철근콘크리트 벽체 설계

왜 배우는가: 벽체는 고층·내진 건물에서 수평력을 가장 많이 받는 구조 요소라 시험에서 반복 출제된다. 축력과 휨모멘트가 함께 작용할 때의 검토가 핵심이므로 기둥 설계와 연결해 익혀야 한다.

출제 이력: 제122회 4교시 1번, 제100회 3교시 4번, 제91회 2교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

철근콘크리트 벽체 설계는 면내 축력·휨·전단을 받는 벽체의 단면과 수직·수평 철근을 정해 설계강도가 소요강도 이상임을 확인하는 과정이다. 핵심 키워드

• 내력벽
• 전단벽
• 면내 휨·축력 상호작용
• 등가직사각형 응력블록
• 수직·수평 분포철근
• 경계요소
• 면외 편심
• 설계강도 φPn·φMn

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면 벽체는 건물의 세운 판이다. 위층 바닥의 무게는 축력으로 아래로 내려가고, 지진이나 바람의 수평력은 판 평면 안에서 전단과 휨으로 전달된다. 벽체 설계는 이 판이 어느 정도의 힘까지 버티는지 계산하는 일이다.

정식으로는 벽체를 길이가 두께에 비해 현저히 큰 연직 판 부재로 정의한다. 주로 수평력에 저항하는 벽을 전단벽이라 하고, 주로 연직 하중을 받는 벽을 내력벽이라 한다. 두 벽 모두 같은 원리로 축력과 휨을 검토한다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

• 면내 휨·축력 상호작용: 축력 Pu와 휨모멘트 Mu가 함께 작용할 때 단면이 견디는 조합을 P-M 상관도로 나타낸다. 편심 e=Mu/Pu가 작으면 압축 지배, 크면 휨 지배가 된다.
• 등가직사각형 응력블록: 압축 연단 변형률 0.003에서 콘크리트 압축응력을 $0.85f_{ck}의 직사각형으로 본다. 압축 깊이는 a=\beta_1 c$로 구하며 β1은 fck에 따라 정한다.
• 수직·수평 분포철근: 벽면 전체에 일정 간격으로 배치하는 철근이다. 수직근은 휨과 축력에, 수평근은 전단과 균열 억제에 주로 기여한다.
• 경계요소: 벽단부처럼 압축 변형률이 커지는 영역을 띠철근으로 구속해 보강한 부분이다.

설계강도는 강도감소계수를 곱해 구한다. 압축지배 단면의 φ는 φ=0.65이고, 인장지배 단면의 φ는 φ=0.85이다. 중간 영역은 두 값 사이를 직선으로 보간한다.

$\phi P_n,\quad \phi M_n$

여기서 Pn은 공칭 축강도, Mn은 공칭 휨강도이고, φPn·φMn이 각각 소요 Pu·Mu 이상이어야 한다.

벽체 설계의 기본 절차는 다음과 같다.

• 소요강도 Pu, Mu를 구하고 편심 e=Mu/Pu를 계산한다.
• 편심으로 압축 지배인지 휨 지배인지 판단한다.
• 철근비를 가정하고 P-M 상관도로 설계강도를 검토한다.
• 분포철근의 최소량과 간격, 필요 시 경계요소를 확인한다.

예를 들어 Pu=1500kN, Mu=2200kN·m이면 e=2200/1500=1.467m, 즉 1467mm이다. 편심이 벽길이에 비해 크므로 인장측 철근이 설계를 지배하는 경우가 많다. 결과가 벽길이 2600mm 이내인지 먼저 확인해 단면 형태를 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

벽체는 고층 건물에서 수평력을 가장 많이 저항하는 요소다. 바람과 지진의 수평력이 커지면서 단면이 큰 벽체가 널리 쓰이게 됐다. 벽체는 기둥이나 보와 달리 면 안에서 힘이 흐르므로 별도의 설계 원리가 필요하다.