인장재와 필릿용접 설계

왜 배우는가: 인장재는 강구조 설계에서 가장 단순하지만 접합부 편심, 구멍에 의한 단면 감소, 블록전단 같은 실무 문제가 집중되는 부재다. 시험에서는 설계인장강도 산정과 필릿용접 안전성 검토가 한 문제로 묶여 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제112회 3교시 3번, 제91회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

인장재 설계는 총단면 항복과 유효순단면 파단 두 한계상태에서 구한 설계강도 중 가장 작은 값이 소요인장강도 이상임을 확인하는 설계다.

• 인장재
• 총단면 항복
• 유효순단면 파단
• 순단면적
• 전단지연계수
• 블록전단파단

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 당기는 힘을 받는 부재가 끊어지기 전에 늘어나서 쓸 수 없게 되는지와 구멍 부분에서 찢어지는지를 나눠 보는 것이다. 두 가지 중 약한 쪽이 부재의 강도를 결정한다.

정식 정의로는 인장재의 설계인장강도는 각 한계상태의 공칭강도에 저항계수를 곱한 값 중 최솟값이다. 총단면 항복의 저항계수는 Φ=0.90, 유효순단면 파단의 저항계수는 Φ=0.75로 KDS 14 31 10 에 따른다.

총단면 항복은 부재 전체 단면이 항복응력에 도달해 과도한 변형이 생기는 한계상태다. 유효순단면 파단은 구멍이 있는 단면에서 인장파단이 일어나는 한계상태다. 구멍이 있으면 총단면적 대신 순단면적을 쓴다.

순단면적은 총단면적에서 구멍 면적을 뺀 값이다. 정렬 배치에서는 파단선상 구멍 수 n과 구멍 직경 d, 두께 t로 An = Ag − n·d·t 로 구한다. 불규칙 배치에서는 피치 p와 게이지 g를 더한 지그재그 파단선을 모두 검토해 가장 작은 순단면적을 쓴다.

전단지연(shear lag)은 접합되지 않은 요소가 있을 때 인장력이 단면 전체에 고르게 전달되지 않는 현상이다. 이를 보정하려고 유효순단면적 Ae = U·An 을 쓴다. 앵글(L형강)처럼 한쪽 다리만 접합되거나 접합선이 도심에서 벗어난 경우에 특히 중요하다.

블록전단파단은 접합부 일부가 전단 파괴와 인장 파괴를 동시에 겪으며 찢겨 나가는 형태의 파단이다. 고장력볼트 직경이 커지고 개수가 줄면서 실무 검토 비중이 커졌다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조 인장재는 트러스 부재, 가새, 케이블형 부재처럼 축력만 받는 경우가 많다. 부재 자체의 강도보다 접합부에서 단면이 줄고 힘이 불균등하게 전달되는 것이 실제 파괴를 좌우한다. 그래서 설계에서는 부재 단면 검토와 접합부 검토를 분리하지 않고 함께 본다.

고강도 강재와 고장력볼트의 보급으로 부재 단면은 작아지고 볼트 수는 줄었다. 이 때문에 순단면 파단과 블록전단의 위험이 상대적으로 커졌다. 설계기준이 한계상태마다 저항계수를 따로 두고, 다섯 가지 강도 중 최솟값을 설계강도로 정하는 체계를 쓰는 이유가 여기에 있다.

필릿용접은 인장재와 거셋 플레이트, 이음판을 잇는 대표적 접합 수단이다. 접합부 강도가 부재 강도보다 작으면 용접부가 먼저 파괴되므로, 용접 유효길이와 유효목두께를 정확히 계산해 소요강도를 확보해야 한다. 필릿 사이즈 s에 대해 유효목두께는 0.7s 이고, 강도에 의해 지배되는 경우 최소 유효길이는 필릿 사이즈의 4배 이상 이다.

4. 구성요소·원리·절차

인장재의 강도는 부재 전체가 늘어나는 총단면 항복과 구멍이 있는 단면이 찢어지는 유효순단면 파단으로 정해진다. 접합부 형태에 따라 두 한계상태 중 하나가 지배하므로 두 값을 각각 구하고 작은 값을 쓴다. 구성요소는 다음과 같다.

원리는 다음과 같다. 인장재에 구멍을 뚫으면 단면이 줄어 파단 강도가 낮아진다. L형강처럼 한쪽 면만 접합하면 힘의 중심선과 도심이 어긋나 전단지연(shear lag) 이 생긴다. 이 영향을 U로 줄여 Ae를 구한다. 항복은 부재 전체의 변형이 문제이므로 총단면을 쓰고, 파단은 국부 단면의 찢어짐이므로 유효순단면을 쓴다.

검토 절차는 다음과 같다.

• 소요인장력 Pu를 구하고 부재 단면을 가정한다.
• 총단면 항복 설계강도를 구한다.
• 구멍 배치로 순단면적 An을 구하고 전단지연계수 U를 곱해 Ae를 구한다.
• 유효순단면 파단 설계강도를 구한다.
• 블록전단파단, 접합부 강도, 거셋 플레이트 강도를 함께 구한다.
• 다섯 값 중 가장 작은 값을 설계인장강도로 정한다.
• Pu가 설계인장강도 이하이면 적합하다.

구멍 배치의 순단면적은 정렬 배치와 불규칙 배치로 나눈다. 정렬 배치는 파단선상의 구멍 수 n과 구멍 직경 d, 두께 t로 An = Ag − n·d·t 로 구한다. 불규칙 배치는 대각선 방향 파단선의 피치 p와 게이지 g를 더해 보고, 순단면적이 가장 작은 파단선을 택한다.

인장재의 설계강도 식은 다음과 같다.

$P_n = F_y A_g \quad (\text{총단면 항복})$

$P_n = F_u A_e = F_u U A_n \quad (\text{유효순단면 파단})$

$\phi P_n: \ \phi = 0.90 \ (\text{항복}),\ \phi = 0.75 \ (\text{파단})$

여기서 F_y는 항복강도(MPa), F_u는 인장강도(MPa), A_g는 총단면적(mm²), A_e는 유효순단면적(mm²)이다.

설계인장강도는 항복과 파단 등 여러 한계상태 중 가장 작은 값으로 정한다

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5. 관련 법령·기준·표준

인장재의 설계는 강구조 부재 설계기준 KDS 14 31 10 을 따른다. 접합부는 강구조 연결 설계기준 KDS 14 31 25 를 따른다. 강교는 강교 설계기준 KDS 24 14 31 을 따른다. 미국 기준은 AISC 기준(2016)이 있으며 저항계수는 총단면 항복 0.90, 유효순단면 파단 0.75 로 같다. 기준값은 다음 표와 같다.

블록전단파단의 Ubs 는 인장응력이 균일하면 1.0, 불균일하면 0.5 이다. 표의 저항계수는 KDS 14 31 10 의 값이며 AISC 기준도 같은 값을 쓴다.

개정 연혁으로는 강구조 설계 기준이 KDS 체계로 정비되면서 부재 설계와 접합부 설计 기준이 분리되었다. 과거 명칭은 구 기준으로 부른다.

φ=0.90 과 φ=0.75 는 시험 답안에서 가장 자주 쓰는 저항계수이므로 외워 둔다.

• 항복은 전단지연 보정 없이 총단면을 쓴다.
• 파단은 유효순단면적 Ae 를 쓴다.
• 블록전단파단은 접합부 단면 파괴를 본다.

6. 유형과 비교

인장재는 부재의 형상과 접합 방식에 따라 나뉘며, 설계 검토 항목도 달라진다. 단일 부재의 단면 형상은 H형강, 구형강관, 등변·부등변 L형강 등으로 구분하고, 접합 방식은 볼트 접합과 용접 접합으로 나눈다. 같은 인장재라도 편심과 전단지연의 영향이 형상마다 다르므로 유효순단면적을 구하는 방법이 달라진다.