철근콘크리트 보 전단설계

왜 배우는가: 철근콘크리트 보의 전단설계는 사인장 균열 제어와 스터럽 간격 산정이라는 실무의 핵심 검토 항목이며, 설계 과정에서 전단강도 계산이 빠지면 취성 파괴로 이어지기 때문에 시험에서 계산 문제와 개념 문제로 반복해서 출제된다. 전단의 기본 원리를 이해해야 위험단면, 스터럽 배근, 최소 전단철근 규정을 한 흐름으로 답안에 쓸 수 있다.

출제 이력: 제128회 1교시 13번, 제121회 3교시 3번, 제118회 4교시 3번, 제101회 1교시 1번, 제96회 2교시 5번, 제90회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

철근콘크리트 보의 전단설계는 계수 전단력에 대해 콘크리트의 전단강도와 전단철근의 강도를 더한 설계전단강도가 계수전단력 이상이 되도록 전단철근을 정하는 설계 과정이다.

• 핵심 키워드: 계수전단력(Vu), 콘크리트 전단강도(Vc), 전단철근(Vs), 설계전단강도(φVn), 사인장 균열, 스터럽 간격, 위험단면, 최소 전단철근

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 보에 하중이 가해지면 보의 웨브(복부) 부분에는 대각선 방향의 인장력이 생긴다. 이 인장력이 콘크리트의 인장강도를 넘으면 경사 방향으로 균열이 생기는데, 이것을 사인장 균열(Diagonal Tension Crack)이라 한다. 전단설계는 이 균열이 갑자기 벌어져 보가 무너지지 않도록 콘크리트와 철근이 나누어 전단력을 받게 하는 설계다.

정식 정의는 다음과 같다. 전단설계는 계수전단력 V_u가 설계전단강도 \phi V_n을 넘지 않도록 하는 과정이며, 공칭전단강도 V_n은 콘크리트가 받는 V_c와 전단철근이 받는 V_s의 합으로 본다. 이때 \phi는 전단에 대한 강도감소계수다.

$V_n = V_c + V_s$

$\phi V_n \ge V_u$

여기서 V_n은 공칭전단강도(N), V_c는 콘크리트가 부담하는 전단강도(N), V_s는 전단철근이 부담하는 전단강도(N), V_u는 계수전단력(N)이다.

핵심 용어 풀이

• 전단철근(Shear Reinforcement): 보의 웨브에 배치하는 스터럽이나 굽힘철근을 말한다. 사인장 균열을 가로질러 인장력을 받아 균열 폭의 확대를 막는다.
• 스터럽(Stirrup): 주철근을 감싸는 폐합형 또는 U형 전단철근이다. 보의 수직 방향 전단력을 받는 가장 일반적인 전단철근이다.
• 위험단면(Critical Section): 지지점 면에서 유효깊이 d만큼 떨어진 단면으로, 이 단면의 계수전단력을 기준으로 전단철근 설계를 한다.

3. 등장 배경과 필요성

철근콘크리트 보는 휨에는 강하지만 전단에는 상대적으로 약하다. 콘크리트 자체는 취성 재료라서 사인장 균열이 생기면 순간적으로 파괴된다. 그래서 휨철근만으로는 전단 파괴를 막을 수 없고, 웨브에 전단철근을 따로 배치해야 한다는 필요성이 생겼다.

초기 설계에서는 전단력 전체를 콘크리트가 받는다고 가정했으나, 실험과 파괴 사례가 쌓이면서 콘크리트가 받는 전단력과 철근이 받는 전단력을 나누어 계산하는 방식이 정착되었다. 현행 설계기준에서는 콘크리트의 전단강도 V_c를 먼저 구하고, 계수전단력이 그보다 클 때 전단철근을 배치한다.

이 과정에서 중요한 점은 전단이 휨과 달리 취성 파괴를 일으킨다는 것이다. 휨 파괴는 철근이 항복한 뒤 변형이 커지면서 예고되지만, 전단 파괴는 균열이 순식간에 진행되어 예고가 적다. 따라서 설계기준은 전단에 대해 휨보다 큰 여유를 두도록 요구한다. 이 때문에 전단설계는 시험에서 반드시 확인하는 항목이 되었다.

스터럽 설계의 필요성은 두 가지로 정리된다. 첫째, 사인장 균열이 생긴 뒤에도 보가 붕괴하지 않도록 잔존 강도를 확보한다. 둘째, 균열 폭을 제어하여 철근의 부식과 사용성 저하를 막는다. 이 두 목적을 함께 달성하는 것이 전단철근 배근의 실무적 의미다.