전단벽(Shear Wall)의 설계 요령
“전단벽이란” 측방하중(Lateral force resisting system, LRFS) 즉 풍하중과 지진하중 등에 저항하는 구조 중의 하나를 의미한다. 이들은 수평격판 (diaphragm)을 수직으로 지지하며 측방하중을 기초콘크리트에 전달하는 역할을 하는 벽체이다. 혹자는 서까래에 전달되는 하중을 받아 벽이 수직으로 가위처럼 절단되는 형상을 받는 벽체를 전단벽이라 하는 이들도 있는데 이것은 틀린 정의이다.
전단벽을 설계하기 위해서는 수직하중과 측방하중의 크기를 결정해야 하는데 여기서는 임의로 주어진 상태에서 수계산으로 설계하는 제한된 범위 내에서 설계요령을 설명하도록 한다. 목조건축에서 전단벽작용을 발생시키는 주요 구조요소는 덮개(sheathing)와 못(nailing)이다. 그중 중요한 재료들은 OSB, 석고보드, 스타코, 화이버보드, 제재목 마감재 등이 있다. 못의 설계는 별도의 연결부 설계를 다루어야 한다.
전단벽의 설계에서 검토해야 할 사항들은 아래와 같다.
- 덮개의 재료와 두께
- 전단벽의 못박기 설계
- 현재에 대한 모멘트에 의한 압축응력과 인장응력의 검토
- 버팀재에 대한 축응력의 검토
- 홀다운 철물과 앵커의 설계
- 전단패널의 높이-폭 균형비
- 처짐(deflection)
여기서 전단벽의 높이와 폭에 대한 규정은 IBC code에 의한 제한치를 검토한다. 또한 전단벽을 위한 구조용 패널의 재료별 전단응력은 IBC table-2306.4.1. 그리고 SDPWS table-4.3A, A4.3A등을 참고하길 바란다.
위 그림은 전단벽의 두 형태이다. 첫 번째는 세 개의 각각의 전단벽이 캔틸레버 요소로 설계하며 상단의 top에서는 Sideway 현상이 발생한다. 두 번째 그림은 전체 전단벽을 하나의 전단벽으로 설계한다. 즉 opening 주변에는 수직전단류가 흐르고 opening의 위와 아래 부분은 아래 그림과 같이 하나의 beam으로 설계한다.
또 하나의 중요 검토사항은 전단벽의 높이와 폭의 균형비를 제한한다. 이 규정은 IBC코드 규정에 의하며 풍하중에 저항하는 전단벽 설계시 균형비는 3.5이하이고 내진설계에 적용하는 균형비는 2.0이하로 제한된다. 또한 APA의 규정을 참고하여 설계한다.
Anchorage
Anchorage는 고정이란 의미이다. 목조건축에서 고정이란 수직하중 즉 중력에 대한 고려, 벽에 평행한 측방하중을 받을 경우에 대한 고려 그리고 벽에 수직한 측방하중을 받을 경우에 대한 고려로 구분할 수 있다.
먼저 목조건축에서의 고정 즉, 수직하중에 대한 결합부를 보면
- Roof beam 에서 bearing wall 에 대한 장선의 결합부
- girder와 bearing wall 의 결합부
- 기둥과 보의 결합부
- 기둥과 위틀에 대한 결합부
- footing과 기둥의 결합부
- 깔도리와 stud의 결합부 등이 있다.
다음으로 전단벽에 평행한 측방하중을 받는 경우의 결합부를 검토해 보자. 전단벽은 기초콘크리트에 고정되어 캔티레버보로 취급할수 있으며 따라서 기초콘크리트 결합부에서 최대모멘트와 전단력이 발생한다. 이때 전단력과 모멘트에 의한 anchorage는 별도의 결합장치에 의해 저항한다.
먼저 모멘트에 저항하는 결합부의 검토에서는 현재(Chord)에 의해 지지되며 현재에 전달되는 하중은 모멘트를 우력으로 분해하여 구할 수 있다. 결합부의 현재에 대한 설계는 인장력에 대한 검토이다.
만약 측방하중이 그림과 같이 작용할 때 홀다운 철물에는 매우 큰 인장 상향력이 발생한다. 홀다운 철물은 현재(stud)에 부착되고 바닥의 깔도리에 부착된다. 또한 앙카에 의해 기초콘리리트와 연결된다. 이때 앙카의 부착길이와 간격, 개수 등은 설계 하중에 의해 별도 계산식으로 결정해야 한다. 전단벽에 대한 안정성의 검토는 기초콘크리트와 전단벽의 자중을 포함하여 벽 전체에 대한 안정성을 산출한다.
Deflection
전단벽에 대한 처짐의 기준은 ASCE의 규정에 따르며 전단벽의 처짐 산출에 대한 방법은 IBC code에 의한다. 전단벽의 처짐 산출은 아래와 같이 휨모멘트와 전단력에 의한 일반적인 처짐과 함께 전단벽의 덮개와 현재를 부착하는 못의 슬립현상과 고정 볼트의 슬립현상 등에 대한 처짐을 구하여 총 변형령을 구한다.
따라서 총 처짐량 ∆s = ∆b + ∆ v + ∆ n + ∆ a 이며 변위의 모드는 아래 그림과 같다.
전단벽에 수직으로 작용하는 하중에 대한 검토
전단벽의 설계는 기초와 앙카앙카의 부착강도와 앙카의 응력, 전단벽과 연결된 지붕이나 floor 수평 격벽의 풍하중과 지진하중에 대한 저항력을 검토하여야 한다. 그림과 같이 하중이 전단벽의 수직면에 작용할 때 전단벽은 큰 하중을 받게 된다.
이때 벽체에 작용하는 하중은 덮개를 따라 바닥의 bottom plate에 전달된다. 이때 못박기 기준은 IBC 기준에 따라 4개의 8d 못과 2개의 16d 끝면 못박기를 적용하여 stud와 bottom plate를 고정하며 bottom plate와 기초는 J 형 앙카볼트를 사용하여 고정하도록 되어 있다.
앙카볼트의 직경과 개수, 간격등은 구조계산에 의해야 하며 이때 주의할 점은 전단벽과 평행한 하중에 대한 검토시 앙카볼트에 대한 설계와 비교하여 보수적으로 적용해야 한다.이번 호에서는 목조건축에서 가장 많이 적용되는 전단벽에 대하여 설계시 검토 방법과 적용항목에 대해 알아보았다. 목조주택은 전단벽과 내력벽에 의해 지지되는 건축물이라고 해도 과언은 아니다.
따라서 현장에서의 무분별한 변경이나 규정을 준수하지 않는 것은 벽체의 내력을 감소시켜 결국 바닥판이나 수평격벽의 변형, 건축물의 과도한 진동발생 등에 이른다.
소규모 건축기준을 벗어난 골조계획이나 글루램, 패러램 등 공학목재를 사용했을 경우, 그리고 개구부의 크기와 위치를 변경했을 경우 등 변경사항이 발생되었을 때는 반드시 수계산에 의한 방법과 유한요소해석에 의한 컴퓨터 시뮬레이션의 결과를 비교하여 구조검토를 받기 바란다.
l 글 김창환 소장
현재 서울시
립대 과학기술대학원 토목공학과 구조진동 연구실에서 “카본 섬유를 이용한 대형 목구조 물의 보수 보강 공법”에 대하여 연구를 진행하고 있다. 주요 경력은 15년의 토목직 공무원을 지내면서 각종 토지 개발 관련 인허가 및 관급 공사 등의 설계 감독을 수행했다. 퇴직 후 건설회사의 현장소장으 로 근무하면서 대형 국책공사에 다수 참여하였으며 중견 건설사의 싱가포르 해외 법인장을 역임하면서 MCE 고속도로 및 DTL 지하철 역사 등 대형 프로젝트를 총괄하였다. 주요 자격으로는 건설교통부 한국건설기술인협회 특급시공기술자이며 한국엔지니어링협회 특급설 계기술자이다. 현재는 경기도 파주에 소재한 건축공방 나무에서 토목, 건축, 리모델링 공사의 턴키업 무(인허가부터 준공까지 일괄 처리)와 목조건축교육을 담당하고 있다.
건축공방나무 | 김창환 소장