제6장 구조설계(배근 포함)

5장에서 완성한 해석모델과 해석결과는 그 자체로 배근도가 되지 않는다. 부재별 요구강도를 설계기준식에 대입해 소요철근량·단면적을 계산하고, 실제로 배근 가능한 철근 규격·간격으로 정리하는 부재설계 단계가 별도로 필요하다. 이 강의에서는 이 단계에 마이다스아이티(MIDAS IT)의 건축구조 부재설계 프로그램인 디자인플러스(midas Design+)와, 건축구조기술자 대상의 부재설계 전용 프로그램인 베스트(BEST)를 함께 사용한다. 메뉴 위치나 클릭 순서를 이 문서에 모두 담기보다는, 별도로 정리된 사용법 자료를 참고하며 6.2절 이후의 설계 절차를 그대로 따라 실습하는 방식을 권장한다.

Design+ | 디자인플러스 — 사용법 바로가기BEST | 베스트 — 사용법 바로가기

Design+는 5.1절에서 소개한 MIDAS 해석모델과 곧바로 연동되어 빠르지만, 해석모델의 가정(경계조건·강막·질량원천 등)에 오류가 있으면 그 오류가 설계값까지 그대로 이어진다. 그래서 6.2절 해석결과를 설계값으로 바꾸기에서 지배조합과 요구강도를 먼저 손으로 짚어 본 뒤 프로그램 결과를 대조하고, 마지막으로 6.8절 수계산 검증의 대표 부재 계산과 다시 한 번 자릿수를 맞춰 본다.

프로그램 조작에 익숙해지는 것과 별개로, 왜 그 값이 지배하는지는 이 장 전체(6.2~6.8절)에서 다루는 설계 판단 기준(지배조합, 강도·사용성 구분, 배근 상세 원칙)을 통해 익힌다. 사용법 자료는 "어떻게 클릭하는가"에, 이 교재는 "왜 그 값과 상세를 선택하는가"에 각각 초점을 둔다.

설계는 최대값 하나를 고르는 일이 아니다. 부재의 위치, 하중조합, 부호, 단부·중앙부, 강성 가정과 힘의 흐름을 함께 본다. 프로그램 설계 결과는 기준식, 단위, 적용 범위를 확인한 뒤 사용한다.

슬래브와 보는 주로 자중·마감·활하중 같은 중력하중을 받아 기둥·벽으로 전달하는 부재다. 슬래브: 하중 전달방향, 지지조건, 휨·전단, 처짐, 균열, 개구부 보강을 검토한다. 보: 정·부모멘트, 전단, 비틀림, 처짐, 최소·최대철근, 정착·이음을 검토한다.

• 상부근은 지점부 부모멘트와 정착길이를 고려한다.
• 하부근은 중앙부 정모멘트와 단부 정착을 고려한다.
• 스터럽 간격은 전단력뿐 아니라 내진상세 구간 요구를 확인한다.
• 깊은 보, 전이보, 짧은 캔틸레버는 일반 보 설계만으로 처리하지 않는다.

거더·기둥·벽체는 중력하중을 받는 동시에 풍하중·지진하중 같은 횡하중을 기초까지 전달하는 골격이다. 거더: 코어벽체·기둥을 서로 연결해 횡력에 대한 프레임 강성과 하중 재분배 경로를 확보하는지 검토하며, 축력·휨·전단을 함께 본다. 기둥: 축력-휨 상호작용, 양축휨, 전단, 세장효과, 횡보강을 검토한다. 벽체: 축력·휨·전단, 경계요소, 연결보, 개구부, 기초로의 힘 전달을 확인한다.

상부구조 반력은 기초 설계의 입력이다. 지반 허용지지력 또는 설계지지력, 침하, 전도·활동, 기초판 휨·일방향전단·뚫림전단, 말뚝 반력, 기둥·벽 정착을 검토한다. 지반조사보고서의 지층·지하수·액상화·시공 권고를 함께 읽는다.

산정된 소요철근량은 표에 남기는 것으로 끝나지 않는다. 기초 형식(독립·연속·매트)에 맞는 배근 상세와, 정착길이·피복·하부 버림콘크리트·되메우기 조건을 함께 표시한 상세도로 완성한다.

1. 먼저 "1. SDS 기본교육"의 1~3번(프로그램 특징 소개 → 모델링 절차 → 해석 및 설계 절차)을 순서대로 읽어 SDS의 기본 조작 흐름을 익힌다. 4~6번(도메인, Data Conversion, 파일자동배치)은 여러 동, 여러 파일을 다루는 실무 상황에 필요하면 나중에 참고해도 된다.
2. 이어서 "2. SDS 실무교육" 1~5번을 순서대로 따라 한다. 이 다섯 편은 아파트 슬래브(판부재) 하나를 모델링(2번) → 지반스프링을 반영해 해석(3번) → 결과를 읽고(4번) → 강도를 검토해 배근을 정하는(5번) 전체 과정을 그대로 보여 주므로, 매트기초 판해석 절차와 거의 동일하다.
3. 특히 "5. 바닥판 구조설계 및 강도검토"는 판해석 결과에서 위치별 모멘트·전단(뚫림전단 포함)을 읽어 배근을 정하는 방법을 다루므로, 이 절의 매트기초 배근 검토를 진행하기 전에 반드시 읽는다.
4. 기초와 직접 관련된 예제가 더 필요하면 "[SDS] 아파트 파일기초 따라하기"를 추가로 살펴본다.
5. 연습이 끝나면 같은 절차로 이 과제의 매트기초에 실제 상부구조 반력(고정하중·활하중 조합별)을 입력해 판해석을 수행하고, 위치별 모멘트·전단 분포도를 저장해 둔다.
6. 판해석 결과에서 기둥 주변 뚫림전단 위험 구간과 최대 휨모멘트 발생 위치를 확인해, 균등배근 구간과 보강이 필요한 구간(기둥 주변 추가 스터럽 등)을 구분한다.

아래 네 가지 원칙은 11주차 슬래브·보, 12주차 거더·기둥·벽체, 13주차 기초까지 모든 부재일람표·배근도 작성에 공통으로 적용한다.

1. 힘이 흐르도록: 인장력이 생기는 위치에 철근을 두고 충분히 정착한다.
2. 시공 가능하도록: 철근 순간격, 피복, 겹침 집중, 콘크리트 타설 공간을 확보한다.
3. 연성 있게: 취성 전단파괴보다 휨항복이 먼저 일어나도록 역량설계와 횡구속을 검토한다.
4. 도면과 일치하도록: 계산 철근량이 일람표·상세에 빠짐없이 반영되는지 확인한다.

대표 보 1개, 기둥 1개, 기초 1개는 간단한 수계산으로 프로그램 결과의 크기를 확인한다. 분담면적×층수로 기둥 축력을 추정하고, 단순보 공식으로 보 모멘트를 추정하며, 총 반력으로 평균 지반압을 확인한다. 차이가 크면 모델 조건을 설명할 수 있을 때까지 추적한다.

6.3~6.4절에서 살펴본 슬래브·보(거더 포함)·기둥·벽체 설계는 부재 하나하나를 손으로 계산해 확인할 수도 있지만, 실무에서는 Design+를 이용해 다수의 부재를 검토하고 그 결과를 부재일람표와 비교하며 다듬는 방식을 주로 쓴다. 다만 슬래브·보처럼 부재 수가 많고 배근 패턴이 반복되는 부재는, 프로그램이 제시하는 배근을 그대로 채택하는 완전자동설계보다 심플모드의 검토 결과(강도 검토, 보테이블)를 사람이 직접 읽고 배근 일람표를 작성하는 반자동 배근이 실무에서 여전히 더 선호되며 배근 원리를 익히는 데도 유리하다. 이 절에서는 슬래브·보는 반자동 배근으로, 개수가 많아지기 쉬운 벽체는 일괄(Batch) 설계 기능으로 실습한다.

참고 문서 안내

[DESIGN+] 철근콘크리트 모멘트 골조 따라하기 – MIDAS Support 문서는 철근콘크리트 모멘트 골조 예제로 구조계산서를 만드는 과정을 12개 항목(Slab, Beam, Column, Shear Wall, Footing, Basement Wall, Buttress, Stair, Corbel, Slab List, Beam List, 계산서 꾸리기)으로 나누어 설명한다. 첨부파일 "철근콘크리트 모멘트 골조 따라하기.zip"에 실습용 예제가 들어 있다. 이 장에서는 아래 항목을 중심으로 본다.

1단계 — 슬래브·보 반자동 배근(Design+ 심플모드)

위 문서의 "1. Slab", "2. Beam" 항목으로 Design+ 심플모드 화면 구성과 부재 정보 입력·검토 버튼의 위치 등 기본 조작법을 한 번 익힌다. 이후 아래 절차로 6.3절 슬래브·보(거더 포함) 설계에 실제로 적용한다.

① 슬래브

1. Design+ 심플모드에서 슬래브 정보(경간, 두께, 지지조건, 하중 등)를 입력하고 검토 버튼을 눌러 강도 검토를 실행한다.(참고 자료 1쪽)
2. 검토 결과 화면 하단의 슬래브 강도 검토 부분에 제시된 배근을 참고해, 부재별 배근 일람표를 직접 작성한다.(참고 자료 2쪽)
3. 이때 휨에 대해 일반적으로 통용되는 배근 형태(간격·철근경)로 나오는지 확인한다. 배근 간격은 보통 @100, 125, 150, 200, 250, 300, 400 중에서 선택해 사용한다. 이 간격 체계는 벽체·스터럽 등 다른 부재의 배근에도 동일하게 적용한다.

② 보(거더 포함)

1. Design+ 심플모드의 보테이블 기능으로 보 정보(경간, 단면, 하중, 지지조건 등)를 입력하고 검토를 실행한다.(참고 자료 3쪽)
2. MIDAS GEN에서 해당 보의 Beam Diagram(모멘트·전단력도)을 함께 띄워 놓고, 구간별 휨강도·전단강도를 만족하는 배근(상부근·하부근·스터럽 간격)을 직접 찾아 배근 일람표를 작성한다.
3. 지점부 부모멘트 구간과 중앙부 정모멘트 구간의 배근을 구분하고, 스터럽 간격도 위 표준 간격 (@100~@400) 중에서 정한다.

2단계 — 여러 벽체는 Batch Wall로 일괄 설계

표본 프로젝트처럼 벽체 수가 적을 때는 위 1단계 문서의 "4. Shear Wall" 항목처럼 전단벽을 하나씩 선택해 개별 설계해도 되지만, 실제 프로젝트처럼 벽체가 수십 개 이상이면 하나하나 반복하는 방식은 비효율적이고 누락·불일치가 생기기 쉽다. 이런 경우 [DESIGN+] Batch Design(Batch Beam·Batch Column·Batch Wall) 따라하기 – MIDAS Support 문서에서 소개하는 Batch Wall 기능을 사용해 여러 벽체를 한 번에 설계하는 방법을 권장한다. 이 문서는 "반복적인 작업에 편의성을 제공하기 위한 설계 기능인 Batch Design"의 사용법을 안내하며, 첨부파일 "[Tutorial] Batch Design(Batch Beam, Batch Column, Batch Wall)"(약 5메가바이트)에 실습 예제가 들어 있다.

1. 문서를 따라 Batch Design 메뉴에서 층·벽체 그룹(Wall Mark) 단위로 대상 벽체를 한꺼번에 선택하는 방법을 익힌다.
2. 같은 설계조건(재료·철근 등급·설계기준)을 그룹 전체에 일괄 적용해, 6.4절에서 다룬 횡하중 저항요소로서의 벽체 설계조건과 일치하는지 확인한다.
3. Batch Wall 실행 결과 미리보기(Preview) 화면에서 층별 벽체 배근이 한눈에 정리되는 방식을 확인하고, 강도비가 큰 벽체나 배근이 과도한 벽체를 표시해 둔다.
4. 표시해 둔 벽체 몇 개를 골라 개별 벽체 설계(Shear Wall) 결과와 Batch Wall 결과가 같은 값을 주는지 대조해, 일괄 설계 결과를 신뢰할 수 있는지 스스로 검증한다.
5. 문서에서 안내하는 대로 Batch Wall 배근 결과를 다시 Gen 모델의 벽체 배근 정보로 갱신(연동)해 보고, 해석모델과 설계결과가 서로 일치하는 상태로 정리되었는지 확인한다.