합성보의 강재앵커(전단연결재)

핵심 정리

합성보는 강재보와 콘크리트슬래브가 한 몸처럼 거동하도록 만든 부재다. 두 재료가 따로 휘면 휨에 대한 저항이 크게 줄어들므로 접합면에서 미끄러짐을 막는 장치가 있어야 한다. 합성보에서 강재보와 슬래브의 미끄러짐을 막아 일체성을 확보하고 수평 전단력에 저항하는 부재를 전단연결재라 한다. 철골보와 철근콘크리트 슬래브 사이의 미끄러짐을 막고 일체성을 높이기 위해 전단연결재를 설치한다. 강재앵커는 이 전단연결재의 대표적인 형식이다. 합성보 설계에서는 강재보와 콘크리트슬래브 접합면의 수평전단력을 강재앵커에 의해서만 전달된다고 가정한다. 정모멘트 합성보의 총수평전단력을 산정할 때는 정모멘트 총수평전단력 한계상태에 강재앵커의 강도가 포함된다. 즉 접합면 설계의 출발점은 강재앵커의 강도이며, 이 강도가 합성보 전체의 수평전단력 전달 능력을 좌우한다. 수평전단력의 한계상태는 어느 재료 또는 어느 요소에서 파괴가 일어나는지로 나누어 기억하는 것이 편하다. 노출형 합성보에서 강재보와 슬래브 사이 수평전단력의 한계상태에는 콘크리트 압괴가 포함된다. 강재 단면의 인장항복은 수평전단력이 전달되는 과정에서 강재가 인장을 받는 경우의 한계상태다. 전단연결재의 파단은 수평전단력을 전달하는 스터드의 한계상태다. 세 가지는 모두 수평전단력이 전달되는 경로에서 생기는 파괴라는 공통점이 있다. 합성보의 강재앵커는 설계 단계에서 세 가지 질문으로 점검한다. 전달해야 할 수평전단력이 얼마인지, 앵커 하나가 감당하는 공칭전단강도가 얼마인지, 그리고 앵커가 먼저 파괴되어 합성 효과가 줄지 않는지다. 세 질문에 모두 답할 수 있어야 접합면 설계가 완성된다.

자세히

수평전단력 한계상태의 구분

한계상태를 묻는 선지는 같은 접합면에서 생기는 여러 현상을 하나씩 떼어 놓고 해당 여부를 가리는 방식이 많다. 그래서 파괴가 어느 재료에서 일어나는지, 그리고 그 파괴가 수평전단력 전달 경로 위에서 생기는지를 먼저 확인해야 한다. 콘크리트의 압괴, 강재의 인장항복, 연결재의 파단은 전달 경로 위의 현상이며 한계상태에 들어간다. 반면 강재 웨브의 국부좌굴은 수평전단력의 문제가 아니라 강재 단면 자체의 압축판 안정성 문제로 분류된다. 이 차이를 놓치면 웨브 좌굴과 인장항복을 같은 강재 쪽 문제로 묶어 잘못 고르게 된다. 다섯 가지 현상을 표로 정리하면 다음과 같다.

표에서 보듯 한계상태 여부는 재료의 종류보다 수평전단력 전달 경로에 놓였는지로 갈린다. 강재 쪽 현상이라도 인장항복은 포함되고 웨브 국부좌굴은 제외되며, 콘크리트 쪽 현상도 압괴는 포함되지만 그 밖의 현상이 들어가는지는 따로 확인해야 한다. 정모멘트 합성보의 총수평전단력 산정에서 슬래브 철근의 항복은 한계상태가 아니다. 답안에서 적용하는 순서는 다음과 같다. 선지가 말하는 현상이 콘크리트 쪽인지 강재 쪽인지 먼저 나누고, 연결재가 끊어지는 현상인지 확인한 뒤, 강재 단면의 안정 문제인지 살핀다. 이 세 단계를 거치면 한계상태 여부는 대부분 결정된다. 한 문장에 여러 현상이 함께 묶여 있을 때도 전달 경로 위에 있는지를 기준으로 하나씩 판단하면 된다.