KDS 14 20 72 콘크리트 벽체 설계기준

1. 일반사항

1.1 목적

(1)이 기준은 콘크리트 벽체의 설계방법을 제시하고 부재의 안전성을 확보하기 위한 최소한의 요구조건을 규정한다.

1.2 적용 범위

(1)이 기준의 규정은 철모멘트의 작용 여부에 관계없이 축력을 받는 벽체의 설계에 적용되어야 한다.

(2)캔틸레버식 옹벽의 설계는 KDS 14 20 74(4.1) 에 따라야 한다.

1.3 참고 기준

∙ KDS 14 20 01 콘크리트구조 설계(강도설계법) 일반사항

∙ KDS 14 20 10 콘크리트구조 해석과 설계 원칙

∙ KDS 14 20 20 콘크리트구조 휨 및 압축 설계기준

∙ KDS 14 20 22 콘크리트구조 전단 및 비틀림 설계기준

∙ KDS 14 20 24 콘크리트구조 스트럿-타이모델 기준

∙ KDS 14 20 26 콘크리트구조 피로 설계기준

∙ KDS 14 20 30 콘크리트구조 사용성 설계기준

∙ KDS 14 20 40 콘크리트구조 내구성 설계기준

∙ KDS 14 20 50 콘크리트구조 철근상세 설계기준

∙ KDS 14 20 52 콘크리트구조 정착 및 이음 설계기준

∙ KDS 14 20 54 콘크리트용 앵커 설계기준

∙ KDS 14 20 60 프리스트레스트 콘크리트구조 설계기준

∙ KDS 14 20 62 프리캐스트 콘크리트구조 설계기준

· KDS 14 20 64 구조용 무근콘크리트 설계기준

· KDS 14 20 66 합성콘크리트 설계기준

· KDS 14 20 70 콘크리트 슬래브와 기초판 설계기준

· KDS 14 20 74 기타 콘크리트구조 설계기준

· KDS 14 20 80 콘크리트 내진설계구조 설계기준

· KDS 14 20 90 기존 콘크리트구조물의 안전성 평가기준

1.4 용어의 정의

(1) KDS 14 20 01(1.4) 에 따른다.

1.5 기호의 정의

· $A_t$ : 전체 단면적, mm$^2$

· $A_s$ : 인장철근 단면적, mm$^2$

· $A_{s,b}$ : 벽체의 축방향 철근의 유효단면적, mm$^2$

· $c$ : 압축 연단에서 중립축까지 거리, mm

· $d$ : 압축 연단에서 인장철근 중심까지 거리, mm

· $e$ : 편심거리, mm

· $E_c$ : 콘크리트의 탄성계수, MPa

· $E_s$ : 철근의 탄성계수, MPa

· $f_{ck}$ : 콘크리트의 설계기준압축강도, MPa

· $f_y$ : 철근의 설계기준항복강도, MPa

· $h$ : 부재의 두께, mm

· $I_c$ : 균열단면에 대한 단면2차모멘트, mm$^4$

· $k$ : 압축부재의 유효길이계수

· $l_c$ : 발침부 사이의 수직길이, mm

· $l_s$ : 전단력 방향의 전체 벽 또는 부분적인 벽의 길이, mm

· $M_c$ : 처짐을 계산할 때 부재의 최대 휨모멘트

· $M_{cr}$ : 외력에 의해 단면에서 휨균열을 일으키는 휨모멘트, 균열휨모멘트

· $M_g$ : 공장휨강도

· $M_u$ : 단면의 계수휨모멘트

· $M_{ua}$ : $P-1$ 효과를 포함하지 않고 계수 횡하중 및 편심하중에 의해 벽체의 중간높이에서 유발되는 휨모멘트

· $P_c$ : 주어진 편심에서 공칭축강도

· $P_n$ : 주어진 편심에서 계수축력

· $\Delta_{cr}$ : 균열휨모멘트가 작용할 때 벽체중간부에서 계산된 면외방향 처짐량, mm

· $\Delta_n$ : 공칭모멘트가 작용할 때 벽체중간부에서 계산된 면외방향 처짐량, mm

· $\Delta_s$ : 사용하중이 작용할 때 벽체중간부에서 계산된 면외방향 처짐량, mm

· $\Delta_u$ : 계수하중이 작용할 때 벽체중간부에서 계산된 처짐량, mm

· $\rho$ : 강도감소계수

2. 조사 및 계획

내용 없음.

3. 재료

(1) KDS 14 20 01(3)에 따른다.

4. 설계

4.1 설계 일반

(1) 벽체는 계수연직하중이 0.4 $4_c f_c'$ 이하이고 총 수직철근량이 단면적의 0.01배 이하인 부재를 가리키며, 이외의 부재는 KDS 14 20 20, KDS 14 20 50의 압축부재의 설계 및 배근 원칙을 따라야 한다.

(2) 벽체는 이에 작용하는 편심하중, 수평하중 및 기타 하중에 대하여 안전하게 저항할 수 있도록 설계하여야 한다.

(3) 축하중을 받는 벽체의 설계는 4.1, 4.2와 4.3의 규정에 따라야 한다.

(4) 정밀한 구조해석에 의하지 않는 한, 각 집중하중에 대한 벽체의 유효수평길이는 하중 사이의 중심거리, 그리고 하중 지지폭에 벽체 두께의 4배를 더한 길이 중 작은 값을 초과하지 않도록 하여야 한다.

(5) 진단력에 대한 설계는 KDS 14 20 22(4.9) 의 규정에 따라야 한다.

(6) 벽체와 일체가 된 압축부재의 설계는 KDS 14 20 20(4.3.1(4)) 의 규정에 따라야 한다.

(7) 벽체의 철근은 이와 교차하는 구조 부재인 바닥, 지붕, 기둥, 벽기둥, 부벽, 교차벽체 및 기초 등에 충분히 정착시켜야 한다.

(8) 철근량 및 벽두께의 제한은 각각 4.2 및 4.3.2(3)의 규정을 따라야 한다. 다만, 정밀한 구조해석에 의하여 충분한 강도와 구조안정성을 확인할 수 있는 경우에는 이를 따르지 않을 수 있다.

(9) 벽체의 밑면에서 기초판으로 하중전달은 KDS 14 20 70(4.2.3) 의 규정에 따라야 한다.

4.2 최소 철근비

(1) 벽체의 수직 및 수평 최소 철근비는 4.2(2) 및 4.2(3)의 규정을 따라야 한다. 다만, KDS 14 20 22(4.9.2(5)) , (4.9.3) 의 규정에 의해 요구되는 전단보강철근의 소요량이 더 큰 경우에는 그 소요량을 적용하여야 한다.

(2) 벽체의 전체 단면적에 대한 최소 수직철근비는 다음 규정을 따라야 한다.

① 설계기준항복강도 400MPa 이상으로서 D16 이하의 이형철근　　0.0012

② 기타 이형철근　　　　　　　　　　　　　　　　0.0015

③ 지름 16mm 이하의 용접철망　　　　　　　　　0.0012

(3)벽체의 전체 단면적에 대한 최소 수평철근비는 다음 각 항에 따라야 한다.

① 설계기준항복강도 400MPa 이상으로서 D16 이하의 이형철근 $0.0020 \times 400/f_y$ 다만, 이 철근비의 계산에서 $f_y$는 500 MPa를 초과할 수 없다.

② 기타 이형철근　　　　　　　　　　　　　　　　0.0025

③ 지름 16mm 이하의 용접철망　　　　　　　　　0.0020

(4)두께 250mm 이상의 벽체에 대해서는 다음의 각 항에 따라 수직 및 수평철근을 벽면에 평행하게 양면으로 배치하여야 한다. 다만, 지하실 벽체에는 이 규정을 적용하지 않을 수 있다.

① 벽체의 외측 면 철근은 각 방향에 대하여 전체 소요철근량의 1/2 이상, 2/3 이하로 하며, 외측 면부터 50mm 이상, 벽 두께의 1/3 이내에 배치하여야 한다.

② 벽체의 내측면 철근은 각 방향에 대한 소요철근량의 잔여분을 내측면부터 20mm 이상, 벽 두께의 1/3 이내에 배치하여야 한다.

(5)수직 및 수평철근의 간격은 벽두께의 3배이하 또한 450mm 이하로 하여야 한다.

(6)수직철근이 집중배치된 벽체 부분의 수직철근비가 0.01배 이상인 경우 KDS 14 20 50(4.4.2) 의 규정에 따른 횡방향철근을 설치하여야 하며, 이외의 경우에는 횡방향 띠철근을 설치하지 않을 수 있다. 이때 띠철근의 수직간격은 벽체두께 이하로 하여야 하며, 수직철근이 압축력을 받는 철근이 아닌 경우에는 횡방향 띠철근을 설치할 필요가 없다.

(7)모든 창이나 출입구 등의 개구부 주위에는 4.2(1)에 규정된 최소 철근량 이외에도 수직 및 수평방향으로 이렇게 보강된 벽체에서 두 개의 D16 이상 철근, 일렬배근된 벽체에서 한 개의 D16 이상의 철근을 창이나 출입구 등의 개구부 주변에 배치하여야 한다. 이때 이러한 철근은 개구부 모서리에서 설계기준항복강도를 발휘할 수 있도록 정착되어야 한다.

4.3 벽체의 설계

4.3.1 압축부재로서 벽체의 설계

(1) 축력을 받거나 축력과 휨모멘트를 동시에 받는 벽체의 설계는 KDS 14 20 20(4.1), (4.4), (4.5), (4.6.1), (4.7), 이 기준의 4.1 및 4.2의 규정에 따라야 한다. 다만, 해당 조건을 만족할 경우 4.3.2의 실용 설계법을 따를 수 있다.

4.3.2 실용 설계법

(1)직사각형 단면의 벽체로서 4.1, 4.2의 모든 요구 조건을 만족하고 계수하중의 합력이 벽두께의 중앙 1/3 이내에 작용하는 경우에는 이 4.3.2에서 규정하는 실용 설계법에 의하여 설계할 수 있다.

(2)위의 4.3.2(1)의 규정에 부합할 때 벽체의 설계축강도 $\phi P_{nw}$는 식 (4.3-1)에 의하여 산정하여야 한다. 다만, 4.3.1의 규정에 의할 때에는 이를 적용하지 않는다.

$\phi P_{nw} = 0.55\phi f_{ck} A_g \left[ 1 - \left( \frac{k l_c}{32 h} \right)^2 \right]$ (4.3-1)

여기서, $\phi = 0.65$이고 유효길이계수 $k$는 다음과 같다.

① 상·하단이 횡구속 벽체로서

가. 상·하 양단 중의 한쪽 또는 양쪽이 회전이 구속된 경우 0.8

나. 상·하 양단 모두 회전이 구속되지 않은 경우 1.0

② 비횡구속 벽체 2.0

(3)벽체의 최소 두께는 다음 ①, ②에 따라야 한다.

① 벽체의 두께는 수직 또는 수평 밑침점 간 거리 중에서 작은 값의 1/25 이상이어야 하고, 또한 100mm 이상이어야 한다.

② 지하실 외벽 및 기초 벽체의 두께는 200mm 이상으로 하여야 한다.

4.3.3 세장한 벽체의 대체설계법

(1)철인장이 벽체의 면외방향 설계를 지배하는 경우 이 절의 규정을 따르면 KDS 14 20 20(4.4.1) 을 만족시키는 것으로 볼 수 있다.

(2)4.3.3에 따라 설계된 벽체는 4.3.3(2)의 규정이 만족되도록 하여야 한다.

① 벽판은 단순지지되고 벽체 중앙에서 최대 모멘트 및 최대 처짐이 발생되는 면외 균등한 횡하중을 받는 압축부재로 고려하여 설계하여야 한다.

② 단면적은 전높이에 대하여 일정한 것으로 한다.

③ 벽체는 인장이 지배적인 거동을 하도록 설계하여야 한다.

④ 절근은 식 (4.3-2)와 같은 설계휨강도를 확보하도록 산정하여야 한다.

$\phi M_c \geq M_u$ (4.3-2)

⑤ 벽체의 설계 휨 단면 상부에 작용되는 집중 수직하중은 다음과 같은 폭에 분포된 것으로 가정하여야 한다.

가. 지압폭과 지압면 양측 면에서 수직으로 2, 수평으로 1의 비율로 확대한 폭을 더한 값과 같다.

나. 집중하중 간격 이하이어야 한다.

다. 벽판의 연단을 초과하지 않아야 한다.

⑥ 벽체 높이의 중앙부분에서 수직응력 $P_u / A_g$는 0.06$f_c$를 초과하지 않아야 한다.

(3)축력과 휨모멘트를 받는 벽체 높이의 중앙부의 설계휨강도 $\phi M_c$은 식 (4.3-3)과 같은 조건을 만족하여야 한다.

$\phi M_c \geq M_u$ (4.3-3)

여기서, $M_u$는 다음 식과 같다.

$M_r = M_{cr} + P_u \Delta_s$ (4.3-4)

여기서, $M_{cr}$은 계수철하중과 편심 수직하중에 의한 벽체 높이 중앙부의 최대 계수휨모멘트로서 $P = 1$ 효과를 고려하지 않은 값이며 $\Delta_s$는 식 (4.3-5)에 의해 계산된 값이다.

$\Delta_s = \frac{5M_c l_c^2}{(0.75)(48E_s I_G)}$ (4.3-5)

$M_c$는 차집을 반복적으로 대입하여 계산하거나 식 (4.3-6)을 이용하여 직접 계산할 수 있다.

$M_c = \frac{M_{cr}}{1 - \frac{5P_u l_c^2}{(0.75)(48E_s I_G)}}$ (4.3-6)

여기서, $I_G$은 다음 식 (4.3-7)과 같다.

$I_G = \frac{E_s}{E_c}\left[A_s + \frac{P_u}{f_c}\right](d-c)^2 + \frac{l_e c^3}{3}$ (4.3-7)

식 (4.3-7)에서 $E_s/E_c$는 6 이상이어야 한다.

(4) $P = 1$ 효과를 고려한 사용하중에 의한 최대 면의 차집 $\Delta_s$는 $l_c/150$을 초과하지 않아야 하고, 사용 휨하중과 편심 수직하중에 의한 벽체 높이 중앙부의 최대 휨모멘트로서 $P = 1$ 효과를 고려한 $M_s$가 $(2/3)M_{cr}$을 초과한다면, $\Delta_s$는 식 (4.3-8)에 의해 계산하여야 한다.

$\Delta_s = (2/3)\Delta_{cr} + \frac{(M_s - (2/3)M_{cr})}{(M_{cr} - (2/3)M_{cr})}\Delta_u - (2/3)\Delta_{cr})$ (4.3-8)

여기서, $M_s$가 $(2/3)M_{cr}$을 초과하지 않는다면, $\Delta_s$는 식 (4.3-9)에 의해 계산하여야 한다.

$\Delta_s = \left(\frac{M_s}{M_{cr}}\right)\Delta_{cr}$ (4.3-9)

그리고 위 식 (4.3-8)과 식 (4.3-9)의 $\Delta_{cr}$과 $\Delta_u$은 각각 다음 식 (4.3-10)과 식 (4.3-11)과 같다.

$\Delta_{cr} = \frac{5M_{cr}l_c^2}{48E_s I_g}$ (4.3-10)

$\Delta_u = \frac{5M_u l_c^2}{48E_s I_{cr}}$ (4.3-11)

여기서 $I_g$은 식 (4.3-7)에 의해 계산하고 $M_s$는 면외 차집을 반복적으로 대입하여 계산한다.

4.4 비내력벽과 지중보

(1) 바닥벽의 두께는 100mm 이상이어야 하고, 또한 이를 횡방향으로 지지하고 있는 부재 사이 최소 거리의 1/30 이상이 되어야 한다.

(2) 지층보로 설계하는 벽체는 KDS 14 20 20(4.1, 4.2)의 규정에 의해 산정한 휨모멘트에 소요되는 철근을 벽체의 상부 및 하부에 배치하여야 한다. 전단보강에 대한 설계는 KDS 14 20 22의 규정에 따라야 한다.

(3) 지표면 위로 노출된 지중보 벽체의 부분에 대해서는 4.2의 규정을 만족시켜야 한다.