강재 인장재 설계강도

왜 배우는가: 강재 인장재는 건축 구조설계에서 트러스 부재, 가새, 인장 접합부로 자주 쓰인다. 설계인장강도는 총단면 항복, 유효순단면 파단, 블록전단파단 등 여러 한계상태 중 최솟값으로 정해지므로 어느 한계상태가 지배하는지 판단하는 능력이 필요하다. 기술사 시험에서 이 개념은 계산형 문제로 여러 회차에 걸쳐 반복 출제되었다.

출제 이력: 제125회 4교시 6번, 제122회 2교시 5번, 제119회 2교시 5번, 제116회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

강재 인장재의 설계인장강도는 총단면 항복, 유효순단면 파단, 블록전단파단 등 한계상태별 설계강도 중 가장 작은 값으로 정한다.

• 설계인장강도
• 총단면 항복
• 유효순단면 파단
• 전단지연계수
• 블록전단파단
• 한계상태설계법

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 인장재가 끊어지기 전에 어디서 먼저 한계에 도달하는지 찾는 일이다. 부재 전체가 늘어나 항복하는 경우와, 볼트 구멍 부분의 순단면이 먼저 파단되는 경우를 각각 계산한다. 접합부가 찢어지듯 깨지는 경우도 따로 본다.

정식 정의로는 인장재의 설계인장강도를 각 한계상태의 공칭강도에 저항계수를 곱한 값 중 최소값으로 정의한다. 소요인장강도 P_u가 설계인장강도 \phi P_n 이하이면 적합한 설계로 본다.

핵심 용어는 다음과 같다. 총단면 항복은 총단면적 A_g에 항복강도 F_y를 곱한 값으로 정해지며 저항계수는 Φ=0.90이다. 유효순단면 파단은 순단면적에 전단지연계수 U를 곱한 유효순단면적 A_e에 인장강도 F_u를 곱하며 저항계수는 Φ=0.75이다. 전단지연계수는 접합부에서 응력이 한 요소에만 전달될 때 생기는 전단지연 현상을 보정하는 계수다.

블록전단파단은 인장력 방향으로는 전단파괴, 그에 수직인 방향으로는 인장파괴가 동시에 일어나 접합부 일부가 찢어지는 파단이다. 고장력볼트 사용이 늘면서 볼트 수가 줄고 직경은 커져 위험성이 커졌다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 허용응력도 설계에서는 부재 전체 응력만 검토했으나, 접합부 구멍에 의한 단면 감소가 실제 파괴를 좌우한다는 것이 알려지면서 순단면 검토가 도입되었다. 이후 한계상태설계법으로 바뀌면서 항복과 파단을 별도의 한계상태로 나누어 저항계수를 달리 적용하게 되었다.

고장력볼트 접합이 보편화되고 볼트 간격이 넓어지면서 블록전단파단이 설계 지배 요인으로 부상했다. 그래서 현행 기준은 여러 한계상태를 모두 검토하고 최솟값을 설계강도로 취하도록 규정한다. 이 방식은 단일 검토로 안전성을 확보할 수 없다는 점을 반영한 것이다.

시험에서는 이 배경을 한 줄로 쓰고, 이어서 한계상태 목록을 제시하는 방식이 답안 구성에 적합하다.

4. 구성요소·원리·절차

인장재의 설계인장강도는 여러 한계상태의 설계강도 가운데 가장 작은 값으로 정한다. 각 한계상태는 파괴가 일어나는 방식이 달라서 따로 계산하고 비교한다. 검토 대상은 총단면 항복, 유효순단면 파단, 블록전단파단, 접합부 강도, 거셋플레이트 강도의 다섯 가지다.

설계인장강도는 한계상태별 설계강도 중 최솟값으로 정한다.

인장재 본체는 축력을 전달하고, 구멍은 볼트를 설치하기 위해 단면을 줄인다. 고장력볼트는 접촉면의 마찰로 힘을 전달하고, 거셋플레이트는 부재의 힘을 접합 요소로 옮긴다. 파단 영역은 전단과 인장이 함께 작용하는 블록 형태로 나타난다. 구성요소별 검토 내용은 다음 표와 같다.