제10장 구조물의 접합

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.

접합부는 다음의 기능을 수행한다:

• 부재 간의 하중 전달

• 구조 시스템의 안정성 확보

• 부재의 조립 및 해체 가능성 제공

• 시공 오차 조정

10.1.2 접합의 분류

접합은 여러 기준에 따라 분류할 수 있다:

1. 접합 방법에 따른 분류

가. 볼트접합 (Bolted Connection)

• 볼트를 사용하여 부재를 연결

• 해체 및 재조립 가능

• 현장 시공 용이

나. 용접접합 (Welded Connection)

• 열을 이용하여 부재를 용융 접합

• 강성이 크고 외관이 깨끗

• 해체 불가능

다. 병용접합 (Combined Connection)

• 볼트와 용접을 동시에 사용

• 공장용접 + 현장볼트 조합이 일반적

2. 거동에 따른 분류

가. 강접합 (Rigid Connection / Moment Connection)

• 접합부에서 회전이 구속됨

• 모멘트와 전단력 모두 전달

• 연속골조 구조

나. 핀접합 (Pin Connection / Shear Connection)

• 접합부에서 회전 자유

• 전단력만 전달, 모멘트 전달 없음

• 단순보 구조

다. 반강접합 (Semi-Rigid Connection)

• 강접합과 핀접합의 중간

• 부분적으로 모멘트 전달

• 모멘트-회전각 관계 고려 필요

10.1.3 접합부 설계 원칙

접합부 설계 시 다음의 원칙을 따라야 한다:

1. 강도 원칙

• 접합부의 강도 ≥ 연결되는 부재의 강도

• "접합부는 부재보다 강해야 한다"

• 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

10.2.1 볼트의 종류

1. 일반볼트 (Ordinary Bolt)

일반볼트는 4.6, 4.8등급의 낮은 강도의 볼트로, 경량 구조물이나 가설 구조물에 사용된다. 현재는 거의 사용되지 않는다.

2. 고력볼트 (High-Strength Bolt)

고력볼트는 8.8, 10.9등급의 고강도 볼트로, 현대 강구조물에서 표준적으로 사용된다. 고장력으로 조임하여 접합부에 마찰저항을 발생시킨다.

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

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

3. 앵커볼트 (Anchor Bolt)

앵커볼트는 강재 기둥을 콘크리트 기초에 고정하는 데 사용되며, 인장력과 전단력을 콘크리트로 전달한다.

4. 토크쉬어형 고력볼트 (TC Bolt)

토크쉬어형 볼트는 볼트 끝의 핀테일이 설계 토크에 도달하면 파단되도록 제작되어, 시공 품질관리가 용이하다.

10.2.2 볼트의 강도

볼트는 인장력, 전단력 또는 이들의 조합을 받을 수 있으며, 각 하중에 대한 강도를 산정해야 한다.

1. 인장강도

볼트의 공칭인장강도:
\[ R_n = 0.75 A_b F_u \]

설계인장강도:
\[ R_t = \phi_t R_n = 0.75 \times 0.75 A_b F_u \]

여기서,
\( A_b \): 볼트 공칭단면적 (mm²)
\( F_u \): 볼트 인장강도 (MPa)
\( \phi_t = 0.75 \): 인장에 대한 강도감소계수

2. 전단강도

볼트의 전단강도는 접합면의 상태와 볼트 구멍에서의 지압 여부에 따라 다르다.

가. 마찰접합 (Slip-Critical Connection)

고력볼트를 고장력으로 조여 접합면 사이에 마찰력을 발생시키는 방법이다. 사용하중 상태에서 미끄러짐이 발생하지 않는다.

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

설계전단강도:
\[ R_v = \phi_v R_n \]

여기서,
\( \mu \): 마찰계수 (A, B급: 0.5, C급: 0.35)
\( D_u = 1.13 \): 하중조합계수
\( h_f \): 구멍계수 (표준구멍: 1.0, 확대구멍: 0.85)
\( T_b \): 볼트 설계장력 (N)
\( n_s \): 전단면 수
\( \phi_v = 1.00 \): 강도감소계수

볼트 설계장력 \( T_b \):

F8T (M16~M27): \( T_b = 0.75 A_b \times 640 \) (N)
F10T (M16~M27): \( T_b = 0.75 A_b \times 900 \) (N)

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)

볼트 구멍의 지압과 볼트 자체의 전단으로 힘을 전달하는 방법이다. 볼트의 전단강도와 모재의 지압강도 중 작은 값으로 결정된다.

지압접합 볼트의 공칭전단강도:

(1) 볼트 전단:
나사부가 전단면에 포함되지 않는 경우 (N):
\[ R_n = 0.60 A_b F_u n_s \]

나사부가 전단면에 포함되는 경우 (X):
\[ R_n = 0.50 A_b F_u n_s \]

(2) 모재 지압:
\[ R_n = 2.4 d t F_u \]
(구멍 가장자리 거리와 볼트 간격 충분 시)

여기서,
\( d \): 볼트 공칭지름 (mm)
\( t \): 연결재 두께 (mm)
\( \phi_v = 0.75 \): 강도감소계수

10.2.3 볼트 배치

볼트의 배치는 구조성능과 시공성을 고려하여 결정하며, 최소 간격과 최대 간격 규정을 만족해야 한다.

볼트 배치 기준 (KDS 41 31 00):

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

2. 최대 간격:
• 이음재의 경우: \( 24t \) 또는 300mm 중 작은 값
• 부재 단부의 경우: \( 12t \) 또는 150mm 중 작은 값
(t: 얇은 쪽 판 두께)

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

4. 게이지 (Gauge):
• H형강 플랜지의 표준 게이지는 강재 규격에 따름
• 최소값: \( 3d \)

볼트 배치의 주의사항

• 볼트 중심선은 직선상에 배치

• 편심을 피하여 균등한 응력 분포 유도

• 작업 공간 확보 (렌치 사용 가능)

• 대칭 배치 원칙

10.2.4 인장볼트

볼트가 축방향 인장력을 받는 경우, 볼트 자체의 인장강도뿐만 아니라 다음의 파괴모드도 검토해야 한다:

1. 볼트의 인장파괴

볼트 몸체의 인장강도로 결정된다.

2. 판의 뽑힘 파괴 (Prying Action)

인장볼트 접합에서 판이 휨 변형하면서 볼트에 추가 인장력이 발생하는 현상이다. 프라이잉 효과(prying effect)라고도 한다.

프라이잉 효과를 고려한 볼트 인장력:
\[ T_{bolt} = T + Q \]

여기서,
\( T \): 외부 인장력
\( Q \): 프라이잉 힘 (판의 휨변형에 의한 추가 인장력)

프라이잉 힘 계산:
\[ Q = \frac{T \cdot a}{b} \times \alpha \]

여기서,
\( a \): 볼트 중심에서 판 끝까지 거리
\( b \): 볼트 중심 간격의 1/2
\( \alpha \): 판 두께에 따른 계수 (0~1.0)

프라이잉 효과를 줄이기 위해서는 판 두께를 충분히 확보하거나, 볼트를 판 끝에 가깝게 배치해야 한다.

3. 판의 블록전단파괴

볼트 구멍 주변에서 판이 블록 형태로 파괴되는 현상이다.

10.2.5 전단볼트

전단력을 받는 볼트접합은 마찰접합 또는 지압접합으로 설계한다.

1. 마찰접합 설계

필요 볼트 개수:
\[ n = \frac{V_u}{\phi_v R_n} \]

여기서,
\( V_u \): 소요전단강도 (N)
\( R_n \): 볼트 1개당 공칭전단강도 (N)
\( \phi_v = 1.00 \): 강도감소계수

2. 지압접합 설계

지압접합에서는 볼트 전단강도와 모재 지압강도를 모두 검토해야 한다.

3. 블록전단파괴

볼트 접합부에서 볼트 구멍을 따라 블록 형태로 판이 파괴되는 현상이다.

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
\( A_{gv} \): 전단파괴 총단면적
\( U_{bs} \): 균등하지 않은 응력분포 계수 (0.5 또는 1.0)
\( \phi = 0.75 \): 강도감소계수

10.2.6 조합응력을 받는 볼트

볼트가 인장력과 전단력을 동시에 받는 경우, 상관식을 이용하여 검토한다.

인장과 전단을 받는 볼트의 상관식:

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

지압접합:
\[ \frac{V_u}{\phi_v V_n} \leq 1.0 \quad \text{and} \quad \frac{T_u}{\phi_t T_n'} \leq 1.0 \]

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

10.3.1 용접의 종류

1. 아크용접 (Arc Welding)

전기 아크의 열을 이용하여 모재와 용접봉을 용융시키는 방법으로, 강구조물에서 가장 일반적으로 사용된다.

가. 피복아크용접 (SMAW: Shielded Metal Arc Welding)

• 수동용접, 범용성이 높음

• 현장 용접에 적합

• 용접 속도가 느림

나. 가스금속아크용접 (GMAW: Gas Metal Arc Welding)

• CO₂ 가스로 용접부 보호

• 반자동 용접

• 용접 속도가 빠름

다. 서브머지드아크용접 (SAW: Submerged Arc Welding)

• 플럭스 분말 아래에서 용접

• 자동 용접, 고품질

• 공장 용접에 적합

10.3.2 용접기호

(참고) 본 PDF(제10장 발췌본)에는 용접기호의 세부 표/도면이 포함되어 있지 않아, 현장에서 자주 쓰는 기본 원칙만 간단히 정리한다.

• 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.

10.4 보-기둥 접합

본 PDF의 중심 내용은 보-기둥 접합의 개요와 대표적인 접합 상세, 그리고 접합부(특히 기둥 플랜지/웹) 국부 강도 검토이다. 공장에서는 용접으로 부재를 조립하고, 현장에서는 가능한 한 고력볼트로 조립하는 방식이 일반적이며, 접합 상세에 따라 구조계의 응력 분포와 안전성·경제성이 크게 달라진다. (PDF p.1~2)

10.4.1 접합부의 분류

보-기둥 접합은 회전 구속 정도(모멘트 전달 능력)에 따라 단순접합(전단접합), 강접합(모멘트접합), 반강접합으로 구분한다. (PDF p.2~4)

1) 단순접합(전단접합, shear connection)

• 접합부는 보의 회전에 대해 저항이 거의 없도록(회전 자유) 가정

• 주로 전단력만 전달하며, 보 단부 모멘트는 작다고 본다

2) 강접합(모멘트접합, moment connection)

• 접합부 회전을 크게 구속하여 보의 모멘트를 기둥으로 전달

• 연속골조의 강성/내진 성능에 직접 영향

3) 반강접합(semi-rigid connection)

• 단순·강접합의 중간 거동을 보이며, 모멘트–회전각 관계를 고려

• 접합부 강성에 따라 유효 강성이 달라져 층간변위/내진성능에 영향 (PDF p.4)

반강접합의 대표 형식 (그림 10-1, PDF p.3)

(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

또한 접합부는 모멘트–회전각 곡선으로 모델링할 수 있으며, 일반적으로 30~70% 수준의 부분 모멘트 전달이 가능한 경우가 많다. (그림 10-2, PDF p.4)

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 있으며, 공장에서는 용접·가공을 수행하고 현장에서는 볼트로 체결한다. (그림 10-3~10-4, PDF p.5~6)

전단접합의 설계 포인트 (PDF p.5)

• 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

단순접합의 한 형태로 “받침접합(seated connection)”도 사용되며, 보 하부에 시트(받침)를 두어 전단을 지지한다. (PDF p.5)

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. (그림 10-5, PDF p.6)

1) 용접에 의한 모멘트접합

용접 모멘트접합은 공장용접과 현장용접을 병용하는 경우가 많다. 예를 들어 기둥에 받침(또는 브래킷)을 공장 용접한 후 현장에서 보를 얹고, 보 웨브는 볼트 또는 용접으로, 플랜지는 필릿·완전용입 용접으로 연결한다. (그림 10-6~10-7, PDF p.7~8)

현장 시공 관점의 비교 (PDF p.8)

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

10.6.1 보 이음

보 이음은 휨모멘트와 전단력을 전달할 수 있도록 구성하며, 맞댐 플레이트(플랜지 이음판)와 웹 이음판을 사용하는 것이 일반적이다. (PDF p.13~16) 보-기둥 접합에서 단부 모멘트가 작은 위치에 이음을 두는 경우가 많고, 가능한 공장 제작 후 현장 볼트 체결로 시공한다.

보 이음 설계의 기본(개념) (PDF p.13~14)

공장 접합부의 설계모멘트를 \(M_u\), 보의 춤을 \(d\), 플랜지 두께를 \(t_f\)라 하면,
플랜지 이음부에 필요한 인장력(또는 압축력)을 다음과 같이 근사할 수 있다:
\[ T_u \approx \frac{M_u}{d - t_f} \] 또한 이음부는 부재 강도 대비 충분한 여유를 갖도록(예: 부재 설계강도의 50% 이상) 설계하는 것을 제시한다. (PDF p.13, p.16)

고장력볼트 개수(플랜지 이음, 개념) (PDF 식 (10-11), p.14)
\[ n_b \ge \frac{T_u}{\phi S_s} \] 여기서 \( \phi S_s \)는 볼트 1개당 설계강도(인장 또는 전단에 해당)이다.

이음판 단면(개념) (PDF 식 (10-12), (10-13), p.14)

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 (PDF p.16~18)

F10T-M20 볼트와 H-500×200×10×16 보에 대해 \(M_u=200\ \mathrm{kN\cdot m}\), \(V_u=200\ \mathrm{kN}\) 조건에서, (1) 보 단면 강도와 비교하여 이음부 설계 목표(예: 50%)를 정하고, (2) 플랜지 이음판과 웹 이음판의 볼트 개수 및 판 두께를 산정한다. 계산 결과의 예로 플랜지 외측 이음판은 PL 8×200, 내측은 2PL 8×70, 웹 이음판은 2PL 6×165×290을 제시한다. (PDF p.18)

10.6.2 기둥 이음

기둥 이음은 가능한 보-기둥 접합부(기둥 단면이 큰 하중을 받는 구역)를 피하여 배치하며, 일반적으로 바닥판 상부 약 0.5~1.0m 부근에 두어 보-기둥 접합부와 간섭을 줄인다. (PDF p.20)

기둥 이음은 고장력볼트 이음 또는 용접 이음으로 구성할 수 있으며, 축력(압축/인장), 전단력, 휨모멘트가 모두 전달되도록 하중 흐름이 끊기지 않게 상세를 계획해야 한다. (PDF p.20)

기둥 이음 설계 시 유의사항 (PDF p.20)

• 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

본 PDF에는 (1) 보-기둥 강접합부에서 기둥 플랜지/웹의 국부 강도 검토 및 스티프너 필요성 판단(예제 10-1), (2) 보 이음 설계(예제 10-2)가 포함되어 있다. (PDF p.11~12, p.16~18)

예제 10-1 요지: 기둥 플랜지/웹 국부 강도와 스티프너 (PDF p.9~12)

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. (PDF p.10~12)

10.10 요약

요약 (PDF p.1~20 기반)

• 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 강도(예: 부재 강도의 일정 비율)를 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.