전단연결재

왜 배우는가: 철골 합성보에서 콘크리트 바닥판과 강재보를 하나의 부재처럼 거동시키는 장치가 전단연결재이며, 설계 강성과 내력이 이 연결 성능에 좌우된다. 시험에서는 역할과 시공, 시험방법을 한 문항에서 함께 묻기 때문에 반복 출제된다.

출제 이력: 제136회 1교시 8번, 제126회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

전단연결재는 강재보와 콘크리트 바닥판을 일체화하여 두 재료 접촉면의 수평전단력을 전달하는 부재이며, 합성보의 완전합성 거동을 확보하는 핵심 요소이다.

핵심 키워드

• 전단연결재(Shear Connector)
• 수평전단력(Horizontal Shear Force)
• 완전합성보(Full Composite Beam)
• 부분합성보(Partial Composite Beam)
• 머리붙이 스터드(Headed Stud)
• 스터드 용접
• 푸시아웃 시험(Push-out Test)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 철골보 위에 콘크리트 슬래브를 올리면 두 재료는 접촉면에서 서로 미끄러지며 따로 휜다. 이때 두 재료가 함께 휘도록 접촉면을 붙잡아 주는 장치가 전단연결재다. 전단연결재는 머리붙이 스터드, 채널형 등 여러 형식이 있으나 건축에서는 머리붙이 스터드가 가장 널리 쓰인다.

정식 정의는 다음과 같다. 전단연결재는 강재와 콘크리트가 합성으로 작용하도록 두 재료의 접촉면에 설치하는 연결 요소로, 두 재료 사이에 작용하는 수평전단력을 전달하고 상호 미끄러짐을 억제한다.

합성보의 휨 거동은 콘크리트 압축력과 강재 인장력의 쌍으로 결정되며, 이 힘의 차이를 전단연결재가 전달한다. 휨모멘트를 받는 보에서는 콘크리트 쪽 압축력과 강재 쪽 인장력이 같은 크기로 평형을 이룬다. 두 힘의 위치가 달라 생기는 힘의 차이를 접촉면이 분담해야 하므로, 이 힘이 수평전단력이다. 수평전단력은 휨모멘트가 커질수록 커지고, 보 길이 방향으로 분포한다.

완전합성보는 전단연결재가 필요한 수평전단력을 모두 수평전단력 전부 전달하여 두 재료의 변형률이 한 단면처럼 연속되는 합성보다. 설계상 연결재 개수와 강도가 필요한 전단력을 충분히 감당하면 완전합성으로 본다. 반대로 연결재 수가 부족하여 접촉면의 미끄러짐이 일부 허용되면 부분합성보가 된다. 부분합성보는 완전합성보보다 휨강성과 휨강도가 낮다. 따라서 답안에서는 연결재의 역할을 설명할 때 완전합성과 부분합성의 차이를 함께 적는다.

3. 등장 배경과 필요성

철골보만으로 바닥을 구성하면 휨강성과 휨저항이 제한된다. 경간이 길어질수록 처짐이 커져 사용성을 해치고, 이를 줄이려고 보 단면을 키우면 강재량이 늘어 공사비와 자중이 증가한다. 콘크리트 바닥판을 보와 함께 휘게 하면 같은 강재량으로도 휨강성을 높일 수 있어, 이것이 합성보 도입의 출발점이다.

그러나 두 재료를 단순히 맞대어 놓기만 해서는 합성 효과가 생기지 않는다. 콘크리트는 압축에 강하고 강재는 인장에 강하지만, 접촉면이 미끄러지면 각자 따로 휘어 합성 효과가 사라진다. 따라서 접촉면을 일체화하는 전단연결재가 합성보의 필수 요소가 되었다. 합성보가 성립하는 조건이 곧 전단연결재의 존재 이유이다.

전단연결재가 필요한 이유는 구조 형식에 따라 다르게 나타난다. 기존의 합성보는 H형강 상부 플랜지 위에 슬래브를 올리고 그 위에 스터드를 설치하여 두 재료를 연결하였다. 이 방식은 슬래브가 보 위에 걸쳐져 바닥 전체의 높이가 철근콘크리트 구조에 비해 높아지는 문제가 있었다. 이 한계를 줄이기 위해 슬림플로어 공법이 등장했다. 슬림플로어는 슬래브를 철골보 안쪽에 삽입하고, 하부 플랜지 폭이 상부 플랜지 폭보다 큰 비대칭 H형강을 사용하여 보 춤을 줄이는 합성바닥판 공법이다. 이 공법에서도 강재와 콘크리트 사이 수평전단력은 전단연결재로 저항하는 것이 일반적이다.

별도 전단연결재를 쓰지 않는 방식도 있다. TU보는 U자형으로 절곡한 두 장의 강판을 상하부에서 용접하여 철골보를 만들고, 인장측 콘크리트가 철골 단면에 둘러싸여 폐쇄형 단면을 이루므로 부착면적이 커진다. 이때 수평전단력은 철골 자체의 부착력으로 저항한다. 다만 이는 특수한 시스템이며, 일반 합성보에서는 전단연결재가 수평전단력을 담당하는 기본 방식이다.

실무 측면에서도 필요성이 크다. 현장에서는 데크플레이트 위에서 스터드를 용접하는 공정이 일반화되어 있고, 교량에서도 콘크리트 바닥판을 스터드로 강재보에 연결하는 방식이 널리 쓰인다. 지진이나 반복하중이 작용하는 건축물에서는 접촉면의 미끄러짐이 누적되어 처짐과 균열이 커질 수 있으므로, 연결재의 강도와 배치가 안전성과 직결된다. 시험에서 전단연결재를 역할, 시공, 시험방法 세 축으로 함께 묻는 이유가 여기에 있다.

4. 구성요소·원리·절차

전단연결재(Shear Connector)는 강재보와 콘크리트 슬래브를 일체화시키는 스터드 앵커와 전단 연결 요소를 뜻한다. 두 재료 사이의 수평전단력을 전달해 미끄러짐을 막고, 그 결과 합성보가 완전합성으로 작동하도록 한다. 콘크리트는 압축력을, 강재는 인장력을 담당하므로 휨 성능이 단독 보보다 커진다.

전단연결재는 강재와 콘크리트 사이의 수평전단력을 전달해 두 부재를 일체화한다.

전단연결재의 구성요소는 다음과 같다.

표 해설: 실무에서 가장 널리 쓰는 것은 스터드다. 용접으로 간단히 설치되고 단면 성능이 검증되어 있다. 채널형과 구멍 뚫린 강판은 큰 전단력이나 피로 조건에서 선택한다.

원리는 다음과 같다. 보에 하중이 작용하면 콘크리트 슬래브와 강재 보 사이에 수평전단력이 생긴다. 이 힘을 전단연결재가 콘크리트 내부로 전달한다. 전단연결재가 충분하면 두 부재의 변형률이 같아져 단면 전체가 하나로 거동한다. 연결이 부족하면 두 부재가 따로 휘는 부분합성이 되고 강성과 강도가 떨어진다.

스터드 1개의 전단강도는 콘크리트 강도와 스터드 면적에 따라 정해진다. 설계에서는 다음 식으로 계산한다.

$Q_n = 0.5\,A_{sc}\sqrt{f_{ck}E_c} \le R_g R_p A_{sc} F_u$

A_{sc}는 스터드 단면적(㎡), f_{ck}는 콘크리트 설계기준강도(MPa), E_c는 콘크리트 탄성계수(MPa), F_u는 스터드 인장강도(MPa)다. R_g, R_p는 데크 형상과 배치에 따른 감소계수다.

절차는 다음과 같다.

• 보 설계에서 필요한 총 수평전단력을 구한다.
• 스터드 1개의 설계강도 Q_n을 계산한다.
• 필요 개수를 나누어 구하고 간격을 배치한다.
• 스터드를 강재 플랜지 위에 아크 용접으로 설치한다.
• 용접 외관과 머리 형상을 검사하고 콘크리트를 타설한다.

전단연결재가 시공 중 기울거나 용접 불량이면 설계 강도를 얻지 못한다. 그래서 스터드 용접 품질과 간격 배치가 시공의 핵심이다.

도식은 다음과 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

전단연결재의 설계와 시공은 건축구조기준과 강구조 설계기준을 따른다. 주요 기준은 다음과 같다.

기준 수치는 다음과 같다.