기계설계 접합부 실무 적용 노하우 Section 01.

기계설계 접합부 실무 적용 노하우

강구 조의 접합부

강구 조의 접합부는 구조체의 거동 및 응력전달과 같은 구조적인 문제와 제작 및 설치 등의 시공적인 문제에 큰 영향을 미치는 중요한 구조요소이므로, 구 조설계 시에 응력전달 방법, 건축물의 형태나 규모, 시공성 및 경제성 등을 고려하여야 한다.

강구조의 접합은 스티프너, 거셋 플레이트, 브래킷 등 접합소재와 용접, 볼트로 구성되며 골조의 구조해석에서 요구한 지점, 절점의 능력을 충분히 발휘할 수 있는 접합, 절점 및 파스너로 구성하는 것이 필요하다.

한계상태설계법에서 강구조 골조의 주요 구조부재인 기둥, 보, 가셋 플레 이트 등은 강도한계내력과 소성변형능력이 확보되는 것을 전제로 하고 있다. 따라서 이와 같은 부재들의 접합부는 피접합부재가 충분한 소성변형능력이 발휘할 때까지 파괴되지 않는 설계조건이 필요하다. 그러기 위하여 이들 요 소들은 구조체에 작용하는 계수하중에 대한 구조해석의 소요강도 이상이 되 거나, 접합부재가 충분한 내력을 발휘할 수 있는 거동을 얻을 수 있는 접합, 절점 및 파스너가 설계되어야 한다.

강구조의 접합에는 동일 부재간의 이음과 작은보와 큰보, 트러스 접합 및 기둥-보 접합이 있다. 그림 10.1에 강구조 골조에 관한 접합부들을 나타내고 있다. 기둥-보 접합부는 접합부의 성능과 회전에 대한 구속 정도에 따라 전 단접합(단순접합), 반강접합, 강접합으로 구분되므로 정확한 개념을 가지고 설계하고 그 성능을 만족하도록 도면에 명기해야 한다.

건축구조기준(KBC 2009) 제7장 강구조(0710)에서는 안전한 접합부를 설계 하기 위하여 접합부의 최소강도 및 접합부에 관한 일반사항을 다음과 같이 규정하고 있다.

가) 접합부의 최소강도

접합부는 45kN 이상 지지하도록 설계되어야 한다. 다만, 연결재, 새그로드 또는 띠장은 제외한다.

 

나) 기둥의 이음 및 지압접합

기둥이음부는 고력볼트 및 용접이음으로 응력을 전달하되 인장강도는 압축강 도의 1/2 이상이 되도록 한다. 다만 기둥이음부의 단면에 인장응력이 발생할 염려가 없고 접합부의 단면이 절삭마감에 의해 밀착되는 경우 소요강도(소요 압축력, 소요휨모멘트) 각각의 1/2은 접촉면에 의해 직접 응력을 전달시킬 수 있다. 

다) 용접과 고력볼트의 병용

① 고력볼트는 용접과 병용해서 하중을 부담시킬 수 없다. 이러한 경우 용접 에 전체하중을 부담시키도록 한다(4.5.2 참조).

② 다만 전단접합 시에는 용접과 고력볼트의 병용이 허용된다. 전단접합 시 하중방향에 수직인 표준크기구멍과 단슬롯구멍의 경우의 고력볼트와 하중 방향에 평행한 모살용접이 하중을 각각 분담할 수 있다. 이 때 고력볼트 의 설계강도는 지압접합 고력볼트설계강도의 50%를 넘지 않도록 한다.

③ 고력볼트 마찰접합으로 이미 시공된 구조물을 개축할 경우 고력볼트는 이 미 시공된 하중을 받는 것으로 가정하고 병용되는 용접은 추가된 소요강 도를 받는 것으로 용접설계를 병용할 수 있다.

 

밀착조임이란 임팩트 렌치로 수회 또는 일반렌치로 최대로 조여서 접합판이 완전히 밀착된 상태를 말한다. 이러한 밀착조임은 설계도면과 시공도면에 명 확히 표기되어야 한다. 다음 접합의 경우에는 밀착조임을 하는 지압접합은 사용하지 못하고 반드시 마찰접합 또는 용접을 사용하여야 한다.

① 높이가 m 이상 되는 다층구조물의 기둥이음부

② 높이가 m 이상 되는 구조물에서 기둥가새가 연결된 기둥-보접합부

③ 용량 50kN 이상의 크레인구조물 중, 지붕트러스 이음, 기둥과 트러스 접 합, 기둥이음, 기둥가새, 크레인지지부

④ 기둥-보 모멘트접합부에서 용접과 고력볼트가 병용될 경우에 고력볼트는 마찰접합을 사용

 

접합부의 설계에서 설계 대상이 되는 강도를 소요강도라고 하며, 소요강도 를 결정하는 방법은 다음과 같은 두 가지 방법이 있다.

1) 존재응력설계법 

계수하중에 의해 접합부에 발생되는 존재응력을(휨모멘트, 전단력, 축력 등) 소요강도로 설계하는 방법이다. 존재응력설계법은 계산상으로는 안전한 설계 방법이나 존재응력이 작은 곳에서 접합부가 설계되는 경우가 있기 때문에 존 재응력을 소요강도로 사용하면 접합부가 부재의 약점이 되어 부재 전체의 강 성이 감소할 수 있다. 따라서 존재응력설계법으로 설계를 하는 경우 존재응 력과 다음의 전강도설계법에 의한 부재설계강도의 50% 중 큰 값을 소요강도 로 하여 설계한다. 

2) 전강도설계법

전강도설계법은 부재 유효단면의 설계강도를 소요강도로 하는 방법으로, 접 합부가 접합되는 부재의 단면과 동등한 강도를 가지기 때문에 접합부의 안전 성 및 부재의 연속성이 큰 것이 특징이다. 특히 전강도설계는 존재응력에 무 관하여 설계되기 때문에 비경제적일 수 있으나, 강도적인 면이나 강성적인 면에서 확실한 접합부를 얻을 수 있다. 따라서 부재의 전강도가 필요한 내진 설계나 구조상의 주요한 부분의 접합부는 부재의 설계강도를 소요강도로 하 는 것이 요망된다. 다만, 고력볼트 등으로 접합하는 경우에는 모재에 구멍이 뚫리기 때문에 이 고력볼트 구멍을 공제한 유효단면의 설계강도를 소요강도 로 한다.

전단접합 설계시 설계전단력으로서 부재의 전단내력을 사용하는 경우가 있 으나, 이는 매우 비경제적인 설계이다. 휨 부재에 발생할 수 있는 최대전단 력은 부재의 휨내력 및 길이에 의하여 구할 수 있으며 일반적으로 최대전단 력은 부재의 설계전단강도보다 매우 작다. 따라서 이 최대전단력을 소요전단 강도로 하여 설계하는 것이 경제적이다.

10.1.2    강구조 접합부의 특성

 

모든 접합부 및 이음부는 하중 또는 모멘트를 받을 때 연결부재 사이의 모멘 트에 대한 부재 상대회전각의 특성에 따라 다음과 같이 전단접합(단순접합), 반강접합, 강접합으로 분류할 수 있다.

 

1) 전단접합(단순접합)

전단이음이나 전단접합은 보의 단부가 회전저항에 유연해서 모멘트를 전달하 지 않는 접합의 형태이다. 실제 구조물의 전단접합은 플랜지를 연결하지 않 고 웨브만 접합한 형태이다. 전단접합은 접합부가 어느 정도의 모멘트 저항 을 갖고 있지만 저항의 정도가 부재의 모멘트 내력보다 상대적으로 작을 때 이 저항을 무시하고 전단에만 저항하는 것으로 본다.

 2) 반강접합 

반강접합은 부재 단부의 회전저항에 따른 단부모멘트를 발생시킬 수 있는 접 합부이다. 보통 설계에서는 모든 접합부는 전단접합 또는 강접합으로 가정하 여 단순하게 수행된다. 그러나 실제 구조물에서는 전단접합과 강접합의 중간 인 반강접합의 상태가 대부분이다. 반강접합의 거동에 대해서는 10.3.1에서 다루기로 한다.

 3) 강접합

강접합은 이론적으로 보 단부에서 회전을 허용하지 않고 100%에 가까운 단부 모멘트를 기둥 또는 이음부에 전달하는 접합부이다. 강접합의 몇 가지 예는 뒤에서 소개한다. 충분한 회전저항력을 확보하기 위해 기둥의 웨브에 스티프 너가 필요하고 기둥의 패널존의 강성이 충분히 확보되어야 한다. 

10.1.3    접합부의 설계내력 및 저감계수

강구조의 접합부의 한계상태설계는 접합부의 설계내력을 접합부의 소요강도 이상이 되도록 설계하여야 하는데, 

이 설계조건식은 접합부의 설계강도 이 계수하중의 조합에 관해서 산 정된 소요강도  보다 커야 하는 설계규정을 나타낸 것이고, 이는 부재설계 기준과 동일하다.

일반적으로 접합부는 피접합재, 접합부 요소, 각종 보강재 등으로 구성되 어 역학적으로 복잡하게 된다. 그러므로 접합부의 항복성상은 구조 부재들에 비하여 비교적 복잡하고, 접합부 상세에 따라 변화되는 경우가 많다. 접합부 의 항복내력은 접합부에 관한 실험 자료로부터 추정할 수 있으나, 그것에 기 초하여 항복내력식을 결정하여도 일반적인 적용성의 문제가 남는다. 이것에 비하여 접합부의 최대내력은 실험값에 의해서 비교적 쉽게 파악할 수가 있 고, 또한 접합부의 파괴상황으로부터 최대내력에 영향을 주는 중요한 요소를 추정하여 그 요소에 포함된 내력식을 결정하는 것이 비교적 용이하다.

그러므로 접합부의 내력은 내력산정식을 최대내력에 관하여 규정해 두고, 접합부의 항복내력은 최대내력식에 적절한 저감계수를 곱하여 결정하는 방법 으로 산정한다.

일반적으로 접합부 최대내력의 내력산정식은 접합부 내력을 지배한다고 보 는 접합요소 또는 피접합재의 인장강도를 이용하여 구해지기 때문에, 항복내 력 산정을 할 경우에 이용되는 저감계수는 접합요소 또는 피접합재 항복비를 이용한다.

접합부의 설계에 이용되는 접합부의 저감계수 는 접합부 내력의 실험값의 평균값과 변동계수, 분리계수, 신뢰성 지표, 공칭내력에 따라 변화되는데, 일반적으로 저감계수값은 실제 구조물에 있어서의 변동, 불확실성을 고려하 여 1.0 이하의 값이 된다.

---

10.2.1    보의 이음 

보 부재는 이음을 하지 않는 것이 이상적이지만, 실제 강구조물의 설계에서 는 다음 두 가지 이유로 인하여 보의 이음을 실시하고 있다. 첫 번째는 보의 스팬이 길기 때문에 철골부재의 가공, 운반, 설치 등의 용이성 및 강재의 정 착 등을 고려하여 보부재를 적당한 길이로 공장에서 제작하여 현장에 운반한 후 보의 이음을 하는 경우이고, 두 번째는 보의 길이가 운반 및 설치에 지장 이 없으나 기둥-보 접합부의 구조 및 시공성을 고려하여 기둥에 보의 일부를 공장에서 접합한 브래킷(bracket)형식에 보의 단부로부터 1∼2m 정도 위치 에서 보의 중간 부분을 이음하는 경우이다.

보의 이음방법은 그림 10.2와 같이 고력볼트에 의한 이음과 용접에 의한 이음 및 용접과 고력볼트를 병용하는 이음방법이 이용되고 있다. 현실의 구 조물에서는 내력확보 및 현장에 있어서 시공성을 고려하여 일반적으로 신뢰 성이 높은 고력볼트 이음이 많이 이용되고 있는 경우가 많으나, 용접이음 및 고력볼트와 용접접합의 병용이음도 이용되고 있다.

1) 설계방법

보 이음은 그림 10.2(a) 또는 (b)와 같이 이음판(splice plate)을 이용한 고 력볼트 이음이나 그림 10.2(c)와 같이 맞댐용접을 사용한다. 공장제작의 경 우 대부분 웨브까지 맞댐용접이 사용되고 현장 설치의 경우 그림 10.2(d)와 같이 웨브는 고력볼트로 현장에서 체결한 후 플랜지는 맞댐용접을 사용한다. 맞댐용접이 완벽하게 실시된 경우 이음부 강도는 원래 보의 강도와 같다. 또 한 이음 재료는 원래 부재의 역할을 할 수 있어야 한다. 즉, 플랜지를 연결 한 이음판은 플랜지의 역할을 해야 하고 웨브를 연결한 이음판은 웨브의 역 할을 해야 한다. 부재에서 최대전단력과 최대모멘트가 같은 위치에서 동시에 일어나는 경우는 드물기 때문에 이음부의 강도를 부재단면의 강도와 동일하 게 설계하는 것은 비경제적이다.

이음의 위치는 변곡점(모멘트가 0이 되는 위치)근처에서 하는 것이 유리하 다. 변곡점은 하중의 조건에 따라서 이동하므로 이음부의 모멘트와 전단력은 다를 수 있다. 일반적으로 이음은 휨모멘트나 전단력 중 하나가 작은 부분에 서 하고 소성설계일 경우 이음이 변곡점 근처에 위치하기 때문에 휨모멘트가 작은 부분에서 해야 한다. 하중의 상태에 따라서 이음부의 응력상태가 변하 기 때문에 이음부의 소요강도는 신중하게 결정되어야 한다.

이음부의 강도는 비경제적이지만 부재설계강도(, )를 소요강도로 설계하는 전강도설계법과, 이음부의 소요강도( , )와 부재설계강도의 50% 중 큰 값으로 설계하는 존재응력설계법이 있다.

 

 

기둥 이음

기둥의 이음은 존재응력이 작은 곳에 설치하는 것이 이상적이지만, 공사현장 에서 이음되는 경우는 보의 이음과 같이 제작, 운반, 시공 및 경제성을 고려
하여 이음위치는 2∼3층을 1 단위(절)로 하여 바닥판 위 1m 전후의 높이에
일정하게 설치하는 것이 일반적이다.
기둥이음의 종류는 그림 10.5와 같이 고력볼트 마찰접합, 고력볼트와 용접 접합의 병용, 전용접 접합의 3종류가 있으며, 시공성과 구조적인 면을 고려 하여 선택한다.
그림 10.5(a)①은 단면 차이가 거의 없어 직접 이음판을 댄 경우이고, (a)
②는 플랜지두께의 차이를 끼움 판(filler plate)으로 줄인 후 이음판을 댄 경우이고, (a)③은 단면 춤의 차이 때문에 맞댄판(butt plate)을 사용한 경 우이다.
 

상부기둥 단면 춤과 하부기둥 단면 춤의 차이가 3cm 보다 작을 경우 끼움 판을 사용하고, 3cm 이상일 경우에는 맞댄판(butt plate)도 사용한다. 끼움
판 두께는 (0.5×양단면 춤의 차이-세우기 여유폭)이고 폭은 플랜지 폭과 같 게 하고 상부 기둥의 플랜지 폭보다 크지 않게 한다.
기둥 이음의 설계는 아래와 같은 사항도 고려되어야 한다.
가) 설계응력은 시공시 안전을 고려하여 활하중을 무시하고 고정하중만이 작 용한 압축력에 지진시 및 폭풍시 작용되는 수평력을 조합하여 발생되는 인장응력에 관해서도 안전하게 설계한다.
나) 이음판은 플랜지나 웨브 모두 양면이음판을 사용하고, 그 단면적 분포는 가능한 기둥단면과 일치하도록 한다.
다) 상하 기둥 단면의 폭이 약간씩 다를 경우는 상하 기둥의 중심선을 가능 한 일치시키고, 이음판과 플랜지 사이에 생기는 틈에는 끼움판을 삽입하 여 조정한다

1) 설계방법

고력볼트를 이용한 기둥 이음에는 이음판이 사용된다. 기둥 접합부는 서로 밀착되도록 가공하여 하중 전달이 원활하도록 하는 것이 원칙이고, 기둥이 압축력만 받는 경우를 포함하여 전단력, 휨모멘트를 받는 경우는 반드시 이 음판을 사용하여야 한다.
기둥이 인장력을 받을 경우 이음판이 모든 하중을 부담하게 되나 압축력을 받을 경우 하중의 많은 부분이 기둥으로 직접 전달된다. 기둥 이음부에 인장 응력이 발생하지 않고 이음부의 면을 페이싱 머신(facing machine) 또는 로 터리 플레이너(rotary planer) 등의 절삭가공기를 사용하여 마감하고 충분히 밀착시키는 이음(metal touch)인 경우에는 밀착면으로 계수하중에 의한 압축 강도 및 휨강도의 1/2이 전달된다고 가정할 수 있다. 따라서 계수하중에 의 한 압축강도 및 휨강도의 1/2을 소요강도로 가정하여 설계할 수 있다.
기둥 접합부에서 하중의 형태에 따라 이음판의 고력볼트 배치 및 개수를 결정하고, 압축력 외에 다음 식에 의한 계수하중으로 발생할 수 있는 인장력 을 부담하여야 한다.

즉, 고정하중과 풍하중에 대해 소요강도는 0.9 1.3이고, 여기서 는

고정하중에 의한 압축력이고 는 풍하중에 의한 인장력이다.

0.9 ≥1.3 일 경우 이음부는 인장력을 받지 않는다. 그러나    일 경우 이음부는 인장력을 받게 되고, 이음판의 설계인장강도   가 소요강 도보다 커야 한다. 그렇지 않을 경우 적절한 인장이음 방법이 필요하게 된다.

기둥에 작용하는 전단력은 보통 미소하여 접합부의 플랜지나 웨브 그리고 

맞댄판(butt plate)의 마찰력으로 지지된다. 그러나 소요전단강도가 기둥 이 음판의 설계전단강도를 초과하는 경우 이음판은 적절한 연결 조건을 검토하 여 설계하여야 한다.