가새 접합부 설계

왜 배우는가: 가새 접합부는 가새의 축력을 보와 기둥으로 안전하게 전달하는 마지막 관문이라 실무 설계 검토에서 빠지지 않는다. 고력볼트 접합, 거셋플레이트 한계상태, 모살용접 검토가 한 곳에 모이므로 기술사 시험에서 계산과 도시를 함께 묻는 문항으로 반복 출제된다.

출제 이력: 제103회 4교시 6번, 제102회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

가새 접합부 설계는 가새부재의 축력을 거셋플레이트를 거쳐 보와 기둥에 안전하게 전달하도록 접합부의 고력볼트·용접·거셋플레이트를 검토하는 과정이다.

가새 접합부 설계는 가새 축력을 거셋플레이트를 통해 보·기둥으로 전달하는 접합부의 강도와 변형을 검토하는 설계다.

키워드: 가새 축력, 거셋플레이트, 고력볼트 마찰접합, 모살용접, 블록전단, 접합부 한계상태, 내진 상세

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 가새는 건물이 옆으로 밀릴 때 대각선으로 힘을 받아 버티는 부재다. 가새의 끝은 그 힘을 주변 골조로 되돌려 보내야 하는데, 이 연결 부위가 가새 접합부다. 접합부가 약하면 가새가 아무리 튼튼해도 골조 전체가 무너진다.

정식으로는 가새 끝단의 축력을 거셋플레이트, 접합 볼트 또는 용접을 통해 보와 기둥 패널에 전달하고, 각 요소가 한계상태에 도달하지 않도록 강도를 확인하는 설계 절차를 말한다.

거셋플레이트는 가새와 보·기둥을 잇는 강판이다. 축력이 판의 면내에서 흐르도록 형상을 잡고, 판의 항복, 블록전단, 압축 좌굴을 함께 검토한다.

고력볼트 마찰접합은 고장력 볼트의 조임력으로 접합면에 마찰력을 만들어 힘을 전달하는 방식이다. 접합면이 미끄러지지 않아야 하므로 미끄럼 강도를 기준으로 본다. 접합부 강성이 높고 반복 하중에 유리하다.

모살용접은 두 판을 겹치거나 직각으로 만날 때 모서리를 따라 삼각형 단면으로 덧붙이는 용접이다. 목두께가 응력 전달을 좌우하므로 사이즈와 길이를 정확히 관리한다.

3. 등장 배경과 필요성

철골 가새골조는 지진과 풍하중의 횡력을 대각선 부재의 축력으로 바꾸어 저항한다. 가새 축력은 부재 자체보다 접합부에서 집중되는 경우가 많다. 과거 지진에서 접합부 파괴가 골조 붕괴로 이어진 사례가 축적되면서, 가새 접합부를 별도로 설계하는 요구가 강해졌다.

또 접합부가 부재보다 먼저 파괴되면 연성 거동을 기대할 수 없다. 그래서 내진설계에서는 가새가 먼저 항복하도록 접합부 강도를 높이는 것이 원칙으로 자리 잡았다. 이 개념이 '접합부 초과강도' 검토와 연결된다.

여기에 건축 계획상 가새 위치와 개구부 제약이 더해지면 거셋플레이트 형상이 복잡해진다. 복잡한 형상일수록 판의 좌굴과 블록전단을 놓치기 쉬워, 접합부 검토 항목을 체계적으로 정리할 필요가 생겼다.

4. 구성요소·원리·절차

가새 접합부는 가새 부재의 축력을 거셋플레이트를 통해 보와 기둥으로 전달하는 부분이다. 접합부는 거셋플레이트, 고력볼트 또는 용접, 이음판으로 구성된다. 접합부가 항복하기 전에 가새 부재가 먼저 항복하도록 설계하는 것이 원칙이다.

마찰접합은 고력볼트의 조임력으로 접합면에 마찰력을 만들어 전단력을 전달한다. 접합면이 미끄러지지 않는 조건으로 설계하는 것이 기본이다. 볼트 한 개의 미끄럼강도는 R_s = \mu \, h_f \, T_o \, N_s 로 구하며, \mu는 마찰계수, h_f는 피접합재 종류 계수, T_o는 볼트 설계축력(N), N_s는 미끄럼면 수다. 가새 접합부는 부재 항복 이후에 접합부가 파괴되지 않도록 강도를 더 크게 잡는다. 이는 가새의 연성 거동을 확보하기 위한 원칙이다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 가새 축력과 보·기둥 접합 위치로 거셋플레이트 형상을 정한다.
• 가새 인장·압축 설계강도로 가새 단면을 검토한다.
• 거셋플레이트의 항복, 파단, 블록전단, 압축좌굴을 검토한다.
• 고력볼트 개수와 배치를 정하고 미끄럼강도와 지압강도를 확인한다.
• 필릿용접의 유효목두께와 용접길이로 용접강도를 확인한다.
• 이음판과 연단거리, 게이지 간격의 최소·최대 조건을 확인한다.

용접부 설계강도는 공칭강도에 Φ=0.75를 곱한다

가새 접합부에서 편심이 있으면 접합부에 휨모멘트가 함께 작용한다. 이때는 편심에 의한 모멘트를 고려해 볼트군 또는 용접군의 응력을 다시 계산한다.

5. 관련 법령·기준·표준

가새 접합부 설계는 건축구조기준(KBC)과 강구조 설계기준(KDS 14 31 시리즈)을 따른다. 인장재와 접합부의 한계상태 설계는 KDS 14 31 10 을 기본으로 하며, 접합 설계는 KDS 14 31 25 를 따른다. 기준 체계는 한계상태설계법(LRFD)이며 저항계수 Φ 를 곱한 설계강도로 검토한다.

한계상태별 설계강도는 공칭강도에 저항계수를 곱해 구한다. 소요강도가 설계강도 이하이면 적합하다. 인장재 설계는 다섯 가지 한계상태(총단면 항복, 유효순단면 파단, 블록전단, 고력볼트·용접 접합부, 거셋플레이트)를 비교해 가장 작은 값을 설계강도로 정한다.

개정 연혁으로는 강구조 설계기준이 한계상태설계법 체계로 정비되었고, 기준 명칭은 KDS 체계로 쓴다. 구체적인 개정 조문은 본 절의 근거 범위 밖이므로 본문에서는 현행 기준 명칭만 쓴다.

가새 접합부의 저항계수와 한계상태 검토 순서는 기준 체계에 따라 정해진다.

6. 유형과 비교(비교표 2개 이상)

가새 접합부는 가새 축력을 거셋플레이트를 거쳐 기둥과 보에 전달하는 부분이다. 접합 수단은 고력볼트 마찰접합, 지압접합, 모살용접으로 나뉘며 각 수단의 힘 전달 원리와 강성이 다르다. 설계에서는 수단별 파괴 형태를 따로 검토한다.

마찰접합은 강성이 높고 응력 흐름이 원활해 가새 접합부에 가장 많이 쓴다. 지압접합은 미끄럼이 생기므로 진동이나 반복하중을 받는 가새 접합에는 적합하지 않다. 모살용접은 현장 조립 공정을 줄이지만 목두께 관리와 용접 품질에 따라 강도가 달라진다.

가새 접합부의 한계상태는 부재와 접합 요소별로 나눠 검토한다. 아래 표는 접합부 파괴 형태와 검토 대상을 정리한 것이다.