전단연결재

왜 배우는가: 전단연결재는 강합성보와 강합성 거더교에서 강재와 콘크리트를 하나의 단면으로 거동시키는 핵심 요소다. 연결재가 부족하면 합성 효과가 줄어 설계 강도와 처짐 예측이 어긋난다. 시험에서는 정의, 종류, 설계 하중, 간격 산정 계산이 함께 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제121회 4교시 2번, 제102회 1교시 5번, 제90회 1교시 4번, 제65회 2교시 5번, 제64회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의

전단연결재는 강재 거더와 콘크리트 바닥판 사이 수평 전단력을 전달해 합성단면으로 거동시키는 연결 요소다.

핵심 키워드

• 전단연결재
• 합성작용
• 수평 전단력
• 스터드(Stud)
• 미끄럼 방지
• 합성단면
• 완전합성
• 부분합성

정의 문장은 답안 첫 줄에 그대로 쓴다. 나머지 키워드는 2절과 3절에서 풀이한다. 합성작용과 완전합성은 서로 다른 개념이므로 답안에서 구분해 쓰는 것이 감점을 줄인다. 전단연결재는 강재와 콘크리트가 맞닿는 경계면에 놓이므로, 설계에서는 연결재 한 개의 강도보다 경간 전체에 걸친 경계면 전단력 합이 먼저 검토 대상이 된다. 따라서 정의에는 전달 대상이 되는 힘을 명시하는 것이 좋다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 강재 보 위에 콘크리트 바닥판을 올려 놓기만 하면 두 재료는 각자 따로 휜다. 전단연결재는 두 재료가 맞닿은 면에서 서로 밀리지 않도록 붙잡는 장치다. 붙잡아 두면 바닥판은 압축을, 강재 보 하부는 인장을 함께 받아 한 덩어리처럼 휜다.

정식 정의는 다음과 같다. 전단연결재는 강재 보와 콘크리트 바닥판의 경계면에 생기는 수평 전단력을 전달하고, 두 부재의 상대 미끄럼과 분리를 억제하는 기계적 연결장치다. 콘크리트와 강재의 부착만으로는 큰 전단력을 확실히 전달할 수 없으므로 돌출형 연결재로 맞물림을 만든다.

경계면 전단력의 크기는 보의 전단력과 단면 성질로 정해진다. 휨을 받는 합성보에서 경계면 단위길이당 수평 전단력은 다음 식으로 구한다.

$V_h = VQ/I$

여기서 V는 단면의 전단력(N), Q는 바닥판 면적의 중립축에 대한 단면 1차모멘트(mm³), I는 합성단면의 2차모멘트(mm⁴)다. 이 값을 연결재 한 개의 강도로 나누면 필요한 연결재 개수가 된다. 식의 결과가 연결재 강도 합보다 작으면 완전합성으로 볼 수 있다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 합성작용: 두 부재가 경계면에서 미끄러지지 않고 하나의 단면처럼 응력을 나누어 받는 상태다. 합성작용의 정도가 휨강도와 처짐을 좌우한다.
• 완전합성: 경계면 전단력을 연결재가 모두 전달하여 미끄럼이 없다고 보는 경우다. 연결재 강도 합 ≥ 경계면 전단력일 때 성립한다.
• 부분합성: 연결재 수가 부족해 일부 미끄럼을 허용하는 경우다. 연결재 수를 줄이는 설계의 근거가 된다.
• 스터드(Stud): 강재 보 상부 플랜지에 용접하여 세우는 머리 달린 막대다. 가장 널리 쓰이는 형식이다.

스터드는 머리부가 콘크리트에 걸려 전단력을 전달한다. 용접 품질이 전단강도에 직접 영향을 주므로 콘크리트 타설 전에 용접 상태를 확인해야 한다. 합성작용의 효율은 경계면에서 얼마나 미끄럼을 막느냐로 결정된다. 미끄럼이 커지면 합성단면 가정이 깨지고 실제 처짐이 설계 예측보다 커진다.

합성작용의 성능은 경계면 전단력을 전달하는 능력으로 결정된다.

3. 등장 배경과 필요성

강재 보만 쓰면 단면 높이를 키우지 않는 한 휨강도와 강성에 한계가 있다. 콘크리트 바닥판을 보 상부에 합성시키면 같은 하중 조건에서 단순보보다 큰 하중을 견디고 최대 처짐도 작아진다. 합성보의 이런 성능은 두 재료가 경계면에서 함께 거동할 때에만 실현된다.