철근이음 비교검토

1. 기계적 철근이음

1) 철근이음의 개요
철근콘크리트 구조에서 사용하는 철근은 시공방법 및 생산규격에 의하여 이음이 필요하게 된다.
철근이음은 구조적으로 영향을 미칠 뿐만 아니라 건축물의 시공법 및 안전성과 밀접한 관계를 갖고 있다. 건설현장에서 이용하고 있는 이음의 방법은 겹침이음, 가스압접, 용접이음, 기계적 이음 등이 주로 사용되고 있는 이음방법이다.
겹침이음은 콘크리트를 타설하여 경화되어야 비로소 인장력을 발휘할 수 있으며, CON’C강도와 피복두께가 충분치 못하면 철근에서 발생되는 응력에 의하여 CON’C는 균열이 발생되기 시작한다. 겹침이음에서 외력에 의하여 콘크리트 부착균열 파괴가 형성되면 이는 휨 파괴에 비하여 급격한 내력 상실을 초래하므로 설계서 이음위치, 겹이음길이, 피복두께, 철근간격 등을 충분히 고려하여 양생을 포함한 높은 품질의 콘크리트를 타설 할 필요가 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여 국. 내외적으로 많은 연구와 노력을 기울여 철근의 기계적 이음방법을 개발 보완 발전 시키고 있다. 기계적 이음은 2개의 철근을 모재와 같이 연결하여 시공함에 콘크리트의 부착강도와 관계없이 인장력에 저항할 수 있는 철근의 이음방법과 고도의 안전성 및 내구성을 갖고 있으며 비 숙련공도 별도의 장비 없이 시공이 용이하고 경쟁력 있는 비용과 공기를 단축할 수 있는 철근의 이음방법으로 기존 겹침 이음이나 가스압접보다도 높은 품질의 시공성과를 얻을 수 있어 차후 모든 현장으로의 확대 시공이 되리라 본다.

2) 철근이음의 종류
① 겹침 이음
철근의 겹침 이음(Lap Splice)은 전통적으로 행해졌던 공법으로 시공이 간단하고 경제적이기 때문에 널리 사용되고 있으나 최근에는 구조물의 대형화와 내진작용으로 인한 철근의 밀집과 시공상 문제점에 의하여 사용에 많은 규제가 따르고 있다.
특히 겹침 이음에 의한 철근이음은 구조물의 RC규준에 있어 이음매 위치의 규준에 따른 시공상에 어려움이 있으며 콘크리트 부재의 이음부에서 발생하는 부착균열에 의한 콘크리트의 파괴는 휨 파괴에 비하여 급격하게 그내력을 상실하기 때문에 겹침 이음을 설계함에 있어서는 이러한 부착균열 파괴를 일으키지 않도록 이음위치, 겹이음길이, 피복두께, 철근간격 등을 선정 하여야 한다.

② 가스 압접
가스압접이음은 미국에서 철도 레일의 이음매용으로 개발된 기술을 일본에서 철근이음에 응용한 기술로서 현재 미국에서는 철근의 이음으로 사용되지 않는다.
가스압접은 2개의 철근단부를 맞대어놓고 산소‐아세틸렌 가스 불꽃으로 약1300℃로 가열하여 철근을 고상 상태에서 압력을 가하여 접합 면의 양원자를 재배열이 곤란하므로 접합 면을 그라인더(전기숫돌)로 깨끗이 마무리해서 시공 하여야 한다.
가스압접은 철근의 단부를 국부적으로 가열하여 접합하므로 철근의 열영향부와 시방규준(콘크르트표준시방서‐시공편 제10장 “건설부”, ACI318‐318R 제7장 3절”)의 상온가공 원칙에 의한 검토가 필요하다.
특히 고강도 철근(SD40이상)은 고탄소, 고망간강으로 이루어지므로 압접 후 취약부가 발생할 수 있으므로 철저한 품질관리가 요구된다.

③ 용접 이음
철근의 용접이음은 열에너지원으로 철근을 유연하게 녹여서 접합하는 방법으로서 철근단부와 용접봉이 녹은 혼합철부분과 용접열에 의해 열 영향을 받은 철 부분으로 구성된다.
용접이음에 있어서는 철이 고온에 가열되기 때문에 적절한 대책을 세우지 않는 경우에는 철이 가열되러 산화해 철근속에 들어있는 미소량의 원소(탄소, 망간등)를 연소시켜 버리므로 강도와 인성이 떨어지는 문제점이 생긴다.
특히 현장에서 적용되는 용접이음은 전기를 사용하므로 아전사고와 품질관리에 어려움이 따른다.

④ 기계적 이음
철근의 기계적 이음은 1970년 초 일본과 유럽에서 활발히 개발되었으며 미국에서는 훨씬 전부터 여러 형태의 이음방법이 개발되었으나 품질과 시공성에 있어서 기준에 미치지 못하는 제품은 도태되어 사용되지 못하고 있으며 국내에서는 1995년부터 여러 형태의 이음방법이 개발되어 사용되고 있다.
철근의 기계적 이음은 시공성의 편리, 일정한 품질, 다양한 적용성등에 따라 건설현장의 사용이 급격히 늘어나고 있으며 특히 구조물의 대형화 및 내진설계의 필수 요건으로 대두되고 있다. 기계적 이음은 이음부의 성능에 따라 그 적용 부위가 각각 다르며 이음부의 성능이 우수한 제품 일수록 구조물의 이음위치에 관계없이 사용할 수 있다.
국내 이음 방법 중 많이 사용되는 이음방법으로는 상온스웨이징나사이음, 상온부풀림나사, 강관압착이음, 테이퍼형잭, 나사편체, 쐐기식편체이음등의 이음방법이 있다. 

1) 기계이음의 설치규정
① 콘크리트 표준시방서‐건교부
② ACI‐318

1) 기계이음의 성능규정
① 콘크리트 표준시방서‐건교부
② ACI‐318


2. 기계적 철근이음의 종류

1) 나사식 이음
 나사식 이음은 나사마다 철근이음과 단부나사 가공이음으로 나눌 수 있다.

① 나사마디 철근이음 (국내에서 생산되지 않음)
나사마디 철근이음을 할 경우 커플러와 나사철근 사이가 느슨해지는 문제가 발생하므로 다음과 같은 방식으로 이 문제를 해결한다.
나사마디 철근이음은 철근을 나사와 같이 이음커플러에 돌려 끼워 접합하는 방식으로 이 이음기술에는 나선마디 철근이 전제되어야 한다. 또한 나선마디 철근은 일반적인 이형철근과는 달리 횡 방향 리브(Rib)가 없고, 원주방향의 마디가 나사와 같이 나선방향으로 형성되어야 한다. 나성철근이 호환성이 없는 경우, 각 생산회사에서 생산되는 나선철근에 대응하는 전용커플러를 사용하여 이음해야 한다.

나사 체결 종류는 토오크(Torque) 고정방식과 충진 고정방식으로 나눌 수 있다.
 ‐ 토오크(Torque) 고정방식
   커플러의 양단부에서 록 너트(Rock‐Nut)를 조여 커플러와 너트 사이의 철근에 초기 인장력을 주는 방식이다.
 ‐ 충진 고정방식
커플러를 결합한 후 철근과 커플러 사이에 에폭시 수지를 에어건(Air‐Gun)으로 주입하여 이음부위를 일체화시키는 방식이다.

나사마디철근 이음

② 단부나사 가공이음
단부 나사가공이음은 이형철근의 단부에 나사가공을 하든지, 또는 철근단부에 별도로 나사를 마찰 압접하여 커플러와 너트를 사용하여 접합하는 방식으로 프리캐스트 콘크리트 부재 및 선 조립 공법 등의 특수한 목적 등에 사용이 용이한 이음이다.

가. 단부스웨이징 나사이음
철근 단부의 마디와 리브를 냉간(상온)에서 스웨이징(누름)하여 전조나사를 가공하여 암나사가 가공된 커플러를 이용하여 연결하는 방법.

철근단부형상                 1)단부스웨이징              2)단부면취                  3)전조나사가공

나.  단부부풀림 나사이음
철근의 단부를 냉간(상온)에서 단면을 크게 부풀린 후 절삭 또는 전조나사를 가공하여 암나사가 가공된 커플러를 이용하여 연결하는 방법.

–  주) 프랑스 Dextra 수입

         철근단부절단           1)단부절단                       2)철근단부 부풀림              3)철근단부나사가공

다.  테이퍼 절삭나사이음
철근단부를 테이퍼 형상으로 나사를 절삭 가공하여 연결하는 방법.
-  주) 미국 Erico사 기술인용


1)  강관 압착이음
강관 압착이음은 접합하고자 하는 두 철근 사이에 슬리브를 끼워 넣고 슬리브를 유압잭등으로 압착하여 접합하는 방식으로 기존 이형 철근의 사용이 가능하다.
강관 압착이음은 단속 압착이음, 연속 압착이음, 폭발 압착이음의 3종류로 나눌 수 있다.

  슬리브의 길이는 D29, D38의 경우 각각 230mm, 260mm이나 이 이음방식은 슬리브와 철근마디을 끼워서 접합하는 방식이므로 슬리브의 길이는 철근마디수로 결정된다. (대략 6마디 정도의 길이를 끼워 접합하므로 마디 폭이 21mm정도일 경우 슬리브 길이는 250mm이다.)

강관 슬리브 압착이음

가.  단속 압착이음(Grip Joint)
철근의 단부에 원통형 강관을 끼운 후 이 강관을 특수 유압잭을 사용 단속적으로 압착, 원통형 강관이 이형철근의 마디와 끼워져 접합되는 이음기술이다.
G‐Loc Sleeve, G‐Loc Wedge, Insert등을 이용하여 철근을 Sleeve사이에 끼운 뒤 Sleeve를 가압하여 조이는 방법으로서 수직(압축)철근에만 사용 할 수 있는 이 기술은 이음시간이 상당히 소요되는 단점이 있다.

나.  연속 압착이음(Squeeze Joint)
특수 유압잭을 사용하여 슬리브의 축선을 따라 연속적으로 한 방향으로 압착하는 방식으로 단속압착법에 비해 이음시간이 상당히 단축된다.
현재 많이 사용되고 있는 이음 기술중의 하나이다. – 국내생산업체 없음.



다.  폭발 압착이음
화약의 폭발력에 의해 원통형 강관을 이형철근의 마디에 압착시키는 이음기술로 최근에는 잘 활용되지 않고 있다.
1)  충전식 이음
충전식 이음(강관내 충진이음)은 접합하고자 하는 두 철근사이에 약간 헐거운 슬리브를 끼운 후 슬리브 내에 충진 재료를 채워 넣어 접합하는 방식이다. 이 방식은 나선철근과 같은 특수한 철근이 필요 없고, 기존의 이형철근을 그대로 사용할 수 있는 방식으로서 충진하는 재료에 의해 모르타르 충진이음, 용융금속 충진이음의 두 가지로 나눈다.

가.  모르타르 충진이음
강관과 이형철근 사이에 모르타르를 충진하여 이형철근의 마디에서 발생하는 응력을 모르타르를 통하여 강관으로 전달하는 방식으로 강관과 이형철근 사이에 ±5mm정도의 클리어런스(Clearance)가 있어 슬리브의 형상이 다른 이음보다 크게되는 반면, 철근과 강관의 공극이 커서 시공오차의 흡수가 비교적 용이하고 이음시 철근의 신축이 없으므로 프리캐스트 부재의 이음에 적절한 방법이다. 충진하는 모르타르는 무기질계의 무수축 모르타르이고, 강도는 700~1000kg/㎠ 정도이다.

‐ 선(先)모르타르 주입방식
결속하고자 하는 한쪽 철근에 커플러를 설치한 후 커플러 내에 모르타르를 채운 후 다른 한 쪽 철근을 삽입하여 결속하는 방식.
‐ 후(後)모르타르 주입방식
  결속하고자 하는 한쪽 철근에 커플러를 설치한 후 다른 한쪽 철근을 삽입하고 슬리브 하부의 나있는 모르타르 주입구를 통하여 모르타르를 주입하는 방식.

나.  용융금속 충진이음(Cad Weld)
모르타르 대신에 용융금속을 충진하는 방식이다. 이음방식은 대단히 좋으나 이음부에서 충진재를 가열하는 장치가 필요하고 이런 장치가 일반적으로 대형이므로 현재는 잘 사용되지 않고 있다.

용융금속 충진이음


2)  병용이음
병용이음은 상기한 이음을 조합하여 개발된 기술로서 나사이음, 모르타르 충진이음과 나선이음, 강관 압착이음 등이 있다. 이 이음은 주로 프리캐스트 콘크리트 부재의 이음을 위해 개발된 기술이다.

병용이음

3)  마디 편체식 이음
마디 편체식 이음은 철근의 원주형마디 형상을 갖는 편체를 이용하는 철근의 이음방법으로서 현장 시공이 간편하지만, 철근의 형상에 따른 호환성이 떨어지고 Rebar Slip이 발생하므로 모르타르 충진 등의 후속작업이 필요하다.

가.  내부분리형 편체
철근마디에 상응하는 홈이 가공된 편체를 서로 연결될 철근의 단부에 별도로 체결한 후 일체형 커플러를 사용하여 연결하는 방법.

내부분리형 테이퍼편체

내부일체형 나사편체

나.  내부일체형 편체
철근마디에 상응하는 홈이 가공된 편체가 길게 1개로 되어 2개의 철근을 함께 결하여 연결하는 방법.

내부일체형 편체의 각 철근 형상에 따른 호환성 결여

내부일체형 테이퍼 편체

내부일체형 밴드 고정편체

내부일체형 테이퍼 나사편체

4)  쐐기식 편체 이음
쐐기식 편체 이음은 철근의 원주형마디 형상을 갖는 반원통형 편체를 이용하는 철근의 이음방법으로서 현장 시공이 간편하고, 철근 마디 형상의 다양성을 수용하는 호환성이 뛰어나며, 쐐기에 의한 강력한 결합 및 용이한 결합상태 검사가 가능하며, 접합부 강도가 철근모재 강도 보다 강한 이음방법이다.

1. 기계적 이음의 특징

종 류	장 점	단 점
나사이음	• 접합 시 신축이 없다. • 시공이 용이하다. • 기둥, 보 등의 이음에 적당. • 토오크렌찌 등으로 조임 확인. • 안정된 품질 확보 용이	• 콘크리트 부재 조합시 별도 부품사용. • 공장가공 • 공정관리 불리
강관압착 이 음	• 철근마디가 짧을 경우 짧은 슬리브 사용가능. • 기둥의 이음에 적당.	• 접합시 철근이 다소 늘어남. • 압착시 특수기계가 필요함. • 시공시간이 길고 장비기사가 상주하여야됨. • 철근 배근 간격 및 장소에 제한을 받음.
모르타르 충진이음	• 접합 시 철근의 신축이 없음. • 이형철근 연결가능. • 수동 모르타르 Gun정도만 필요. • 철근과 슬리브 사이의 간격이 넓음. • 오차를 용이하게 흡수할 수 있음. • PC부재의 이음, 보부재 이음에 유리	• 다른 이음에 비해 크기가 다소 큼. • 무수축 모르타르가 필요. • 시공이 다소 불편
마디 편체식 이 음	• 현장에서 간단히 시공.	• 철근에 따른 호환성 저하 • 마디 형상에 따라 적용성 변화.   – 자형, X형, V형
쐐기식 편체 이 음	• 현장에서 간단히 시공. • 접합 시 신축이 없다. • 기둥,보 등의 이음에 적당. • 육안으로 시공상태 검사가 가능 • 모재 보다 이음강도가 높다. • 안정된 품질확보가 가능하다.	• 철근의 규격이 다른 경우 적용이 어렵다.

2. 기계적이음 공법별 분류
 

이음방법		장 점	단 점
단부 나사 가공 이음	스웨이징 나 사	• 이음체결시 신축이 없음 • 시공이 용이하여 체결시간이 짧다. • 기둥, 보 등의 이음에 적당 • 안정된 품질 확보 용이 • 커플러의 길이와 외경이 작다.	• 나선 및 원형 띠철근 시공성 저하 • 공장가공이 필요하다. • 고 탄소강 일수록 금형에 의한 가공경화로    신뢰저하 우려 • 굽힘 시 신뢰성저하
	부풀림 나사	• 이음 체결시 신축이 없음 • 특수한 기능공이 불필요 • 시공이 용이하여 체결시간이 짧다.	• 열간가공에 의한 철근조직 변화 • 냉간 가공시 가공경화에 의한 조직의 인성저하 • 나선 및 원형 띠철근 시공성 저하 • 커플러의 길이와 외경이 다소 크다. • 나사가공시 철근길이 줄어든다.
	테 이 퍼 절삭나사	• 이음 체결시 신축이 없음 • 현장에서 적용성이 넓음 • 서로 다른 규격의 철근이음 용이	• 나선 및 원형 띠철근 시공불가 • 철근 모재를 절삭 가공하므로 이음부 성능이 저하 • 철근을 돌려서 시공하므로 시공성 저하 • 체결력에 따른 품질관리가 어렵다.
강관압착 이 음		• 특수한 기능공이 불필요 • 마디 간격이 짧을 경우 짧은 sleeve사용 가능 • 기둥의 이음에 적당	• 이음 체결시 철근이 다소 늘어남 • 철근직경이 크게 다를 경우 이음에 어려움이 있음 • 고소, 협소한 장소 작업의 어려움 • 압착시 특수기계가 필요 • 시공성이 떨어짐
충진식 이음		• 접합시 철근의 신축이 없음 • 현장에서 적용성이 넓음. • 서로 다른 규격의 철근이음 용이	• 특수장비 필요
편체 식 이음	내 부 일체형	• 철근 배근과 동시 작업 가능 • 특수장비가 필요없음	• 철근 제조회사에 따라 호환성이 없음 • 나선 및 원형 띠철근 시공성 저하 • 철근마디형상에 따라 적용성 변화 • 커플러 길이가 길고 외경이 크다.
	내 부 분리형	• 특수장비가 필요없음 • 철근 제조회사에 따른 호환성이 좋음 • 나선 및 원형 띠철근 시공성이 뛰어남	• 가격이 다소 비싸다. • 인장 시 초기 슬립이 발생. • 조임 강도를 육안으로 검측이 어렵다.
	쐐기식 편체 이음	• 현장에서 간단히 시공. • 접합 시 신축이 없다. • 육안으로 시공상태 검사가 가능 • 모재 보다 이음강도가 높다. • 안정된 품질확보가 가능하다.	• 철근의 규격이 다른 경우 적용이 어렵다. • 나선 및 원형 띠철근 시공성 저하

3. 기계적 철근 이음공법 사진

단부나사 가공이음	스웨이징나사
	부풀림나사
	테이퍼절삭 나사
강관압착이음
편체식 이음	내부일체형
	내부분리형
	쐐기식 편체 이 음

 

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