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기둥은 상부로부터 누적해서 내려오는 수직하중을 부담하는 것이 기둥의 가장 근본적인 역할입니다. 기둥은 이 연직방향의 하중을 기초로 전달합니다. 그러나 기둥이 순수하게 압축력만 받는 경우는 드물고 대부분 휨모멘트가 동시에 작용합니다. 기둥의 배근 형태를 살펴보겠습니다.
기둥 배근 일반
기둥에 배근하는 철근은 축방향 주근과 띠철근(Tie-bars, Hoop라고 함)로 구성됩니다.
주근은 상부에서 전달되는 압축력을 콘크리트와 함께 분담하며, 보가 휘면서 전달되는 휨 모멘트에도 저항합니다. 철근콘크리트구조에서 철근은 주로 인장력을 부담하지만 기둥에서 축방향 주근은 압축력에 저항하면서 콘크리트와 분담합니다. 콘크리트만으로 압축력에 저항하면 기둥 단면적이 지나치게 커져 실용성에 문제가 생깁니다. 콘크리트에 비해 강도가 높은 철근을 활용하면 기둥 단면적을 줄일 수 있습니다.
축력을 부담하는 철근이라면 기둥 단면의 어디에 위치하든 구조적인 역할을 할 수 있습니다. 그런데 철근은 휨모멘트도 부담을 해야 하기 때문에 기둥단면의 바깥쪽에 배치하는 것이 효과적입니다. 그래서 기둥의 주근은 단면의 최소 피복두께를 고려하여 외곽을 따라 배치하게 됩니다.
두께에 비해 길이가 긴 철근은 압축력을 받으면 좌굴될 수 있으나 콘크리트가 철근을 감싸고 있기 때문에 좌굴되는 것을 막아줍니다. 그리고 띠철근이 주근을 감싸면서 주근의 좌굴을 막아줍니다.
띠철근의 역할
기둥이 하중을 받으면 축방향으로 길이가 줄면서 옆으로 늘어나게 됩니다. 이때 축방향 변형에 대한 횡방향 변형의 비를 푸와송비(Poisson’s ratio)라고 하는데, 콘크리트의 푸와송비는 대략 0.15~0.2(약 1/6)으로 알려져 있습니다. 대략 옆으로 늘어나는 것에 비해 축방향으로 수축되는 것이 6배 정도가 된다고 보면 될 것 같습니다.
콘크리트는 인장강도가 압축강도의 1/10 정도 밖에 되지 않기 때문에 구조설계에서는 콘크리트의 인장강도를 무시합니다. 콘크리트 기둥이 축하중을 받아서 옆으로 늘어나게 되면 양쪽으로 잡아당기는 식으로 인장력이 작용하는 것과 같습니다. 그래서 콘크리트 기둥은 이런 횡방향 변위에 따른 파괴가 가장 중요합니다.
이 콘크리트를 띠철근이 감싸면 콘크리트의 횡방향 변위를 억제하게 됩니다. 따라서 콘크리트는 더 큰 응역을 부담할 수 있게 됩니다.
또 띠철근은 기둥 주근이 좌굴되는 것을 억제할 수 있습니다. 기둥 주근은 얇고 긴 형태이기 때문에 압축력이 작용하면 쉽게 좌굴됩니다. 콘크리트가 횡방향으로 변형되면 기둥 주근이 좌굴되고, 결국 기둥 주근이 압축력에 저항하지 못하고 쉽게 파괴될 수 있습니다.
띠철근은 축방향 주근을 고정하고 전단력에도 저항합니다. 지진이나 바람 같은 수평하중이 작용하면 슬래브가 기둥을 옆으로 밀게 되고 기둥에도 전단응력이 발생합니다. 이 전단력을 띠철근이 분담하기 때문에 보와 가까운 단부에 띠철근 양이 많아집니다.
지진력을 부담하는 기둥
콘크리트구조물의 내진설계에서 모멘트골조는 수직하중과 횡력을 보와 기둥으로 구성된 라멘골조가 저항하는 구조방식을 말합니다. 보와 기둥을 강절로 접합하여 횡하중을 휨강성에 따라 분배하는 작용을 하며, 횡하중에 대해 부재의 휨강성을 통해 저항하는 골조입니다.
이 경우 철근콘크리트 부재는 연성파괴를 유도하기 위해서 휨인장 파괴가 먼저 일어나도록 구조설계합니다. 또한 보에서 파괴가 진행하도록 하여 기둥에는 피해가 적게 발생하도록 합니다. 이처럼 지진력을 부담하는 충분한 연성을 갖도록 철근의 상세에 주의해야 합니다. 자세한 내용을 다음 블로그를 참고하시기 바랍니다.
기타 기둥관련 블로그 내용은 다음을 참고하세요.
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