인장재의 설계인장강도와 순단면적

핵심 정리

인장재 설계는 부재가 인장력을 받을 때 저항할 수 있는 설계인장강도를 구하고, 소요인장강도가 그 값을 넘지 않는지 확인하는 과정이다. 설계강도는 공칭강도에 저항계수를 곱하여 정하며, 소요강도가 설계강도보다 작으면 적합한 설계로 본다. 인장재는 한 가지 파괴 형태만으로 강도를 정하지 않고, 여러 한계상태에서 나온 값을 함께 비교하여 정한다는 점이 출발점이다. 인장재의 설계인장강도는 한계상태별로 산정된 값 중 가장 작은 값으로 정한다. 실무 기준은 총단면 항복, 유효순단면 파단, 블록전단파단, 고장력볼트와 용접 접합부, 거셋 플레이트의 다섯 가지 한계상태 강도를 비교하며, 그중 가장 작은 값이 설계인장강도가 된다. 이 가운데 인장재 설계의 기본 검토 대상은 총단면 항복과 유효순단면 파단의 두 가지다. 두 한계상태 가운데 총단면 항복은 부재 전체 단면이 항복강도에 이르는 상태이고, 유효순단면 파단은 구멍 등 결손 부분에서 단면이 끊어지는 상태이다. 인장재의 설계인장강도는 총단면 항복과 유효순단면 파단 두 한계상태에서 구한 값 중 작은 값으로 한다. 각 한계상태의 강도는 공칭강도에 한계상태별 저항계수를 곱해 보정한 값이다. 파단 쪽 검토에서는 순단면적을 그대로 쓰지 않고 유효순단면적을 쓴다. 인장재의 유효순단면적은 순단면적에 전단지연의 영향을 고려한 것이다. 순단면적은 구멍 등 결손 부분을 뺀 단면적이다. 여러 구멍이 엇갈려 배치되면 파단선이 여러 가지로 그어질 수 있으므로, 어느 선을 기준으로 할지가 계산 결과를 좌우한다.

자세히

전단지연과 유효순단면적

편심 접합에서 나타나는 영향을 따지려면 먼저 발생 조건을 구분해야 한다. 전단지연은 접합부 가까이에서 응력이 한쪽으로 몰려 단면 전체가 고르게 일하지 못하는 현상으로 볼 수 있다. 인장재의 중심과 접합의 중심이 일치하지 않으면 전단지연현상이 발생한다. 유효순단면적은 전단뒤짐계수에 순단면적을 곱하여 구한다. 유효순단면적 산정의 계수 U는 편심 접합으로 생기는 전단지연 영향을 반영하기 위해 쓴다. 두 문장을 합하면 전단지연 영향은 순단면적에 계수를 곱하는 방식으로 반영된다.

편심이 클수록 전단지연 영향이 커지므로, 편심 접합부에서는 계수를 빼먹지 않고 적용해야 한다. 순단면적과 유효순단면적은 이름이 비슷하지만 계산 목적이 다르다는 점을 표로 구분해 두면 된다.

설계인장강도의 결정 기준

한계상태 가운데 어느 값이 최소가 되는지는 단면의 크기, 구멍의 수와 배치, 접합 방식에 따라 달라진다. 구멍이 많을수록 순단면적이 줄어들어 파단 쪽 값이 작아지므로, 유효순단면 파단이 지배하는 경우가 생긴다. 반대로 구멍이 적고 단면이 큰 부재는 총단면 항복 쪽 값이 작아지는 방향으로 판단한다. 같은 단면이라도 구멍 배치가 바뀌면 파단 쪽 값만 달라지고 총단면 항복 값은 그대로이므로, 최소값이 바뀔 수 있다. 고장력볼트·용접 접합부, 블록전단파단, 거셋 플레이트의 한계상태는 접합의 상세에 따라 따로 검토되므로, 총단면 항복과 파단 두 값만으로 설계를 끝내면 안 된다. 설계인장강도는 기준이 되는 하나의 강도가 아니라 여러 한계상태를 비교한 결과로 정해지는 값이라고 이해하면 정리가 쉽다.