강접합부 설계

왜 배우는가: 강접합부는 보와 기둥을 연결해 모멘트와 전단을 전달하는 부위로, 골조의 내력과 변형 능력을 좌우한다. 기술사 시험에서는 설계 조건을 주고 볼트·용접·패널존을 검토하게 하는 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제132회 2교시 3번, 제101회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

강접합부 설계는 보와 기둥의 연결부가 소요 휨모멘트와 전단력을 안전하게 전달하도록 접합 요소의 강도를 검토하고 치수를 정하는 일이다. 답안 첫 줄에는 다음 문장을 쓴다.

강접합부는 보의 휨모멘트와 전단력을 기둥에 안전하게 전달하도록 플랜지·웨브 접합부의 강도를 검토하는 접합부 설계이다.

핵심 키워드

• 모멘트 접합: 보 플랜지 응력을 기둥으로 전달하는 접합 방식
• 전단 접합: 보 웨브와 이음판으로 전단력을 전달하는 접합 방식
• 마찰접합: 고력볼트의 축력에 의한 접촉면 마찰로 하중을 전달하는 방식
• 완전용입 그루브 용접: 플랜지 맞댐부를 모재 전 두께로 용접하는 방식
• 패널존: 기둥과 보가 만나는 기둥 웨브 영역의 전단 거동 구역
• 소요강도와 설계강도: 계수하중 부재력과 강도 감소계수를 곱한 설계 내력의 비교
• 약축 쪽 연결: 웨브 이음판으로 전단을 받는 상세

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 보가 기둥에 붙는 자리에서 힘이 끊기지 않도록 이어 주는 설계다. 보의 휨은 주로 플랜지가 받으므로 플랜지 접합은 인장과 압축 응력을 기둥으로 넘기는 역할을 한다. 보의 전단은 주로 웨브가 받으므로 웨브 접합은 이음판과 고력볼트 또는 필릿용접으로 전단을 옮긴다.

정식 정의는 다음과 같다. 강접합부 설계는 계수하중에 의한 휨모멘트 M_u와 전단력 V_u를 받는 접합부에서, 플랜지 접합, 웨브 접합, 패널존 전단에 대해 설계강도가 소요강도 이상임을 확인하는 과정이다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

모멘트 접합은 보 플랜지가 받는 인장력과 압축력을 기둥에 전달하는 접합이다. 플랜지 단면적과 항복강도로 소요 인장력을 구한다.

전단 접합은 보 웨브의 전단력을 이음판과 볼트 또는 용접부로 전달하는 접합이다. 웨브 이음판의 전단 내력과 볼트 전단·지압 내력 중 작은 값으로 검토한다.

마찰접합은 고력볼트를 설계 볼트장력으로 조여 접합면의 마찰로 힘을 전달하는 방식이다. 미끄럼이 일어나지 않는 것을 기준으로 설계한다.

패널존 전단은 기둥 웨브 중 보 플랜지 사이 영역이 받는 전단이다. 보 모멘트가 크면 이 영역의 전단 강도를 따로 확인한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 강구조 골조는 보와 기둥을 단순히 핀으로 연결하는 경우가 많았다. 그러나 지진과 강풍에 대비해 골조의 강성과 연성을 확보하려면 보와 기둥 사이에서 모멘트를 전달하는 강접합이 필요해졌다. 강접합은 골조의 횡저항 능력을 높이고 층간변위를 줄인다.

강접합부는 용접 품질과 볼트 시공에 따라 성능이 크게 달라진다. 1990년대 이후 용접 결함이 접합부 파괴의 원인으로 지적되면서 접합부 상세와 검사 기준이 강화되었다. 현재는 설계 단계에서 접합부 강도를 명확히 검토하고, 시공 단계에서 용접과 볼트 체결을 관리하는 체계가 기본이다.

설계 기준이 필요한 이유는 접합부가 골조에서 취약한 지점이 되기 쉽기 때문이다. 부재 자체의 강도보다 접합부 강도가 작으면 골조 전체가 설계 의도대로 거동하지 못한다. 따라서 접합부 강도는 연결되는 부재의 설계강도 이상이 되도록 정하는 것을 원칙으로 한다.

소요강도 ≤ 설계강도 조건을 모든 접합 요소에 적용하는 것이 설계의 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

강접합부는 보의 휨모멘트를 기둥에 전달하고, 보의 전단력도 함께 전달한다. 플랜지는 인장·압축 우력으로 모멘트를 나르고, 웨브 이음판과 고장력볼트는 전단력을 나른다. 설계는 두 경로를 나눠서 검토한다.

플랜지 우력은 보 춤과 플랜지 두께로부터 근사식으로 구한다. 모멘트를 두 플랜지의 힘 쌍으로 바꾸는 방식이다.

$F_f = \frac{M_u}{d - t_f}$

여기서 F_f는 플랜지 힘(kN), M_u는 소요휨모멘트(kN·m), d는 보 춤(mm), t_f는 보 플랜지 두께(mm)다. 우력의 팔길이는 d - t_f로 잡는다.

고장력볼트 마찰접합의 설계미끄럼강도는 마찰면에서 미끄러지지 않는 힘으로 본다. 볼트 한 개당 강도는 다음과 같다.

$R_s = \mu\, h_f\, T_o\, N_s$

여기서 \mu는 미끄럼계수, h_f는 필러계수, T_o는 설계볼트장력(kN), N_s는 전단면의 수다. 설계볼트장력은 볼트 인장강도의 70%로 한다. F10T M24 의 최소 인장하중이 352.6kN 이므로 T_o = 0.7 \times 352.6 \approx 246.8kN 이다.

절차는 다음과 같다.

• 소요강도 M_u, V_u를 접합부 중심선 기준으로 정리한다.
• 플랜지 우력 F_f를 구하고 플랜지 단면의 인장·압축 강도를 검토한다.
• 완전용입 그루브 용접의 강도를 검토한다. 모재 강도 이상을 확보하는 것이 원칙이다.
• 웨브 이음판 크기를 정하고 전단력 V_u를 볼트군에 분배한다.
• 볼트 한 개의 설계미끄럼강도 R_s를 구하고 필요한 볼트 개수를 정한다.
• 이음판의 전단 항복, 파단, 블록전단을 검토한다.
• 기둥 패널존과 스티프너 필요 여부를 검토한다.
• 모든 검토 항목의 소요강도가 설계강도 이하이면 적합으로 판정한다.

플랜지는 모멘트, 웨브는 전단을 나눠 받는다는 원리가 접합부 설계의 출발점이다.

5. 관련 법령·기준·표준

강접합부 설계는 강구조 연결 설계기준(KDS 14 31 25)과 강구조 부재 설계기준(KDS 14 31 10)을 따른다. 두 기준은 한계상태설계법 체계다. 구 허용응력도 설계 체계는 이 체계로 정비되었다. 강재 재질은 SM355, SM275, SM490, SM400 등 KS 강재 규격을 쓰며, 항복강도와 인장강도는 강재 재질과 두께에 따라 기준값을 적용한다.

표의 값은 각 재질과 두께 범위에 따라 달라지므로 설계에 쓸 때는 적용 범위를 함께 확인한다. 볼트 한 개당 미끄럼강도 계산은 \mu, h_f, T_o 세 값으로 결정된다. 이 셋이 접합부 설계의 핵심 기준이다.

• 고장력볼트 설계볼트장력은 볼트 재질의 인장강도에서 정해진다. F10T 는 인장강도 1000MPa 급 볼트다.
• 완전용입 그루브 용접은 모재와 같은 강도를 갖는 것으로 본다.
• 블록전단과 패널존 검토는 해당 기준의 한계상태식을 따른다.

6. 유형과 비교

강접합부는 접합 방식과 부재 연결 형식에 따라 여러 유형으로 나뉜다. 기둥과 보의 플랜지·웨브를 어떤 방식으로 잇는지에 따라 모멘트 전달 성능과 시공성이 달라진다. 설계자는 소요 모멘트와 전단력의 크기, 현장 용접 여건, 볼트 시공 품질을 함께 고려해 유형을 고른다.