12 장 벽체 설계

12 장 벽체 설계

12-1 개요

Ÿ 벽체는 크게 칸막이벽과 외벽 등 구조 기능을 갖지 않는 벽과 내력벽 및 전단벽 등 구조 기능을 갖는 벽으로 나눌 수 있다.

ü 칸막이벽 : 내화 성능을 가지면서 공간을 구획하는 벽 ü 외벽 : 건물의 내외를 구획하는 벽, 장막벽

ü 내력벽(Bearing Wall) : 자중과 더불어 연직 방향으로 전달되는 하중을 지지하는 구조 기능을 가진 벽, 실용설계법(축하중) 혹은 압축재(축하중+약축 휨모멘 트)로서의 설계

ü 전단벽(Shear Wall) : 철근으로 보강되어 연직하중과 함께 바람, 지진 등에 의한 수평하중도 지지할 수 있게 설계된 벽체. 수평하중에 의한 전단력과 휨(강축에 대한)에 대한 설계

비내력벽

내력벽

2) 벽체에 작용하는 하중

① 지붕이나 각 층 바닥슬래브 또는 벽체에 의하여 지지된 보로부터 전달되는 연직력

② 풍하중, 수압, 토압 등에 의한 수직벽체에 가해지는 면외 횡력

③ 풍하중이나 지진력 등에 의하여 가해지는 면내 횡력

12-2 내력벽의 설계

내력벽은 구조 기능면에서 기둥과 같이 휨과 압축을 받는 구조부재.

12.2.1 기본 사항

1) 집중하중에 대한 벽체의 유효 수평길이

내력벽에 작용하는 집중하중에 대하여 벽체의 유효 수평길이는 하중 사이의 중심거리나 또 는 지압폭에 벽두께의 4배를 더한 값을 초과하지 않는 길이로 한다.

2) 최소 수직철근비와 최소 수평철근비 ( 벽체의 전단면적에 대해 )

최소 수직철근비 최소 수평철근비

_≥  이상인 D16이하 철근 0.0012 0.0020

기타 철근 0.0015 0.0025

3) 철근배근

① 수직, 수평철근의 배근간격; 벽두께의 3배이하 혹은 450mm이하

② 두께 250mm이상의 벽체의 배근; 각 방향으로 벽면에 평행하게 복배근(2단배근)

4) 벽체의 최소 두께

① 실용설계법으로 설계하는 경우 내력벽의 수직 또는 수평 지점간의 거리 중 작은 값의 1/25이상 또한 100mm이상. 지하실 외벽이나 기초벽체 두께는 200mm이상.

② 압축재 설계법으로 설계하는 경우에는 최소 두께 제한을 받지 않는다.

③ 비내력벽에서는 최소 두께를 100mm이상 또는 이를 수평으로 지지하고 있는 부재 최소 거리의 1/30이상.

5) 개구부 보강

이열 배근된 벽체에서 2개의 D16이상 철근을, 일렬 배근된 벽체에서 한 개의 D16이상 철근 을 창이나 출입구 등의 개구부 주위에 배치하여야 한다.

설계 방법

1. 벽체를 띠기둥의 연속으로 생각하여 단위 폭에 대하여 기중과 같이 휨과 축하중을 받는 부재로 설계 하는 방법(편심거리  ≤  인 경우)

2. 설계기준 11.4.2의 실용설계법을 적용하는 방법(편심거리    인 경우)

12.2.2 실용설계법

1) 적용제한

① 모든 설계하중(수직하중)의 합력이 벽두께의 중앙이내에 위치하는(편심이 이내에 위치) 장방형 단면의 내력벽 : 편심거리 e 가  이내에 위치하면 벽체 단면내에서의 인장응력이 발생하지 않고 전단면 압축응력이 작용함.

② 실용설계법에 의한 벽체의 최소두께; 수직 혹은 수평지점간의 거리 중 작은 값의 1 25 이 상 또는 100mm이상. 단, 지하실외벽 및 기초벽체의 경우 200mm이상. 압축재 설계방법 으로 설계하는 경우에는 최소두께 제한을 받지 않는다.

2) 설계규준

_ ≦ _

_    __^







_





0.55 ; 압축재 산정시 축하중에 대한 편심이 인 경우를 고려한 계수 1 - ( kl_c

32h ^{) 2} ; 벽체의 세장효과를 고려한 함수 h ; 벽체의 춤(두께)

Ag ; 벽체 전 단면적

l_c ; 지점간의 수직길이 (높이)

k ; 압축재의 유효길이 계수 → 벽체양단의 구속조건에 따라

⑴ 횡구속된 벽체 (상하단에서 수평이동이 구속된 벽체)

① 상하 양단에 한쪽 혹은 양쪽의 회전이 구속된 경우; 0.8

② 상하 양단의 회전이 불구속된 경우; 1.0

⑵ 횡구속 되지 않은 벽체 (수평이동이 구속되지 않은 벽체); 2.0

3) 실용설계법의 설계 방안

① P_u≤ φ P_nw

② 최소 수직철근비, 최소 수평철근비가 모두 만족되도록 설계

③ 최소두께규정

＊ 계산상 편의를 위해 폭 1m에 대해 산정됨.

P_u ; 벽체 폭 1m 가 부담하는 계수축하중 φP_nw ; 벽체 폭 1m 에 대한 축하중 강도식

＊ P_u

A_g ≤ ΦP_nw

A_g 로 검토될 수도 있음.

＊최소철근비에 의한 복배근 설계시(폭 1000mm 대해) A_sv   × ×h → s  A_sv

 ×a_복배근

A_sh   × ×h → s  A_sh

 ×a_복배근

12.2.3 압축재 설계법

∙ 축하중 혹은 축하중과 휨을 받는 내력벽으로서 실용설계법 적용범주를 만족하지 못할 경우

→ 휨과 축하중을 동시에 받는 압축재(편심과 세장효과 고려)로 설계.

∙ P_u≤ φ P_{n ,} M_u≤ φ M_n

→ 세장효과에 의한 확대 휨모멘트도 고려

12-3 전단벽 설계

전단벽은 지상에 고정되어 캔틸레버와 같은 거동을 하며, 풍하중이나 지진하중 등 수평하중에 의한 전단력과 휨모멘트 및 중력하중에 의한 축압력을 기초에 전달하는 역할을 한다.

(1) 설계시 고려사항

∙전단벽의 역할 : 수평하중에 의한 전단력, 휨모멘트 및 수직하중에 의한 축력에 저항.

∙전단벽의 위치 : 건물의 외벽 또는 구획벽, 설비용core벽(elevator shaft, 계단실 등)

∙전단벽의 배치 : 건물중심과 전단중심(강성중심)이 일치하지 않을 경우에는 비틀림변형이 발 생하므로, 전단벽을 대칭으로 배치하여 비틀림의 영향을 최소화 한다.

[전단벽의 편심 배치에 의한 비틀림]

[전단벽의 배치]

∙수평력 분담 : 기둥 및 전단벽으로 이루어진 건물은 슬래브로 서로 연결되어 변위의 적합조 건을 만족하게되어, 기둥과 전단벽의 강성비에 따라 수평력을 분담한다.

[슬래브를 통한 수평력의 전단벽 전달]

∙ 전단벽 형상에 따른 힘의 조건

① 길이에 비해 높이가 작을 경우 ; 수평전단력 설계가 중요.

② 길이에 비해 높이가 클 경우 ; 휨모멘트 설계가 중요.

[전단벽에 작용하는 힘들]

∙ 저층구조물의 전단벽 설계는 보통 최소 철근비 설계로 무방.

고층구조물의 전단벽 설계는 전단설계 및 휨설계 고려.

․강축에 대한 전단 설계 ; 수직, 수평근 보강.

․강축에 대한 휨 설계 ; 양단부 보강.

(2) 설계 개념

1) 전단벽과 골조의 상호 작용

․전단벽; 휨변형 모드 거동

․골조; 전단변형 모드 거동

각층에서의 변형이 같으려면 상부에는 인장력, 하부에는 압축력이 발생.

2) 설계방안

∙전단벽; 횡력(수평하중)부담 골조 ; 수직하중 부담

∙전단벽(가새역할)의 휨강성이 1개층 기둥 휨강성 총합의 6배이상이면 골조는 완전히 버팀지 지 된 것으로 간주됨. 수평하중에 대해선 버팀지지되므로 골조는 수직하중에 대해서만 설계 가능. 즉, slab의 diaphragm거동에 의해 임의 층의 기둥과 전단벽의 변형은 동일하게 거동하 므로, 상대적으로 강성이 작은 기둥은 외부수평하중을 거의 안 받는 것으로 가정함.

따로 해석하여 설계함.

(3) 전단설계

1) 기본 설계식

_ ≦ _

_  _ _{ ≦  }



 



( h ; 전단벽 두께, d ; 전단벽 유효춤 =0.8l_w )

2) 콘크리트 전단강도 V_c

① 벽체에 압축력 작용시

_{  }







② 벽체에 인장력(Nu)작용시

_{  }



  _

_





_ ; 계수 인장력 ( - 부호로 계산)

_{ ; 벽체 수평단면적}

3) 전단검토를 위한 위험단면

; 벽체 밑면에서 l_w

2 혹은 h_w

2 중 작은값 만큼 위치 (l_w ;벽체의 수평길이 , h_w ; 벽체높이 )

4) 수평전단 보강근의 간격  : 다음의 ①，②，③중 최소값

① V_u≥ φ V_n 이면 전단보강 필요

∙수평전단보강근의 공칭전단강도

_{  }

_

__

∙수평전단 보강근의 수직간격 

_ ≤ _

__

 _  _

__

_{ ;}간격내의 수평전단보강근 단면적→복배근일 경우 _  _

② 수평전단 보강근의 최소철근비

전체 수직단면적에 대한 수평전단보강근의 철근비 ^

_  _

_

≧ _min  

∴  ≦ 

_

( 복배근 경우 _  _ )

③ 수평전단보강근의 간격

_≤ min



_

   



5) 수직전단보강근 설계

① 수직전단보강근이 전체 수평단면적에 대한 철근비 ρ_n

_ = 0.0025 + 0.5 ( 2.5 - h_w

l_w ^{)( ρ} - 0.0025 ) ≥ 0.0025

＊ 폭 1m에 대해 _  _× ×

_  _

 ×_

②  ≤



_

  



③ 수직전단보강근은 수평전단보강근보다 더 많이 배근할 필요는 없다.

(4) 휨설계 ( 등간격 배근 경우 )

전단벽의 수직방향 응력은 휨모멘트와 축압축령에 의하여 생기며, 기초에 면한 부분에서 최 대가 된다.

＊휨설계방안

① 등간격 철근배근시 ; 설계방안은 간단하나 큰 모멘트를 받는 고층건물엔 비효율적임.

② 양단부 집중배근시 ; 설계방안은 복잡하나 효율적임

→ 이 경우 철근의 정확한 위치와 철근량에 따라 변형도를 계산하여 강도산정.

＊ 전단벽 휨설계 응력 → 수직근 설계

수직방향응력인 휨응력(휨모멘트)과 축응력(축압축)의 조합설계

[등간격 배근된 벽체]

[등간격 배근된 벽체의 변형률]

1) 기본사항

① 작용력 ; 축력 _

면내 휨모멘트 _{ ( =} _ ×  )

② 변형도 ; 선형변화 (평면유지 가정)

③ 응력도

콘크리트 응력도

⇒ 보의 등가응력블럭 개념 고려 철근 응력도

중립축에서 β_c 이내 부분의 철근은 아직 항복 않음.

중립축에서 β_c를 넘는 부분 철근은 모두 항복한 것으로 가정(ε, 에 도달)

④ 각종 변수 (다음 쪽 그림 참조) c ; 압축단에서 중립축까지 거리 h ; 전단벽 두께

β₁ ; 등가응력블럭 계수 l_w ; 전단벽 춤

_ ; 수직 철근비 = A_SV(수직철근량) l_wh

β  ε_ ε_

 

ε_

; ( β․ｃ       에서 )

; 철근이 최초로 항복 ( ε_y에 도달 ) 되는 지점까지의 거리비

[등간격 배근된 벽체의 내력]

2) 힘의 평형조건을 이용한 중립축거리 ^산정

① 콘크리트 압축력 ^ : 보의 등가응력불럭개념 도입

_  _β_  ( 0.85 f_ck (블럭높이) , β₁c (블럭길이) , h (블럭폭) )

② 압축철근 내력 _

_  ρ_   

β_ (ρ ; 수직철근비 ,   

β_ ; 수직단면적)

③ 인장철근내력 T_s

T_s= ρh(l_w-c- βc 2 )f_y

④ 수직방향에 대한 힘의 평형조건 적용 C_c+ C_s- T_s- N_u= 0

0.85f_ck^β₁c h + ρ_nh(c - βc

2 )f_y- ρ_nh(l_w- c - βc

2 )f_y- N_u = 0

⑤ c에 관한 방정식 유도

∴ _

  __ _β__

___

; c 산정가능

= w+ α

2w^{+ 0.85 β}₁ ⁽w= ρ_nf_y

f_ck ^{, α =} N_u l_wh f_ck ⁾

3) 단면의 공칭 휨모멘트 _{ 산정}

_  _ _  _ 의 중립축에 대한 모멘트 산정 ( 반시계 방향 + )

_  _



_

  



_  _β_     β_

 _{: 내력} _{에 대한 모멘트}

_ 



  β





_ 



β^

 _   β   

_   β





모멘트 평형조건 _  _  _  _  이고, ^ _이다.

∴ _ __ _





^





∴ _ __ _





^



 β_



여기서, 편심이 큰 경우 중립축길이 c 가 작아지므로,

⇒ _

_^

^ = 0 , β  로 가정

설계모멘트 ^은 다음과 같이 구할 수 있다.

∴ _  __ _  __

_

  _

 

  ____  

4) 설계방안

① 전단설계에서 수직전단 보강근 ρ_n or A_sv 산정

② 수직전단보강근에 의한 설계모멘트 _{ 산정}

φM_n ^{= φ 0.5 (}A_svf_y⁺N_u^{) (}l_w^-c⁾

③ _{ 산정}

_  _  _ 또는 해석결과에 의한 _적용

④ _ ≧ _

; 수직전단 보강근만으로도 충분함.

⑤ _  _ (설계강도가 소요강도보다 작은 경우 추가 철근배근 → 양단부에 대칭배근) a) _^＊_{ }

_

_ _

: 약산식임

z ; 양단부 추가철근의 중심사이의 거리 b) _{  }

^

_ _

→  → _    ( d = 0.8l_w )

→ deep beam으로 설계하면 더 정확.

[예제 12-2의 전단벽]

[예제 12-2의 전단벽의 철근 배근]