전단작용의 해석 및 전단철근 배근 방법

콘크리트 보의 실험결과를 관찰한 초기의 엔지니어들은 휨모멘트와 전단력이 작용하는 콘크리트 보의 균열과 파괴형태를 나타내기 위한 여러 가지의 해석개념을 제안하였습니다. 그 대표적인 것으로, 보의 거동을 트러스와 유사하게 보는 트러스 유사법(truss analogy)과 아치와 유사하게 보는 아치 유사법(arch analogy)이 있습니다.

 

Ritter가 제안한 후 Morsch가 발전시키고 더욱 더 널리 소개한 트러스 모델입니다. Ritter는 일반적인 트러스 모델을 제안하였고, Morsch는 경사재를 응력장으로 취급할 수 있음을 소개하였습니다. 트러스 모델은 보의 거동을 트러스와 유사한 것으로 보고, 트러스로 해석하는 모델입니다. 즉, 트러스에서는 휨모멘트에 의하여 짝힘으로 작용하는 압축려과 인장력의 트러스의 상현재와 하현재가 각각 받습니다. 콘크리트 보를 트러스와 유사하게 해석한다면, 단면 상단의 콘크리트가 압축력을 받는 상현재로 보고 단면 하단의 인장철근을 인장력을 받는 하현재로 보는 것입니다.

 

또, 사인장균열 사이의 콘크리트가 압축력을 받는 경사재의 역할을 하고, 수직방향으로 배치된 전단철근이 인장력을 받는 수직재의 역할을 하는 것으로 보는 것입니다. 트러스 모델은 사인장균열의 각도를 하나의 일정한 값으로 하여, 그 각도와 동일한 방향으로 경사재를 배치한 모델을 결정하게 됩니다. 따라서 트러스 모델은 해석이 간편한 장점이 있어서 콘크리트 구조물에 대한 대부분의 설계기준에서 전단강도의 해석 모델로 채택된 모델입니다.

 

 

아치모델은 주인장응력에 의한 사인장균열이 아치의 형상으로 발생하여, 주인장응력의 직각방향으로 작용하는 아치 형상의 주압축응력을 콘크리트가 압축으로 저항한다고 보는 것입니다. 부재의 하단에 수평으로 배치된 인장철근은 타이형 아치구조의 인장 타이로 작용하여, 아치에 작용하는 압축력의 수평성분과 평형을 이룹니다.

 

아치 모델 이외에도 골조모델(frame model)과 빗살모델(comb model) 등도 제안 되었습니다. 골조 모델은 콘크리트 부재의 거동이 골조와 유사하다고 보고, 골조의 해석방법을 적용하는 모델입니다. 빗살 모델은 균열 사이의 콘크리트 부분이 캔틸레버로 거동하는 치아와 유사하다고 보고 해석하는 것으로서, 그 형태가 빗 보양과 유사하여 빗살 모델이라고 부르는 것입니다.

 

그러나 이와 같은 모델들은 전단균열이 발생하여 파괴에 이르는 거동을 이해하는 데에 도움이 되지만, 정량적인 값을 구하기 위한 해석방법이 실용적이지 않고 파괴강도의 예측에 정확성을 기대하기 어려운 측면이 있습니다. 따라서 콘크리트 구조물에 대한 대부분의 설계기준은 트러스모델을 전단강도의 해석 모델로 채택하고 있습니다.

 

 

트러스 모델은 콘크리트와 강재가 트러스를 구성하여, 콘크리트가 압축력을 받는 상현재와 경사재의 역할을 하고 강재가 인장력을 받는 수직재와 하현재의 역할을 합니다. 하현재로 배치된 강재는 휨모멘트를 저항하도록 배치된 철근이나 프리스트레싱 강재가 그 역할을 하고, 수직재로 배치된 강재는 전단력을 저항하도록 배치된 철근이 그 역할을 합니다. 전단철근은 전단력에 저항하는 역할 외에도 추가의 기능을 발휘하는데 전단철근의 기능으로는 다음과 같습니다.

 

부재의 외력으로 작용하는 전단력에 저항하여 콘크리트 부재의 전단강도를 증가시킵니다.

 

사인장응력에 의하여 발생하는 콘크리트 부재의 사인장균열이 진전될 때, 균열폭의 증가를 억제하고 골재 맞물림 작용에 의한 균열면의 전단강도를 증가시킵니다.

 

인장연단의 콘크리트 피복과 인장 주철근에 의하여 발휘되는 장부작용으로 전단력을 저항할 수 있도록 인장 주철근을 감싸서 지지합니다.