PC 암거 전단키 필요성, 역활, 모양, 갯수, 배치방법, 전단키(Shear Key) 설계 가이드

7월 12, 2026

PC 암거 세그먼트 맞댐접합부, 강연선만으로 부족할 때 — 전단키(Shear Key) 설계 가이드

강연선(Strand) 인장 4개소만으로 세그먼트 접합부의 전단저항을 확보하려다 보면, 토피(Soil Cover)가 깊어질수록 반드시 한계에 부딪힙니다. 이 글은 실제 검토 사례를 바탕으로 왜 전단키가 필요한지, 어떤 역할을 하는지, 어떤 모양과 개수·배치가 적절한지를 정리합니다.

강연선 인장력

110kN × 4개소

벽체 두께

220mm

토피 3.0m 조건

약 4% 부족

토피 6.0m 조건

약 44% 부족

1. 문제의 배경

PC 암거(Precast Concrete Box Culvert)를 세그먼트(Segment) 단위로 제작해서 현장에서 맞댐접합(Butt Joint)으로 연결할 때, 접합부의 밀착력은 강연선(PS Strand) 긴장력이 만드는 압착력(Clamping Force)에 의존합니다. 검토 대상 조건은 다음과 같습니다.

항목	값
강연선 규격 · 개소당 인장력	110kN × 4개소
세그먼트 길이	2.0m
암거 내공	2.0m × 2.0m
벽체·슬래브 두께	220mm
활하중 조건	DB-24 표준트럭

토피 3.0m 조건에서 세그먼트 자중과 토피하중을 합산해 접합부에 요구되는 전단력(Vu)을 산출하고, 강연선 압착력에 마찰계수(μ=0.6)를 적용한 저항전단력(φVn)과 비교한 결과, 약 4% 부족으로 확인되었습니다. 토피가 6.0m로 깊어지면 부족률은 약 44%까지 벌어집니다.

2. 왜 전단키가 필요한가

강연선이 만드는 압착력(N)과 마찰계수(μ)만으로 저항전단력을 계산하면 Vn = muN 입니다. 이 식에는 구조적으로 두 가지 한계가 있습니다.

한계 ① — 정착점(Anchorage Point)에서 나온 압착력은 콘크리트 단면 전체로 균일하게 퍼지지 않고, 정착점 사이 간격이 넓으면 중앙부에 압착력이 부족한 구간(응력 그늘)이 생깁니다.

한계 ② — 마찰계수 μ는 접합면이 매끈할 경우 0.6 내외로 제한되어, 토피가 깊어질수록(=요구 전단력이 커질수록) 강연선 개수·인장력만 늘려서 대응하는 것은 비효율적이고 시공성도 떨어집니다.

전단키는 이 두 한계를 동시에 보완합니다. 마찰(면과 면 사이의 미끄럼 저항)이라는 단일 메커니즘에 더해, 키 이빨(Tooth)이 서로 맞물려 콘크리트 자체가 전단력을 직접 부담하는 기계적 맞물림(Mechanical Interlock) 메커니즘을 추가하는 것입니다.

3. 전단키의 역할

전단키가 접합부에서 담당하는 역할은 크게 세 가지입니다.

① 전단저항의 이중화

V_n = V_n,friction (평탄부 마찰) + V_n,key (키 콘크리트 전단)

강연선 압착력이 부족한 구간에서도 키 자체의 콘크리트 전단강도가 별도로 저항력을 제공해, 접합부 전체의 안전여유(Safety Margin)를 높입니다.

② 시공 중 위치 구속

세그먼트를 크레인으로 거치할 때 키는 세그먼트가 옆으로 미끄러지지 않도록 초기 정렬(Alignment)을 도와줍니다.

③ 연성거동 유도

키가 여러 개로 분산되어 있으면, 하나의 키가 국부적으로 항복하더라도 나머지 키들이 하중을 재분배해 접합부가 갑자기 취성파괴(Brittle Failure)되는 것을 막아줍니다.

4. 전단키의 모양

220mm 벽체는 두께가 얇아, 전단키 형상을 정할 때 저항력보다 공간 제약이 먼저 걸리는 경우가 많습니다. 양면 철근 피복(각 30~40mm), 철근 자체 두께등을 고려.

항목	권장값	비고
키 깊이(h)	15~20mm	벽체두께의 1/12~1/15. 이보다 깊으면 뿌리부 국부파괴 위험
키 폭	40~60mm	깊이의 2.5~3배 비율
단면 형상	사다리꼴(테이퍼)	뿌리가 넓고 끝이 좁은 형태, 테이퍼비 1:2~1:3

사다리꼴(테이퍼) 형상을 쓰는 이유는 두 가지입니다. 첫째, 탈형(Demolding) 시 직각 모서리보다 손상 위험이 적습니다. 둘째, 하중이 걸렸을 때 뿌리 부분의 응력집중이 완화되어 급작스러운 파괴를 방지합니다.

5. 전단키의 개수

같은 총 전단저항 면적이라도, 큰 키 1개와 작은 키 여러 개는 거동이 다릅니다.

구분	큰 키 1개	작은 키 2~3개(분산)
응력집중	키 뿌리부에 집중, 취성파괴 위험	분산되어 완화됨
제작 오차 흡수	취약함(오차가 전체 접합면에 영향)	여유 있음
DMI 홈과의 공존	공간 확보 어려움	홈 좌우 여백에 나눠 배치 가능
파괴 거동	취성적(갑작스러운 파괴)	연성적(점진적 파괴)

220mm 벽체처럼 공간이 좁고 방수 부재(DMI 홈)와 공존해야 하는 조건에서는 작은 키 2~3개 분산 배치가 구조적으로도, 시공성으로도 유리합니다.

6. 전단키의 배치 방법

배치할 때 가장 우선적으로 지켜야 할 원칙은 DMI 몰탈홈 및 워터스톱 홈과 물리적으로 간섭되지 않는 것입니다.

DMI 공벙의 경우 접합면 단면을 양쪽 철근 피복부 — 전단키 구간 — 중앙 DMI 홈 — 전단키 구간 — 반대쪽 피복부 순서로 나누어, 전단키를 DMI 홈의 좌우 여백 구간에 대칭으로 배치하는 방식이 가장 간섭이 적습니다.

정착점(강연선) 간격에 대해서도 앞서 다룬 응력 확산 한계(L)를 고려해, 전단키는 정착점 사이 응력이 상대적으로 약해지는 중앙부 인근에 우선 배치하는 것이 두 저항 메커니즘(마찰+키)의 약점을 서로 보완하는 방향입니다.

7. 설계 검토 절차 요약

실제 검토는 다음 순서로 진행합니다.

① 세그먼트 총 하중 W 산정 (토피+자중+DB24)
→ ② 접합부 요구 전단력 V_u = W_u / 2
→ ③ 저항 전단력 V_n = μN + k√f'_ck·A_key
→ ④ φV_n ≥ V_u 만족 여부 확인

토피 6.0m 조건에서 부족분(약 44%)을 전단키만으로 메우려면, 접합면 전체 폭(2.44m)에 걸쳐 다수의 키를 반복 배치해야 하며, 이때 필요한 키 개수는 콘크리트 설계기준강도(f'ck)와 키 1개당 저항력을 곱해 역산합니다.

본문의 μ값(0.6~1.4)과 k값(약 0.3)은 개략 검토용 참고치입니다. 실제 설계에는 KDS 24(콘크리트교설계기준) 및 세그멘탈 구조물 설계지침에 명시된 계수를 적용해야 합니다.

8. 자주 묻는 질문

Q. 전단키만 있으면 강연선 없이도 되나요?

아닙니다. 전단키는 어디까지나 '보완' 메커니즘입니다. 강연선의 압착력(N)이 있어야 평탄부 마찰저항(μN)이 발생하고, 키는 그 위에 추가 저항을 더하는 구조입니다. 두 메커니즘은 상호보완 관계이지 대체관계가 아닙니다.

Q. 전단키 시공 시 가장 주의할 점은?

거푸집 탈형 시 키 모서리 파손, 그리고 상대 세그먼트와 조립할 때 키-키 사이 조립공차(Fabrication Tolerance)입니다. 테이퍼 형상과 여유 공차를 반드시 제작도면에 반영해야 합니다.

9. 결론

강연선 압착력만으로 접합부 전단저항을 확보하려는 접근은 토피가 깊어질수록 구조적으로도, 경제적으로도 비효율적입니다. 전단키를 통한 기계적 맞물림을 병행하면, 강연선 개수를 무리하게 늘리지 않고도 안전여유를 확보할 수 있습니다. 다만 220mm처럼 얇은 벽체에서는 초기 단면설계 단계에서부터 검토하는 것이 중요합니다.

본 글은 개략 검토(Preliminary Check) 목적의 기술 정보이며, 실제 시공 설계에는 KDS 24(콘크리트교설계기준), KDS 14(콘크리트구조기준) 등 관계 법령·기준에 따른 정밀 구조계산과 구조기술사의 검토·날인이 필요합니다. 본문의 수치는 예시 조건에 한정된 계산 결과이며, 실제 현장 조건(지반, 시공오차, 재료물성 등)에 따라 달라질 수 있습니다.

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