무량판 구조와 뚫림전단 완전 가이드: 위험단면·최소 전단철근·지판 끊어치기·철근 연속성과 시공 중 하중

보가 없어 전단이 기둥 둘레 한 경로에 몰리는 구조부터, 내부·외부·모서리 접합부에서 달라지는 위험단면, 부재 깊이 400 mm 초과 시 계산과 무관하게 넣는 최소 전단철근, 원칙적으로 금지된 지판 끊어치기, 뚫린 뒤 슬래브를 매다는 주열대 하부철근 연속성, 그리고 조문에 들어온 시공 중 조경 토사 하중

무량판 구조는 보 없이 기둥이 슬래브를 직접 받치는 바닥 방식이고, 그래서 슬래브가 기둥에 전달해야 할 전단력이 기둥 둘레의 좁은 면적에 몰린다. 보가 있는 구조에서는 슬래브가 보로, 보가 기둥으로 힘을 넘기며 경로가 나뉘지만, 무량판에서는 그 중간 단계가 없다. 기둥 주변 한 곳이 뚫리면 대체 경로도 없다.

이 방식이 쓰이는 자리는 셋이다. ① 층고를 줄여야 하는 건물 — 보가 없으면 같은 높이에 층을 더 넣을 수 있다. ② 설비가 복잡한 천장 — 보를 피해 배관을 돌릴 필요가 없다. ③ 지하주차장 — 보 없는 평평한 천장이 주차 계획과 차량 통행에 유리하다.

이 글은 KDS 41 20 00 건축물 콘크리트구조 설계기준에 2024년 신설된 4.8.1 「무량판 구조 설계 특별 고려사항」의 조문을 인용한다. 신설 조항이 무엇을 요구하는지를 조문 그대로 짚는다. 계수와 식은 옮겨 적지 않는다.

1. 위험은 한 지점이 아니라 하나의 둘레에 있다

무량판에서 슬래브가 기둥으로 힘을 넘기는 곳은 기둥 단면이 아니라 그 주위를 도는 위험단면이다. 이 면을 따라 슬래브가 원뿔 모양으로 밀려 내려가는 것이 이방향 전단(뚫림전단) 파괴다.

신설 조항은 이 위험단면을 어디에 그릴지부터 규정한다. 기둥이 슬래브 안쪽에 있으면 기둥면에서 일정 거리 떨어진 폐쇄형 단면이 되지만, 가장자리나 모서리에 있으면 이야기가 달라진다.

기둥이 슬래브의 경계면 인근에 배치되는 외부 접합부의 경우, 기둥면에서 슬래브 경계면까지 이르는 거리가 슬래브 두께의 4배 이하일 때 슬래브 경계면까지 위험단면을 연장해야 한다. 그러나 위험단면을 연장하더라도 기둥면에서 일정 거리 떨어진 가상의 폐쇄형 위험단면보다 그 길이가 더 길지 않아야 한다. — KDS 41 20 00, 4.8.1.2 (3)

같은 조항이 모서리 접합부도 다룬다 — 같은 방법으로 산정하되 사선형 위험단면보다 길지 않아야 한다. 요지는 하나다. 가장자리와 모서리에서는 힘을 나눠 받을 둘레가 짧다. 내부 기둥은 사방으로 둘레가 열려 있지만, 모서리 기둥은 두 방향뿐이다. 같은 기둥 축력이라도 단위 길이당 전단이 훨씬 크다.

그래서 무량판의 검토는 기둥별로 다르다. 평면에서 가장 불리한 기둥은 축력이 가장 큰 기둥이 아니라 축력 대비 위험단면 둘레가 가장 짧은 기둥일 수 있다.

2. 최소 전단철근 — 계산이 통과해도 넣어야 하는 경우

신설 조항의 핵심은 전단보강을 계산 결과에만 맡기지 않는다는 점이다.

이방향 전단에 대한 계수전단력이 콘크리트에 의한 설계전단강도를 초과할 때에는 전단철근을 배치하여야 한다. 또한 부재 깊이가 400 mm를 초과하는 무량판 구조(전이슬래브 제외)의 전단철근량은 최소 전단철근량 이상이어야 한다. — KDS 41 20 00, 4.8.1.2 (1)

두 문장이 서로 다른 일을 한다. 앞 문장은 계산이 부족하면 보강하라는 조건부 요구이고, 뒤 문장은 계산과 무관하게 두께 조건만 맞으면 최소량을 깔라는 무조건 요구다.

깊은 부재를 따로 지목한 데는 이유가 있다. 슬래브가 두꺼워질수록 콘크리트만으로 버티는 전단강도는 단면 크기에 비례해 커지지 않는다. 그리고 두꺼운 슬래브의 뚫림 파괴는 예고가 거의 없다. 전단철근이 없는 무량판의 파괴는 취성적이고, 최소량은 파괴 후에도 슬래브가 기둥에 걸려 있게 하는 최소한의 보험이다.

배치에도 조건이 붙는다. 전단철근은 기둥면에서 일정 거리 이상 연장된 구간에 배치되어야 하고, 철근 간의 간격에도 상한이 있다. 기둥 바로 옆에만 넣으면 보강이 끝나는 자리 바깥에서 다시 뚫린다. 확대머리 전단스터드를 쓰는 경우에는 최소량과 함께 KDS 14 20 22의 상세 조건도 만족해야 한다.

3. 콘크리트를 끊어치면 지판이 지판이 아니게 된다

지판은 기둥 주위 슬래브를 두껍게 만들어 위험단면의 유효깊이를 키우는 장치다. 그런데 이 효과는 지판과 슬래브가 하나의 단면으로 함께 거동할 때만 성립한다.

플랫슬래브에 지판을 설치하는 경우, 지판과 슬래브(또는 기초와 지중보 포함) 콘크리트의 끊어치기는 원칙적으로 허용되지 않으며, 불가피하게 콘크리트를 끊어쳐야 하는 경우에는 충분한 합성성능을 확보하기 위하여 전단연결재를 미리 설치하여야 한다. — KDS 41 20 00, 4.8.1.2 (5)

끊어친 면은 매끄러운 수평 이음면이 되고, 그 면을 따라 미끄러지면 지판과 슬래브가 각각 따로 휜다. 두 개의 얇은 판은 하나의 두꺼운 판보다 훨씬 약하다. 조문이 "원칙적으로 허용되지 않는다"고 못 박고, 예외를 사전 설치된 전단연결재로만 여는 이유다. 사후에 확인할 수 없는 결함이기 때문이다.

4. 철근이 끊기는 자리가 붕괴가 시작되는 자리다

4.8.1.3은 철근 상세를 세 갈래로 규정한다. 공통점은 철근이 어디서 끝나는가를 다룬다는 것이다.

주열대 상부 철근의 최소 정착길이 — 기둥을 잇는 띠 위의 상부 철근이 기둥에서 얼마나 뻗어 나가야 하는지를 그림으로 규정한다. 부모멘트가 걸리는 구간을 벗어나기 전에 철근이 끝나면 그 자리에서 균열이 열린다.

주열대 하부 철근의 연속성 — 각 방향 주열대 내의 모든 하부 철근은 연속이거나 B급 겹침이음으로 이어야 한다.

불연속 단부의 U형 단부 철근 — 슬래브가 테두리보나 벽체로 지지되어 있지 않거나 받침부를 지나 캔틸레버로 되어 있으면, 상부 철근과 동일 규격의 U형 단부 철근으로 상부 철근 단부를 정착하고 A급 이음으로 잇는다.

두 번째 항목이 특히 중요하다. 하부 철근은 평상시 정모멘트를 받는 부재지만, 기둥 주변이 뚫린 뒤에는 성격이 바뀐다. 슬래브가 기둥을 타고 내려가려 할 때 기둥을 가로질러 연속된 하부 철근이 슬래브를 매달아 준다. 그 철근이 기둥에서 끊겨 있으면 붙잡을 것이 없다. 연속성을 요구하는 것은 강도 계산 때문이 아니라 파괴 이후를 위한 것이다.

이 논리는 연쇄붕괴 편에서 다룬 현수작용과 같다. 한 층이 뚫려 떨어지면 그 무게가 아래층을 때리고, 아래층도 무량판이면 같은 방식으로 뚫린다. 무량판에서 뚫림전단이 위험한 진짜 이유는 한 접합부의 파괴가 아니라 층을 따라 내려가는 연쇄다.

5. 시공 중 하중이 조문에 들어왔다

신설 조항이 설계일반의 첫 항목으로 규정한 것은 완성 후의 하중이 아니라 시공 중의 하중이다.

책임구조기술자는 다음 조항을 포함하여 조경 준비 및 시공 중의 구조안전을 확인하여야 한다.① 시공하중 산정 시 조경에 사용되는 토사 및 식재 무게 등의 수직하중과 장비 및 작업자 무게 등을 고려하여야 한다.② 조경용 토사의 야적 시 쏠림, 강우하중과 설하중 등을 고려하여 토사의 두께를 결정해야 한다. — KDS 41 20 00, 4.8.1.1 (1)

지하주차장 상부는 대개 조경 공간이 된다. 설계는 완성된 상태의 토사 두께를 가정하지만, 시공 중에는 그 토사가 한곳에 쌓인다. 야적된 흙더미는 설계가 가정한 등분포하중이 아니라 국부 집중하중이고, 그것이 하필 가장 취약한 기둥 위에 놓일 수 있다.

여기에 비와 눈이 더해진다. 흙은 물을 머금으면 무거워지고, 조문은 강우하중과 설하중을 고려해 토사 두께를 결정하라고 요구한다. 흙 두께는 조경 계획이 아니라 구조 조건이라는 뜻이다.

이 항목이 책임구조기술자의 확인 사항으로 명시된 점도 눈여겨볼 만하다. 시공 단계 하중은 시공자의 문제로 넘어가기 쉬운데, 조문은 그것을 구조 설계자의 확인 범위 안에 두었다.

6. 정리

전단이 기둥 둘레 한 곳에 몰린다 — 보가 없으므로 중간 경로가 없다.

위험단면은 기둥 위치에 따라 달라진다 — 외부 접합부는 기둥면에서 슬래브 경계면까지 거리가 슬래브 두께의 4배 이하면 경계면까지 연장하고, 모서리는 사선형 단면을 넘지 않는다.

깊은 무량판은 계산과 무관하게 최소 전단철근을 넣는다 — 부재 깊이 400 mm 초과(전이슬래브 제외). 배치 구간과 간격에도 조건이 있다.

지판과 슬래브의 끊어치기는 원칙적으로 금지 — 불가피하면 전단연결재를 미리 설치한다.

주열대 하부 철근은 연속이거나 B급 이음 — 뚫린 뒤 슬래브를 매다는 마지막 경로다.

시공 중 조경 토사가 조문에 들어왔다 — 야적 쏠림, 강우, 설하중을 고려해 토사 두께를 정하고, 책임구조기술자가 확인한다.

무량판이 위험한 구조인 것은 아니다. 다만 여유가 적은 구조다. 보가 있는 구조는 한 곳이 부족해도 힘이 돌아갈 길이 있지만, 무량판은 기둥 둘레라는 한 경로에 모든 것이 걸려 있다. 2024년 신설 조항이 최소 철근량, 끊어치기 금지, 시공 중 하중을 함께 규정한 것은 그 하나의 경로를 여러 겹으로 지키려는 것이다.