 해수, 그 밖의 염화물 등에 노출되는 구조물에서는 콘크리트의 열화로 인하여 철근이 부식 될 수가 있습니다. 철근의 이러한 부식을 방지할 목적으로 최근에는 이형철근 표면에 에폭시 수지를 도포한 철근을 사용하는 경우가 있습니다. 이 철근은 제조공정에서 에폭시 코팅이 이루어집니다. 이러한 철근을 에폭시 도막철근 또는 에폭시 피복철근이라고 하며, 그 종류 및 기호, 품질, 재조 방법 등이 KS D 3629에 규정되어 있습니다.

 

내진설계에서 완전연성거동을 하도록 설계된 구조물의 경우, 소성힌지가 발생하는 구조요소의 주철근은 소성상태에서 압축응려과 인장응력이 반복하여 작용하게 됩니다. 이 경우에는 저주파 피로로 인하여 정적인장하중이 작용하였을 때의 연신율보다 작은 변형률에서 철근이 파단됩니다. 이 경우 소성힌지에서 철근이 항복한 후에도 단면의 휨강도를 유지하여야 하고, 구조물의 연성거동을 확보하기 위한 성능보장설계개념을 뒷받침하기 위하여 내진용 철근에 대한 특별한 성능조건이 필요합니다. 따라서 내진설계기준에서는 이러한 부분에 배치되는 철근의 요구성능을 규정하고 있는데, KS 표준에서는 이를 반영하여 고성능 철근에 대한 표준으로 KS D 3688을 제정하였습니다. KS D 3688은 SD400S와 SD500S철근을 규정하고 있는데, 이 내진용 철근은 일반용 철근에 규정되지 않은 실제항복강도의 최대 허용값이 규정되어 있으며, 설계인장강도가 실제항복강도의 1.25배 이상으로 하도록 규정되어 있습니다.