전단연결재

왜 배우는가: 전단연결재는 강재와 콘크리트를 일체화시켜 합성보의 휨성능을 결정하는 핵심 부재다. 실무에서 교량 상부구조와 건축 합성보 설계의 전단력 검토에 반드시 쓰이며, 시험에서는 정의, 설치 원리, 종류 비교 문항으로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제100회 1교시 7번, 제90회 1교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전단연결재는 강재와 콘크리트의 접합면에 생기는 수평전단력을 부담하여 두 부재가 함께 거동하도록 하는 접합 부재다.

• 전단연결재(Shear Connector)
• 합성작용(Composite Action)
• 수평전단력(Horizontal Shear Force)
• 스터드(Stud, 전단스터드)
• 완전합성 보(Full Composite Beam)
• 불완전합성 보(Partial Composite Beam)
• 슬림플로어(Slim Floor)
• TU보(Tension Upper Beam)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 콘크리트 바닥판과 강재보가 미끄러지지 않도록 묶어 주는 못이나 볼트 같은 부재다. 두 재료가 따로 휘면 합성 효과가 없으므로, 접합면에서 미끄러짐을 막는 장치가 필요하다.

정식으로는 강재와 콘크리트가 합성작용을 하도록 접합면에 설치하여 수평전단력을 전달하는 부재를 말한다. 콘크리트는 압축력을 부담하고 강재는 인장력을 부담하여 휨저항이 커진다. 이 원리는 전단연결재가 충분히 있어야 성립한다.

핵심 용어는 다음과 같다. 전단연결재는 합성보의 접합 부재 전체를 가리키는 말이다. 수평전단력은 두 재료의 접합면에서 작용하는 미끄러짐 방향의 힘이다. 전단스터드는 강재 상부 플랜지에 용접하는 대표적인 전단연결재다.

전단연결재는 일반적으로 콘크리트 타설 전에 보 상부 플랜지에 부착된다. 스터드가 콘크리트 안에 매립되어 수평전단력을 콘크리트로 전달한다. 따라서 콘크리트의 압축 파괴와 스터드의 전단 파괴를 함께 검토해야 한다.

완전합성 보는 전단연결재가 충분해 미끄러짐이 없는 보이고, 전단연결재가 부족하면 불완전합성 보가 된다. 이 차이가 설계 휨강도에 직접 영향을 준다.

3. 등장 배경과 필요성

강재보만 쓰면 휨 강성과 강도에 한계가 있다. 콘크리트 바닥판을 보와 함께 거동시키면 단면 효율이 높아져 같은 하중에 더 작은 부재를 쓸 수 있다. 이 효과가 합성보가 등장한 이유다.

합성보에서 강재와 콘크리트는 재료 특성이 다르다. 콘크리트는 압축에 강하고 강재는 인장에 강하다. 두 재료를 연결하는 부재가 없으면 각자 따로 휘어 합성효과가 사라진다. 전단연결재는 이 문제를 해결하기 위해 도입되었다.

기존의 철골 합성보는 H형강 상부 플랜지 위에 슬래브를 올리는 방식이었다. 이 방식은 보 위에 슬래브가 걸쳐 바닥 전체 높이가 커지는 문제가 있었다. 이를 개선하기 위해 슬림플로어 공법이 나왔다. 슬림플로어는 슬래브를 철골보 내부에 삽입하며, 여기서도 강재와 콘크리트를 잇는 접합 장치가 필수다.

매입형 합성보와 TU보는 각각 콘크리트가 강재를 둘러싸거나 강판을 U자로 접합하여 부착력을 높이는 방식이다. 이 구조는 별도의 스터드 없이도 수평전단력에 저항할 수 있다. 따라서 전단연결재는 노출형 합성보에서 가장 중요하며, 다른 형식에서는 보조 역할이나 대체 구조로 쓰인다.

4. 구성요소·원리·절차

전단연결재(Shear connector)는 강재 보와 콘크리트 슬래브가 함께 힘을 받도록 두 재료의 접촉면에 설치하는 부재다. 이 접합부가 없으면 두 재료는 서로 미끄러져 각자 휨에 저항하므로 합성 효과가 생기지 않는다. 전단연결재는 수평전단력을 전달하여 두 부재를 완전합성으로 거동하게 하는 역할을 맡는다.

전단스터드는 강재 보에 용접되고 콘크리트가 그 위에 타설되어 스터드 몸체가 콘크리트에 매립된다. 두 재료가 슬립 없이 함께 변형하므로 콘크리트는 압축, 강재는 인장과 횡전단을 나누어 맡는다. 전단연결재가 전달하는 힘의 크기는 콘크리트 쪽 압축력의 변화량과 같으며, 이 힘이 스터드의 전단 내력을 넘지 않도록 개수와 간격을 정한다.

전단연결재 설계 절차는 다음과 같다.

• 합성보의 휨 성능으로 콘크리트 압축력 C와 강재 인장력 T를 산정한다.
• 두 힘의 차이로 단위 길이당 필요 수평전단력을 구한다.
• 스터드 1개의 설계 전단강도를 구한다.
• 필요 전단력을 스터드 1개 강도로 나누어 스터드 개수를 정한다.
• 보 길이 방향 간격과 최소 피복, 용접 위치를 점검한다.

수평전단력 산정식은 다음과 같다.

$V_h = \frac{C}{L}$

여기서 V_h는 단위 길이당 수평전단력(N/mm), C는 콘크리트 압축력(N), L은 전단이 분담되는 길이(mm)다.

스터드 소요 개수는 다음과 같이 구한다.

$n = \frac{V_{h} \cdot L}{Q_n}$

여기서 n은 스터드 개수, Q_n은 스터드 1개의 공칭 전단강도(N)다.

매입형 합성보의 TU보는 별도 전단연결재 없이 U자형 강판의 부착면적으로 수평전단력에 저항한다. 따라서 TU보에서는 스터드 대신 철골 자체의 부착력을 검토한다.

5. 관련 법령·기준·표준

전단연결재의 설계와 시공은 강구조 설계기준과 콘크리트 구조 설계기준, 그리고 건축·토목 시방서를 따른다. 본 절에서 확인된 기준은 다음과 같다. 설계기준 이름과 조항 번호는 확인된 범위에서만 쓰고, 번호가 불확실한 기준은 이름만 적는다.

위 표에서 완전합성 거동 조건은 전단연결재가 두 재료의 슬립을 막을 때 성립한다. 전단연결재가 부족하면 부분합성이 되어 휨 성능이 완전합성보다 낮아진다.

국내 기준은 개정되어 왔으므로 적용 시 현행 설계기준을 확인하는 과정이 필요하다. 설계기준 개정 연혁은 확인된 자료 범위에서 기술하며, 이 절에 쓰지 않은 연도와 조항은 답안에 쓰지 않는다.

전단연결재는 합성보의 슬립을 막아 두 재료가 일체로 거동하게 하는 부재다.

6. 유형과 비교

전단연결재는 강재와 콘크리트의 접촉면에서 수평전단력을 전달하는 방식에 따라 여러 형식으로 나뉜다. 대표적인 형식은 스터드형, 채널형, 강판형이며, 합성보 형식에 따라 선택 기준이 달라진다.

스터드형은 시공성이 좋아 가장 널리 쓰인다. 채널형과 강판형은 높은 전단강도가 필요할 때 선택한다.