제10장 구조물의 접합

10.1 개요

10.1.1 접합의 개념

강구조물은 여러 부재를 접합(connection)하여 구성되며, 접합부는 부재 간의 힘을 전달하는 중요한 역할을 수행한다. 접합부의 설계가 부적절하면 구조물 전체의 안전성이 저하될 수 있으므로, 접합부 설계는 강구조 설계에서 매우 중요한 부분이다.

• 부재 간의 하중 전달
• 구조 시스템의 안정성 확보
• 부재의 조립 및 해체 가능성 제공
• 시공 오차 조정

10.1.2 접합의 분류

1. 접합 방법에 따른 분류

• 볼트접합: 볼트를 사용하여 부재를 연결. 해체 및 재조립 가능. 현장 시공 용이.
• 용접접합: 열을 이용하여 부재를 용융 접합. 강성이 크고 외관이 깨끗. 해체 불가능.
• 병용접합: 볼트와 용접을 동시에 사용. 공장용접 + 현장볼트 조합이 일반적.

2. 거동에 따른 분류

• 강접합 (Rigid Connection): 접합부에서 회전이 구속됨. 모멘트와 전단력 모두 전달. 연속골조 구조.
• 핀접합 (Pin Connection): 접합부에서 회전 자유. 전단력만 전달. 단순보 구조.
• 반강접합 (Semi-Rigid Connection): 강접합과 핀접합의 중간. 부분적으로 모멘트 전달. 모멘트-회전각 관계 고려 필요.

10.1.3 접합부 설계 원칙

1. 강도 원칙: 접합부의 강도 ≥ 연결되는 부재의 강도. 취성파괴 방지.
2. 강성 원칙: 접합부의 강성이 구조 거동에 영향. 설계 가정(강접 또는 핀접)과 일치해야 함.
3. 연성 원칙: 취성파괴보다 연성파괴 유도. 지진하중에 대한 에너지 소산 능력.
4. 시공성 원칙: 시공이 용이하고 경제적이어야 함. 검사 및 품질관리 가능.
5. 힘의 흐름 원칙: 명확하고 직접적인 하중 경로. 편심 및 2차 응력 최소화.

10.2 볼트접합

볼트접합은 볼트, 너트, 와셔를 사용하여 부재를 연결하는 방법이다. 해체 및 재조립이 가능하며, 현장 시공이 용이하여 강구조물에서 가장 널리 사용된다.




10.2.1 볼트의 종류

1. 일반볼트 (Ordinary Bolt)

4.6, 4.8등급의 낮은 강도의 볼트로, 현재는 거의 사용되지 않는다.

2. 고력볼트 (High-Strength Bolt)

8.8, 10.9등급의 고강도 볼트로, 현대 강구조물에서 표준적으로 사용된다.

고력볼트의 등급:

• F8T (8.8등급): F_u = 800 MPa, F_y = 640 MPa
• F10T (10.9등급): F_u = 1,000 MPa, F_y = 900 MPa

첫 번째 숫자: 인장강도의 1/100 (MPa) / 두 번째 숫자: 항복비의 10배 (F_y/F_u × 10)

3. 앵커볼트 / 4. 토크쉬어형 고력볼트 (TC Bolt)

앵커볼트는 강재 기둥을 콘크리트 기초에 고정하는 데 사용된다. TC볼트는 볼트 끝의 핀테일이 설계 토크에 도달하면 파단되도록 제작되어 시공 품질관리가 용이하다.

10.2.2 볼트의 강도

1. 인장강도

볼트의 공칭인장강도:
\[ R_n = 0.75 A_b F_u \]
설계인장강도: \( R_t = \phi_t R_n = 0.75 \times 0.75 A_b F_u \quad (\phi_t = 0.75) \)

2. 전단강도

가. 마찰접합 (Slip-Critical Connection)

마찰접합 볼트의 공칭전단강도:
\[ R_n = \mu D_u h_f T_b n_s \]

여기서, \( \mu \): 마찰계수 (A,B급: 0.5, C급: 0.35)
\( D_u = 1.13 \), \( h_f \): 구멍계수 (표준구멍: 1.0), \( T_b \): 볼트 설계장력, \( n_s \): 전단면 수, \( \phi_v = 1.00 \)
볼트 설계장력 \( T_b \) 예시 (F8T):

• M16: T_b = 89 kN   • M20: T_b = 140 kN   • M22: T_b = 170 kN   • M24: T_b = 205 kN

나. 지압접합 (Bearing Connection)

지압접합 볼트의 공칭전단강도:

(1) 볼트 전단 (나사부 미포함, N): \[ R_n = 0.60 A_b F_u n_s \]
(2) 볼트 전단 (나사부 포함, X): \[ R_n = 0.50 A_b F_u n_s \]
(3) 모재 지압: \[ R_n = 2.4 d t F_u \quad (\phi_v = 0.75) \]

10.2.3 볼트 배치

볼트 배치 기준 (KDS 41 31 00):

1. 최소 간격: 볼트 중심 간 최소 간격 \( 3d \), 바람직한 간격 \( 3.5d \sim 4d \)

2. 최대 간격: 이음재의 경우 \( 24t \) 또는 300mm 중 작은 값

3. 연단거리: 전단을 받는 연단 \( 1.5d \), 받지 않는 연단 \( 1.25d \). 최대 \( 12t \) 또는 150mm 중 작은 값

4. 게이지: H형강 플랜지는 강재 규격에 따름. 최소 \( 3d \)

10.2.4 인장볼트

프라이잉 효과(prying effect)

인장볼트 접합에서 판이 휨 변형하면서 볼트에 추가 인장력이 발생하는 현상이다.

프라이잉 효과를 고려한 볼트 인장력:
\[ T_{bolt} = T + Q, \qquad Q = \frac{T \cdot a}{b} \times \alpha \]

여기서, \( T \): 외부 인장력, \( Q \): 프라이잉 힘
\( a \): 볼트 중심에서 판 끝까지 거리, \( b \): 볼트 중심 간격의 1/2, \( \alpha \): 판 두께에 따른 계수

10.2.5 전단볼트

필요 볼트 개수 (마찰접합):
\[ n = \frac{V_u}{\phi_v R_n} \]
블록전단 공칭강도:
\[ R_n = 0.6 F_u A_{nv} + U_{bs} F_u A_{nt} \leq 0.6 F_y A_{gv} + U_{bs} F_u A_{nt} \]

여기서, \( A_{nv} \): 전단파괴 순단면적, \( A_{nt} \): 인장파괴 순단면적
\( U_{bs} \): 균등하지 않은 응력분포 계수 (0.5 또는 1.0), \( \phi = 0.75 \)

10.2.6 조합응력을 받는 볼트

인장과 전단을 받는 볼트의 상관식:

마찰접합: \[ \frac{V_u}{\phi_v V_n} + \frac{T_u}{\phi_t T_n} \leq 1.0 \]

지압접합: 감소된 인장강도 \( T_n' = 1.3 T_n - \frac{T_n}{V_n} V_u \leq T_n \)

10.3 용접접합

용접접합은 모재를 용융시켜 접합하는 방법으로, 볼트접합에 비해 강성이 크고 외관이 깨끗하다. 그러나 용접 품질관리가 중요하며, 잔류응력과 용접 변형에 주의해야 한다.




10.3.1 용접의 종류

• 피복아크용접 (SMAW): 수동용접, 범용성 높음. 현장 용접에 적합. 용접 속도 느림.
• 가스금속아크용접 (GMAW): CO₂ 가스로 용접부 보호. 반자동 용접. 용접 속도 빠름.
• 서브머지드아크용접 (SAW): 플럭스 분말 아래에서 용접. 자동 용접, 고품질. 공장 용접에 적합.

10.3.2 용접기호

• 기준선(reference line) 위/아래로 기호를 배치하여 화살표측/반대측을 구분한다.
• 필릿용접은 삼각형 기호로 표시하며, 크기(다리길이)와 길이·피치를 함께 표기한다.
• 그루브(맞대기)용접은 V, U, J 등 단면 형상 기호를 사용하며, 완전용입 여부를 명확히 한다.
• 현장용접(field weld), 전면둘레(all around), 마감(연삭 등) 기호는 필요 시 추가한다.

10.3.3 필릿용접

필릿용접은 두 부재가 직각 또는 T자 형태로 만나는 곳에 가장 널리 쓰이며, 유효목두께(throat)로 강도를 산정한다.

10.3.4 완전용입용접

완전용입(CJP) 용접은 용접부가 모재 두께 전체를 관통하도록 용입시키는 방식으로, 모멘트 전달 접합 등에서 사용된다.

10.3.5 부분용입용접

부분용입(PJP) 용접은 요구 강도/시공성을 고려하여 용입 깊이를 제한한 방식이며, 피로·취성 및 검사 조건을 함께 고려해야 한다.

10.4 보-기둥 접합

공장에서는 용접으로 부재를 조립하고, 현장에서는 가능한 한 고력볼트로 조립하는 방식이 일반적이며, 접합 상세에 따라 구조계의 응력 분포와 안전성·경제성이 크게 달라진다.




10.4.1 접합부의 분류

1) 단순접합(전단접합)

• 접합부는 보의 회전에 대해 저항이 거의 없도록(회전 자유) 가정
• 주로 전단력만 전달하며, 보 단부 모멘트는 작다고 본다

2) 강접합(모멘트접합)

• 접합부 회전을 크게 구속하여 보의 모멘트를 기둥으로 전달
• 연속골조의 강성/내진 성능에 직접 영향

3) 반강접합(semi-rigid connection)

• 단순·강접합의 중간 거동. 모멘트–회전각 관계를 고려
• 접합부 강성에 따라 유효 강성이 달라져 층간변위/내진성능에 영향
반강접합의 대표 형식

(a) 단일 웨브 앵글 접합   (b) 양측 웨브 앵글 접합   (c) 상하 플랜지 앵글 접합
(d) 상하 앵글 + 웨브 앵글 접합   (e) 보 단부 플레이트 접합   (f) T-스터브(T-stub) 접합

10.4.2 전단접합

고장력볼트를 이용한 전단접합은 현장 시공성이 우수하여 가장 보편적이다. 대표 상세로는 보 웨브를 기둥 플랜지에 앵글(또는 전단탭 플레이트)로 연결하는 방식이 있다.

전단접합의 설계 포인트

• 단순접합은 접합부에 불필요한 모멘트가 발생하지 않도록 세부를 구성
• 보 웨브와 기둥 플랜지/웹의 연결부에 편심이 생기지 않도록 배치
• 현장 작업 공간(볼트 조임)과 공차 흡수(맞춤)까지 고려

10.4.3 모멘트접합

모멘트접합은 보 플랜지의 인장·압축력을 기둥 플랜지/웹으로 전달하는 것이 핵심이며, 고력볼트 또는 용접으로 구성한다. 고력볼트를 사용하는 경우에도 프라이잉(prying action)에 의해 볼트력이 증가할 수 있으므로 세부 설계에 주의한다.

현장 시공 관점의 비교

• 용접접합은 고력볼트보다 현장 작업량과 품질 관리(검사)가 민감
• 가능한 공장 제작(용접) 비율을 높이고 현장에서는 볼트 조립을 활용

10.4.4 확장형 엔드플레이트 접합

확장형 엔드플레이트(extended end-plate) 접합은 보 단부에 엔드플레이트를 용접한 뒤, 기둥 플랜지에 고력볼트로 체결하여 모멘트를 전달하는 형식이다.

10.5 기둥 베이스플레이트

10.5.1 베이스플레이트의 역할

(발췌본에 해당 내용 없음)

10.5.2 설계 방법

(발췌본에 해당 내용 없음)

10.6 이음

이음(splice)은 제작·운반·가설 조건 때문에 부재를 중간에서 분할 제작한 뒤 현장에서 다시 연결하는 접합이다.




10.6.1 보 이음

보 이음은 휨모멘트와 전단력을 전달할 수 있도록 구성하며, 맞댐 플레이트(플랜지 이음판)와 웹 이음판을 사용하는 것이 일반적이다. 가능한 공장 제작 후 현장 볼트 체결로 시공한다.

보 이음 설계의 기본(개념)

\[ T_u \approx \frac{M_u}{d - t_f} \] 이음부는 부재 설계강도의 50% 이상으로 설계하는 것을 제시한다.
고장력볼트 개수(플랜지 이음, 개념)
\[ n_b \ge \frac{T_u}{\phi S_s} \]
이음판 단면(개념)

총단면 기준(인장): \( A_{gt} \ge \frac{T_u}{\phi F_y} \quad (\phi=1.0) \)

순단면 기준(파단): \( A_{nt} \ge \frac{T_u}{\phi F_u} \quad (\phi=0.75) \)

예제 10-2 요지

F10T-M20 볼트와 H-500×200×10×16 보에 대해 \(M_u=200\,\mathrm{kN\cdot m}\), \(V_u=200\,\mathrm{kN}\) 조건에서, 플랜지 이음판(PL 8×200, 2PL 8×70)과 웹 이음판(2PL 6×165×290)의 볼트 개수 및 판 두께를 산정한다.

10.6.2 기둥 이음

기둥 이음은 가능한 보-기둥 접합부를 피하여 배치하며, 일반적으로 바닥판 상부 약 0.5~1.0m 부근에 두어 보-기둥 접합부와 간섭을 줄인다. 고장력볼트 이음 또는 용접 이음으로 구성할 수 있으며, 축력·전단력·휨모멘트가 모두 전달되도록 상세를 계획해야 한다.

기둥 이음 설계 시 유의사항

• 이음부에서 단면 인장측의 순단면 파단 및 블록전단 등 취성 파괴 모드에 주의
• 압축력을 받는 경우에도 접촉면 지압·면맞춤을 고려하여 축력 전달이 원활하도록 상세 구성
• 편심을 줄이고, 플랜지·웹 각각의 역할(축력/전단 전달)을 명확히 분담

10.7 설계 예제

예제 10-1 요지: 기둥 플랜지/웹 국부 강도와 스티프너

보 플랜지 힘이 기둥 플랜지에 집중될 때, 기둥 플랜지 국부 휨(local bending), 기둥 웹 국부 항복(local yielding), 웹 크리플링(crippling), 웹 좌굴(buckling) 등 국부 파괴모드를 검토한다. 계산 결과, 요구 하중에 비해 국부 강도가 부족하면 기둥 웹 스티프너를 설치하여 보강한다.

10.8 시공 및 검사

현장 용접은 품질관리와 검사가 민감하므로 가능한 공장 용접 비율을 높이고 현장은 볼트 조립을 활용하는 방향이 경제적이다.

10.9 특수 접합

(발췌본에 해당 내용 없음)

10.10 요약

요약

• 접합은 공장 제작(용접)과 현장 조립(고력볼트)을 적절히 조합하여 경제성과 품질을 확보한다.
• 보-기둥 접합은 단순/강/반강접합으로 구분되며, 반강접합은 모멘트–회전각 관계를 고려한다.
• 전단접합은 시공성이 우수한 고력볼트 접합이 일반적이며, 모멘트접합은 볼트 또는 용접 상세에 따라 성능이 크게 달라진다.
• 보 이음은 플랜지(모멘트)와 웹(전단) 전달을 분리하여 설계하며, 설계 목표 강도를 만족하도록 이음판·볼트 수·두께를 산정한다.
• 기둥 이음은 위치 선정(보-기둥 접합부 회피)과 축력·전단·모멘트 전달, 그리고 취성 파괴 모드 방지를 함께 고려한다.