지레작용

왜 배우는가: 지레작용은 인장을 받는 고장력볼트 접합에서 볼트가 설계값보다 큰 힘을 받게 만들어 파단이나 피로 파괴를 일으킬 수 있다. 엔드플레이트 접합과 인장재 접합부 설계에서 빠지기 쉬운 검토 항목이라 두 교시에 걸쳐 반복해 출제된다.

출제 이력: 제118회 1교시 8번, 제111회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지레작용은 인장을 받는 고장력볼트 접합에서 접합재가 휘며 접촉점에 생긴 지렛대 반력이 볼트 인장력을 추가로 키우는 현상이다.

• 지레작용(Prying Action)
• 지레력(Prying Force)
• 접촉점
• 엔드플레이트(End Plate)
• 플랜지 두께
• 볼트 추가 인장력
• 고장력볼트 프리텐션
• 파단·피로 파괴

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 볼트를 당기면 그 볼트가 연결한 판도 같이 휜다. 판이 휘면 판의 한쪽 끝이 다른 판에 눌리며 받침 역할을 한다. 이 받침 반력이 지렛대처럼 볼트를 한 번 더 당기게 된다. 결국 볼트가 외부에서 받는 인장력보다 실제로는 더 큰 힘을 받는다.

정식으로 정의하면, 인장력을 받는 볼트 접합에서 접합재(엔드플레이트, 앵글, 플랜지 등)가 휨 변형을 일으켜 접촉면 끝부분에 반력이 발생하고, 이 반력이 볼트에 추가 인장력으로 작용하는 현상이다. 이때 추가되는 힘을 지레력이라 한다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다. 지레력(Prying Force)은 지레작용으로 볼트에 더해지는 추가 인장력이다. 외부 인장력과 별도로 계산되어 볼트 설계 인장력에 합산된다. 접촉점은 피접합재가 서로 맞닿아 반력이 생기는 위치다. 접촉점이 볼트 중심에서 멀수록 지렛대의 팔 길이가 길어져 지레력이 커진다. 플랜지 두께는 판의 휨 강성을 좌우한다. 두께가 얇을수록 판이 쉽게 휘어 지레력이 커진다.

고장력볼트는 프리텐션(조임축력)을 줘서 판을 강하게 밀착시킨다. 밀착이 접합면 끝까지 유지되면 접촉점이 생기고, 그때 지레작용이 나타난다. 일반볼트는 조임력이 작아 판이 떨어지는 쪽으로 변형하므로 지레작용의 양상이 다르다. 두 접합의 차이는 비교 절에서 다룬다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조 접합은 리벳에서 고장력볼트로 바뀌면서 조립이 쉬워졌고 접합 강성이 높아졌다. 그러나 얇은 플랜지나 엔드플레이트를 쓰면 판이 휘어 지레작용이 커진다. 설계에서 볼트 인장력을 외력만으로 계산하면 실제 볼트 힘을 과소평가하게 된다. 그 결과 볼트가 예상보다 일찍 파단하거나 반복하중에서 피로 균열이 생길 수 있다.

특히 보-기둥 모멘트접합의 엔드플레이트와 트러스 인장 접합부가 대표적이다. 인장 쪽 볼트 열에 힘이 집중되는데, 지레작용을 무시하면 볼트 수와 판 두께를 부족하게 정하게 된다. 그래서 인장접합 설계에서는 판의 두께와 볼트 위치(게이지, 연단거리)를 함께 검토해 지레력을 줄인다.

국내에서는 강구조 설계기준이 한계상태설계법으로 인장 접합을 검토하도록 규정하고 있다. 지레작용 검토는 이 기준의 접합부 검토 절차에 포함되어 있다. 설계자는 볼트 인장강도와 판의 휨 한계를 함께 확인해야 하며, 이것이 지레작용을 개념으로 이해해야 하는 이유다.

교육 측면에서도 이 주제는 중요하다. 볼트 접합 문제는 마찰접합과 인장접합의 거동 차이를 묻는 형태로 자주 나온다. 지레작용은 두 접합을 구분하는 핵심 개념이므로 정의, 원리, 판 두께 영향을 함께 정리해 두어야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

지레작용(Prying Action)은 고력볼트 인장접합에서 피접합재가 외력에 의해 벌어지려 할 때, 접합부 가장자리(플랜지 끝 등)가 지렛대처럼 작용해 볼트에 추가 인장력을 만드는 현상이다. 볼트 한 개가 받는 인장력은 외력에 의한 인장과 지레력의 합으로 커진다. 따라서 설계에서는 지레력을 포함한 볼트 소요 인장력을 검토해야 한다.

지레작용이 생기는 조건은 다음과 같다. 접합부 판 두께가 얇아 휨 강성이 작고, 볼트 게이지가 연단거리보다 크며, 연단부 플랜지가 충분히 강하지 않으면 지레력이 커진다. 반대로 판이 두껍거나 볼트를 가장자리에 가깝게 배치하면 지레력은 작아진다.

표의 구성요소는 모두 지레력과 연결된다. 각 요소의 역할을 함께 이해해야 답안에서 원인과 대책을 설명할 수 있다.

지레작용의 원리는 힘의 모멘트 평형으로 설명한다. 연단 플랜지가 접촉점을 중심으로 회전하려 하면, 볼트 위치에 지레력 Q가 생긴다. 볼트 한 개에 걸리는 총 인장력은 다음과 같다.

$B = T + Q$

여기서 B는 볼트 소요 인장력(N), T는 외부 인장력(N), Q는 지레력(N)이다. 지레력 Q는 판 두께, 볼트 위치, 연단 거리로 결정된다. 판이 얇고 지레팔이 길수록 Q가 커진다.

지레력의 대략 식은 모멘트 평형으로 얻는다.

$Q\,a = \frac{T\,b}{2}\quad(\text{단, } a,\,b\text{는 지레팔 길이})$

여기서 a는 볼트 중심에서 접촉점까지 거리(mm), b는 접촉점에서 외력 작용점까지 거리(mm)이다. 이 식은 설계 기준에서 쓰는 정식 값이 아니라 원리를 보이기 위한 식이다. 답안에는 원리의 결론만 쓰고 세부 계수는 기준을 따른다고 적는다.

지레작용 검토 절차는 다음과 같다.

• 접합부의 형식(T-stub, 엔드플레이트 등)과 볼트 배치를 정한다.
• 외부 인장력 T와 피접합재 두께, 연단 거리, 게이지를 구한다.
• 지레력 Q를 기준식 또는 해석으로 산정한다.
• 볼트 소요 인장력 B = T + Q를 구한다.
• 볼트 설계인장강도와 비교해 볼트 개수·직경을 정한다.
• 두께가 부족하면 판 두께를 늘리거나 연단 플랜지를 보강한다.

지레작용은 볼트 인장력을 외력보다 크게 만들므로 인장 검토에서 반드시 포함한다.

5. 관련 법령·기준·표준

지레작용은 강구조 설계기준의 고력볼트 인장접합 검토 항목에 속한다. 고력볼트의 인장과 지압 검토는 건축구조기준(KDS)의 강구조 설계기준을 따른다. 현행 기준은 강구조 설계기준(한계상태설계법)이며, 구 허용응력설계법 기준은 KDS 14 30 00 계열이었다. 지레작용을 직접 다루는 기준 조항 번호는 확인이 필요하지 않도록 이름만 쓴다.

고력볼트 접합의 주요 검토 항목은 아래와 같다.

위 표의 연단거리와 간격 값은 설계 일반 원칙으로 쓴 것이다. 적용 기준의 세부 조건에 따라 값이 달라질 수 있으므로 설계 시 기준 원문의 값으로 확정한다.