연결보 대각철근

왜 배우는가: 연결보는 전단벽 사이를 잇는 짧은 보로, 지진 시 큰 전단력을 받아 먼저 손상되기 쉽다. 연결보 설계는 전단벽 구조의 에너지 소산 능력을 좌우하므로 실무 설계와 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제131회 4교시 2번, 제101회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

연결보 대각철근은 짧은 연결보의 전단력을 대각선 방향 철근이 인장·압축 부재로 직접 부담하도록 배근하는 철근이다.

• 연결보
• 대각철근
• 세장비
• 전단 지배 거동
• 대각 스트럿
• 횡구속
• 특수구조벽체

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 두 벽을 잇는 짧은 보가 지진 때 좌우로 크게 흔들리면서 휨보다 전단으로 먼저 깨지는 현상을 막는 철근이다. 일반 보처럼 위아래 휨철근과 스터럽만 두면 대각 방향 균열이 빠르게 벌어지고 강도와 연성이 함께 떨어진다.

정식으로는 연결보(Coupling Beam)를 두 개 이상의 전단벽을 연결하여 횡하중에 대한 저항을 일체로 작동시키는 보로 정의한다. 연결보의 세장비는 보 순경간 ln과 전체 깊이 h의 비 ln/h로 나타낸다. 짧을수록 전단 지배 거동이 뚜렷해진다.

관련 기준이 정한 세장비 기준 미만인 짧은 연결보에서 전단력이 큰 경우에는 대각철근을 쓴다. 대각철근은 좌우 벽체를 잇는 대각 스트럿을 따라 배근되어, 한 쪽은 인장을 받고 다른 쪽은 압축을 받는다. 그래서 전단력은 두 대각 철근 다발이 나누어 받는다. 이 철근 다발은 횡철근으로 감싸야 압축 좌굴과 콘크리트 박리를 막을 수 있다.

대각철근은 연결보의 중심선에 대해 대칭으로 두 방향 엇갈려 배치한다. 각 방향 철근 다발은 보 단면의 대각선 방향으로 놓이며, 배근 각도 α는 보 축과 이루는 각이다. 이 각도가 작을수록 필요한 철근량이 커진다. 실무에서는 대각철근을 정착 길이가 충분히 확보되도록 벽체 안으로 깊이 넣는다.

세장비는 연결보의 거동을 가르는 핵심 지표다. 세장비가 크면 휨 지배형에 가까워 일반 보 철근으로 설계할 수 있다. 세장비가 작으면 전단 지배형이므로 대각철근, 전단 스트럿 모델, 횡구속 상세가 필요해진다. 답안에서는 세장비 기준을 먼저 쓰고, 그 기준에 따른 보강 방법을 나누어 쓰는 것이 흐름상 자연스럽다.

횡구속은 대각철근 다발을 띠철근이나 스터럽으로 감싸 압축부 좌굴을 방지하고 콘크리트 코어를 구속하는 상세다. 대각철근만으로는 반복하중에서 콘크리트 피복이 떨어지고 철근이 휘는 현상을 막기 어렵기 때문에 횡철근을 함께 배근한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 전단벽 구조는 연결보를 일반 휨보처럼 설계하는 경우가 많았다. 그런데 지진 시 연결보는 큰 회전각을 받으면서 대각 방향 전단균열이 생기고, 그 결과 강도가 급격히 떨어졌다. 전단벽 사이의 연결 작용이 사라지면 두 벽체는 각자 흔들리고, 건물 전체의 횡강성과 에너지 흡수 능력이 함께 줄어든다.

이 문제를 해결하려는 연구가 이어졌다. 수평철근만 배근한 연결보 실험에서는 강도가 스트럿-타이 모델 예측값의 약 1.5배로 나타났다. 이는 스트럿-타이 모델이 수평철근 배근 연결보의 강도 예측에 쓸 수 있음을 보여 주는 결과다. 한편 대각철근을 배근한 연결보 연구에서는 축구속 조건이 있을 때 강도가 설계 공칭강도보다 크게 증가하는 경향도 확인됐다. 따라서 설계에서는 구속 조건과 세장비를 함께 고려해야 한다.

특수구조벽체에서 연결보는 지진 에너지를 소산시키는 주요 부재다. 연결보가 먼저 항복하고 벽체는 탄성 상태를 유지하도록 설계하는 것이 일반적인 목표다. 이 설계 개념을 구현하려면 연결보 전단강도를 충분히 확보해야 한다. 대각철근은 그 확보 수단이다.

또 대각철근은 시공성과 밀접하다. 연결보는 깊이가 크지 않아 철근이 밀집하기 쉽다. 대각철근과 횡철근이 겹치면 콘크리트 타설이 어렵고 공극이 생긴다. 그래서 설계 단계에서 철근 간격과 피복을 검토하고, 대각철근 다발을 묶는 상세를 미리 정해야 한다.

이 세 가지 배경, 즉 전단 파괴 방지, 연성 확보, 시공성 확보 때문에 연결보 대각철근은 설계기준에서 별도 조항으로 다룬다. 답안에서는 이 세 가지를 순서대로 쓰면 필요성을 빠짐없이 설명할 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

연결보 대각철근 설계는 연결보가 전단과 휨을 함께 받는 짧은 부재라는 점에서 출발한다. 전단 지배 거동을 막기 위해 대각방향으로 배근된 철근이 인장과 압축을 나눠 받도록 구성한다. 실무에서는 대각철근, 횡구속, 전단 지배 거동을 구분해 설명하는 것이 핵심이다.

표는 연결보 주요 구성요소를 정리한 것이다. 대각철근은 Diagonal Reinforcement로 배치하며, 보 축과 이루는 각도가 작을수록 전단 저항 효율이 떨어진다.

연결보의 원리는 다음과 같다. 보 양단이 벽체와 연결되어 있으므로 연결보에는 큰 전단력이 발생한다. 세장비가 작은 짧은 연결보는 전단 지배 거동을 보인다. 이때 대각철근은 전단력을 대각 압축대와 인장 타이로 나누어 전달한다. 대각 압축대의 힘은 콘크리트가 받고, 대각 인장철근이 인장력을 받는다. 따라서 대각철근의 면적은 전단력에서 직접 산정된다.

전단력이 작용할 때 대각철근은 다음 식으로 산정한다.

$V_n = 2 A_{vd} f_y \sin\alpha$

여기서 V_n은 공칭 전단강도(N), A_{vd}는 대각방향 철근 한 군의 단면적(㎟), f_y는 철근 항복강도(MPa), \alpha는 대각철근과 보 축이 이루는 각도이다. 대각철근 두 군이 전단력을 나누어 받으므로 계수 2를 곱한다.

대각철근 배근 절차는 다음과 같다.

• 연결보의 설계 전단력과 세장비를 구한다.
• 세장비로 전단 지배 여부를 판정하고 대각철근 적용 여부를 정한다.
• 설계 전단력을 대각철근 두 군에 나누어 필요 면적을 산정한다.
• 대각철근 각도와 정착 길이를 정한다.
• 대각철근을 횡철근(띠철근)으로 감싸 구속한다.
• 보 전체를 횡구속하는 경우 단면 전체를 폐쇄형 띠로 감싼다.
• 벽체 내 정착을 확인하고 상세를 도시한다.

도식 1개로 대각철근과 횡구속 상세의 관계를 나타낸다.

5. 관련 법령·기준·표준

연결보 설계의 기준은 콘크리트 내진설계기준(KDS 14 20 80)에 따른다. 이 기준은 특수구조벽체의 연결보 상세를 규정한다.

표는 연결보 설계에 쓰는 주요 기준을 모은 것이다. 세장비 기준은 전단 지배 여부를 가르는 판정 기준으로 쓴다. 대각철근 각도와 구속 상세는 시공 조건에 따라 정한다.