특수모멘트 골조 보단부 전단철근

왜 배우는가: 특수모멘트골조의 보 단부는 지진 때 소성힌지가 생기는 곳이라 전단철근 배근이 내진 성능을 좌우한다. 실무 설계와 기술사 시험 모두에서 설계전단력 산정과 후프 상세를 함께 묻기 때문에 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제136회 4교시 5번, 제97회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

보 단부 전단철근은 지진 시 휨항복 단부가 전단으로 먼저 깨지지 않도록 설계전단력 Ve에 저항하게 배근하는 횡방향 철근이다.

• 특수모멘트골조: 내진 상세 규정을 가장 엄격하게 적용하는 연성 골조 체계다.
• 소성힌지: 지진 하중에서 보 단부에 생기는 휨 항복 영역이다.
• 설계전단력(Ve): 지진력으로 단부에 생기는 전단력으로, 양단 휨강도와 중력하중으로 구한다.
• 후프철근: 폐쇄형 횡방향 철근으로 주근을 감싸 구속하고 전단을 받는다.
• 횡구속: 후프가 압축 콘크리트와 주근의 좌굴을 막아 연성을 확보하는 효과다.
• 전단강도 Vc: 콘크리트가 분담하는 전단강도로, 지진 조건에서는 취급 방식이 달라진다.

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 큰 지진이 오면 보의 양 끝이 먼저 휘면서 힌지가 생긴다. 이 부위는 큰 휨과 함께 큰 전단력을 동시에 받는다. 전단이 휨보다 먼저 깨지면 경고 없이 무너지는 취성 파괴가 되므로, 전단강도를 휨항복 때의 전단력보다 크게 확보하는 것이 설계의 기본이다.

정식으로는, 특수모멘트골조의 보는 지진력에 의해 단부에 생기는 전단력 Ve를 설계전단력으로 삼아 전단철근을 배치한다. 그리고 단부 일정 구간에는 후프를 배치해 연성 거동을 확보한다.

설계전단력(Ve)은 양 단부의 휨강도 합을 순경간으로 나눈 값에 중력하중에 의한 전단력을 더해 구한다.

$V_e = \frac{M_{pr1}+M_{pr2}}{L_n} + \frac{w_u L_n}{2}$

여기서 M_{pr1}, M_{pr2}는 양 단부의 기대 휨강도(kN·m), L_n은 순경간(m), w_u는 계수 등분포하중(kN/m)이다. 기대 휨강도는 철근 인장응력을 항복강도의 1.25배로 두고 계산한다.

후프철근은 전단 저항과 함께 주근 좌굴 방지와 콘크리트 횡구속을 맡는다. 그래서 간격과 갈고리 상세가 전단 계산보다 더 엄격하게 정해진다.

단부 후프 구간은 관련 기준이 정한 부재 춤 배수 길이로 두며, 이 구간에서 간격을 가장 촘촘하게 둔다. 해당 구간 밖에서는 전단 계산값으로 간격을 정한다.

콘크리트 기여분 Vc는 보통 일반 보와 같이 계산하지만, 지진으로 생긴 전단력이 Ve의 절반 이상이고 축력이 작으면 Vc를 0으로 본다. 이때 전단철근이 설계전단력 전부를 맡는다.

3. 등장 배경과 필요성

철근콘크리트 보는 과거 설계에서 휨 위주로 검토하고 전단은 최소 철근으로 처리하는 경우가 많았다. 강진을 겪으면서 보 단부의 전단 파괴가 붕괴로 이어진다는 점이 반복해서 확인됐다. 이에 따라 연성 설계 개념이 도입됐고, 보 단부의 전단철근과 후프 상세가 체계적으로 규정되었다.

국내에서는 2016년 건축구조기준 개정으로 내진 설계 요구가 강화되었고, 이후 학교시설 등 공공 시설의 내진 설계 기준에도 그 개정 사항이 반영되고 있다. 기준은 성능 목표를 먼저 정하고 구체 상세를 뒤에 두는 구조로 바뀌었다.

필요성은 세 가지로 정리된다. 첫째, 힌지 영역의 전단 파괴를 막아 휨항복 후에도 하중을 유지하는 연성을 얻는다. 둘째, 후프로 콘크리트와 주근을 구속해 반복 하중에서 강도 저하를 줄인다. 셋째, 설계전단력을 해석 결과가 아니라 부재의 휨 능력에서 구해 설계자의 판단 편차를 줄인다.

단부 전단철근의 핵심 목적은 휨항복 전에 전단 파괴가 일어나지 않도록 Ve에 대한 여유를 확보하는 것이다.

이 배경 때문에 단부 전단철근은 중력 설계의 보조 철근이 아니라 내진 성능을 결정하는 주요 철근으로 다뤄야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

특수모멘트 골조의 보 단부는 지진 시 소성힌지가 생기는 위치다. 이 구간에서는 전단철근을 촘촘히 배근하여 전단파괴를 막고, 콘크리트 압축부를 횡으로 구속하여 연성을 확보한다. 보 단부 전단철근 설계는 지진 시 단부 전단력 Ve와 콘크리트 전단강도 Vc를 기준으로 한다.

• 단부 전단력은 지진에 의한 휨부재 단부 전단력 Ve 로 본다. 지진력만 고려할 때 콘크리트 전단강도 Vc 는 기여하지 않는 것으로 본다.
• 전단철근이 부담할 값 Vs 는 전단설계식 Vs = Ve − Vc 가 아니라 Vs = Ve 로 두는 것이 특수모멘트 골조 규정의 기본 방식이다.

원리. 소성힌지 구간은 휨항복 후 전단력이 크게 작용한다. 이때 콘크리트가 부담하는 전단은 균열과 반복하중으로 감소한다. 따라서 전단철근이 전단력 대부분을 담당하도록 설계한다. 스터럽 간격 s 를 줄이면 전단철근비가 커지고, 압축콘크리트의 횡구속이 강화되어 연성이 증가한다.

지진 시 보 단부의 설계 전단력은 Ve 이고, 전단철근이 이를 전부 부담하도록 간격을 정한다

절차.

• 보 단부의 지진 설계 전단력 Ve 를 구한다(구조해석 결과 또는 소성힌지 모멘트 기준).
• 후프 적용 구간 길이를 정한다. 기둥 면에서 관련 기준이 정한 길이 이상 구간으로 한다.
• 후프 구간에서 스터럽 간격 s 를 정하고 최대 간격을 검토한다.
• 소요 전단철근 면적 Av 와 간격 s 의 관계식 Vs = Av·fyt·d / s 로 간격을 계산한다.
• 후프 최대 간격 제한을 검토하여 최소값을 채택한다.
• 후프 구간 밖에서는 전단력 분포에 따라 간격을 늘린다.
• 보 측면도와 단면 상세도에 간격, 구간, 피복을 표시한다.

공식. 전단철근의 소요 간격은 다음과 같다.

$s = \frac{A_v \, f_{yt} \, d}{V_s}$

• A_v: 전단철근 1조의 단면적(mm²), D10 2가닥이면 2×71.3mm²
• f_{yt}: 전단철근 설계기준항복강도(MPa), 400MPa
• d: 압축연단에서 인장철근 중심까지 거리(mm)
• V_s: 전단철근이 부담할 전단강도(N)

5. 관련 법령·기준·표준

관련 기준은 콘크리트구조 설계기준(KDS 14 20 80)의 특수모멘트골조 규정과 건축구조기준(KDS 41 17 00)의 내진 상세 규정이다. 두 기준은 보 단부 후프와 전단설계 방법을 함께 규정한다.

• 후프 최대 간격 값은 종방향 철근 지름, 후프 지름과 함께 비교하여 가장 작은 값을 쓴다.
• 구간 밖의 간격 상한 d/2 는 후프 구간을 벗어난 전단철근에 적용한다.
• 내진 상세 규정은 보 단부 소성힌지 길이와 연계되므로, 설계 보의 춤과 기둥 폭을 함께 확인한다.

보강 조건. 이 구간의 횡방향 철근은 압축 콘크리트를 구속하고 좌굴을 막는다. 스터럽의 135도 갈고리 정착이 필요하며, 스터럽 간격 변경은 10mm 단위로 한다.

6. 유형과 비교

특수모멘트 골조의 보 단부 전단철근은 보의 단부가 지진 시 소성힌지로 작동하는 위치인지에 따라 설계 방식이 달라진다. 같은 보라도 설계 전단력을 결정하는 방법, 후프 배근 범위, 간격 상한을 구분해서 적용해야 한다. 아래 표는 단부 구간과 중앙 구간의 전단철근 조건을 나란히 놓은 것이다.