기계설계 접합부 실무 적용 노하우 Section 02.

접합부 설계

접합부의 거동

접합부의 일반적인 특징에 대하여 앞 절에서 이미 언급하였다. 실제 구조물에서는 완전강접 또는 완전회전인 접합은 없기 때문에 접합부의 형식은 완전 강접 또는 완전 모멘트저항을 발휘할 수 있는 모멘트에 대한 비율에 따라 분 류하는 것이 일반적인 관례이다. 그림 10.8과 같이 모멘트저항이 발휘할 수 있는 정도에 따라 전단(단순)접합은 0~20%, 반강접합은 20~90%, 강접합은 90~100% 범위의 모멘트에 대한 저항을 갖는 것으로 분류한다.

건축구조기준(KBC 2009)에서는 접합형식을 두 개의 형식으로 나누고 있는데, 접합부 저항의 정도에 따라 완전접합(Fully restrained: Type FR)과 부분접 합 (Partially restrained : Type PR)으로 분류하고 있다. 여기서 완전접합 은 강접합을 가정한 것이고, 부분접합은 반강접합이나 단순접합을 가정한 것이다.기둥-보 접합부에는 전단접합 또는 강접합이 사용되며 큰 보와 작은 보의 접합 시에는 주로 전단접합이 사용된다.

모든 접합부는 부재 단부의 회전을 구속하는 정도에 따라 보-기둥 접합부는 강접, 전단(단순) 또는 반강접으로 분류된다. 강접 접합부는 설계하중 상 태에서 접합하는 부재들 사이의 원래 각도가 변화하지 않도록 유지하기 위해 충분한 강성을 가진 접합부이다. 전단 접합부는 회전 구속을 거의 하지 못할 것으로 보는 접합부이다. 반강접 접합부는 강접 접합부의 강성과 전단 접합 부의 휨 사이에서 중간 정도의 모멘트 내력을 가지고 있는 접합부이다. 이것 은 접합된 부재들 사이의 원래 각도를 유지하기에는 불충분한 강성을 가지고 있다. 강접 접합부는 전단과 휨 모멘트 전체에 저항하도록 설계된다. 전단 접합부는 접합부에서 휨 모멘트가 존재하지 않는다는 가정을 하고 전단력만 을 전달하기 위해 설계된다. 반강접 접합부는 전단과 강접 접합부의 중간 값을 가지는 전단과 모멘트에 대해 저항하도록 설계된다.

실제 접합부는 전단과 완전 강접 접합부 사이의 폭넓은 범위에서 회전저항에 대한 범위를 어느 정도 정할 필요가 있다. 그래서 90% 정도의 회전 또는 각도변화에 저항할 수 있는 접합부를 강접합으로 볼 수 있다. 유사한 방법으로 접합부는 접합된 부재들 사이의 각도가 약 80% 정도 변화하거나 마찰이 없는 힌지가 사용되는 경우에 전단접합으로 볼 수 있다. 또한 일반적으로 접합 부의 회전 구속이 상대적인 변화를 방지하기 위해 필요한 값의20~90% 일 때 반강접으로 취급한다.

수직하중만을 받는 보에서 전단 접합부는 수직하중을 기둥에 충분히 전달 할 수 있으며, 제작과 조립이 가장 쉽다. 따라서 강구조 건물에서 횡하중을 접합부 접합부가아닌 대각 가새 또는 전단 벽체를 통해 얻을 때에는 전단접합부가 적절하다.

중층 건물에서(10~15층)는 보와 기둥의 휨을 통해 횡하중에 저항하는 것이 더 경제적이며, 이러한 경우 강접 접합부가 필요하다. 또 실제 일정 높이로 설계된 가새 또는 비가 새 건물에서 비탄성모멘트의 재분배는 골조의 전체 내 력을 확보하는데 필수적이다. 따라서 접합부는 보의 소성모멘트에 저항하고 상당한 크기의 비탄성 회전능력을 가져야 한다

 

전단(단순) 접합부 (shear connections)

전단 접합부는 접합부의 회전이 단순보의 재단과 같이 휨모멘트에 대하여 충분 히 회전할 수 있도록 연성이 요구되는 접합으로, 이러한 접합부는 기둥과 같은 지지부재에 휨 모멘트를 전달하지 않고 전단력만을 전달하는 것으로 가정하여 설계할 수 있다. 그러나 실제 구조물의 전단 접합부는 어느 정도 휨모멘트 저 항을 갖게 되는데 접합부에서 발생되는 모멘트 저항이 보의 고정단 모멘트에 비하여 충분히 작을 때는 전단 접합부라고 할 수 있다.

전단 접합부는 그림 10.9와 같이 접합방법이 간단하여 구조물의 공작 및 설 치가 용이한 시공적인 특성과 보에 작용되는 휨모멘트를 기둥에 전달하지 않는 구조적인 특성으로 인해 고층건물의 튜브구조 형식에서 보-기둥 접합부나 저층 구조물, 공장 및 창고 건물 등과 같은 간단한 구조물에 많이 이용되고 있다.

전단 접합부는 연결재의 종류에 따라 플레이트 접합, 티 접합, 엔드플레이 트 접합, 단일ㄱ형강 접합, 더블ㄱ형강 접합 등으로 분류되고, 이중에서 플 레이트 접합이 가장 일반적으로 사용되고 있다.

전단접합부의 전단연결재들은 고력볼트나 용접에 의하여 연결할 수 있는 데 접합부의 제작 및 설치의 용이성을 고려하여 공장에서 기둥 플랜지에 전 단연결재를 용접하고 현장에서 보 웨브와 전단연결재를 고력볼트 접합하는 방법이 일반적으로 이용된다. 전단접합에서는 보의 전단력이 편심으로 작용하기와 편심모멘트 ·에 대해 안전하도록 설계해야 한다. 

 

1) 반강접 접합부(semi-rigid connections) 

위에서 언급한 것과 같이 모멘트 저항능력이 20%~90% 정도인 접합부를 반강 접합이라 말한다. 그러므로 모멘트 저항능력이 전혀 없는 단순 전단 접합부와 완전 모멘트 저항능력을 갖는 강접 접합부의 중간적인 거동특성을 나타낸다.

그림 10.10과 같이 등분포하중을 받는 보의 경우 단부 접합부의 회전저항에 따라서 최대 모멘트의 위치와 값이 달라짐을 볼 수 있다. 예를 들어(d)의경우에는, 단순지지인 (a)의 경우보다 최대모멘트가 50%에 불과함을 알 수 있고 강접합인 (b)의 경우의 75%에 불과함을 알 수 있다. 이와 같이 강접 합의 경우보다 60%~70% 단부구속을 갖는 반강접합을 사용함으로써 부재의 단 면을 감소시켜 강접합이나 전단접합보다 경제적인 설계가 가능하다.

일반적으로 플레이트 접합, 더블ㄱ형강 접합, 엔드플레이트 접합 등이 반강 접합부에 해당한다. 미국 ASD설계기준에서는 부분접합(Type 3)의 형식으로 분류하고 있으나 접합부 거동을 예측하는데 필요한 모멘트-회전각 관계곡선의 획득이 어려운 관계로 실제 설계에서는 많이 사용되고 있지 못하다. 한편 미 국 LRFD설계기준에서는 부분접합(Type PR)으로 분류되고 있다. 일반적으로 소성해석을 통하여 건물이 설계되는 경우는 반강접합부는 사용하고 있지 안다.

 

2) 강접 접합부(rigid connections)

강접 접합부는 접합부가 모멘트 내력을 가지고 부재의 연속성이 유지되도록 충분한 회전강성을 갖는 접합으로 대표적인 강접합부의 형태는 그림 10.11과 같이 확장 엔드플레이트 접합, 스플릿 터 접합 등이 있다. 강접 접합부는 응 력의 변화가 급격하며 응력집중으로 최대 응력이 발생하게 되는데 특히 패널 존의 기둥 플랜지와 웨브는 국부 휨,국부항복 등으로 파괴를 유발할 가능성 이 높아지므로 이에 대한 충분한 검토를 필요로 한다. H형강 등의 형강을 사 용하는 경우, 기둥과 보의 접합부는 기둥 관통형이 보통이며, 기둥 관통형의 기둥-보 접합부에서 일반적으로 사용되고 있는 강접합은 다음과 같다.

H형강 등 형강을 사용하는 경우, 기둥-보 접합부는 기둥 관통형이 보통이며,이러한 경우에는 보 단부에 생기는 휨 모멘트가 보 플랜지 위치에서 기둥에 집중력으로 작용한다. 이와 같이 보 단부의 휨 모멘트가 클 경우에는 그림 10.12와 같이 기둥이 국부적으로 대변형을 일으키며 파괴를 유발한다. 따라 서 이것을 방지하기 위하여 수평 스티프너(stiffener)를 설치해야 한다. 기 둥 관통형이 기둥-보 접합부에서 일반적으로 사용되고 있는 강접 접합부는 다음과 같다.

기둥-보 접합부는 다음 사항을 고려하여 설계해야 한다.

가) 기둥-보 접합부를 구성하는 요소들은 구조물에 작용하는 계수하중에 대 한 소요강도 이상이 되거나 또는 접합부와 충분한 내력을 발휘할 수 있는 강도 이상이 되도록 해야 한다.

나) 기둥-보 접합부는 구성요소가 설계강도의 50% 이상이 되도록 설계하는 것이 바람직하다.

다) 접합부 패널의 보 플랜지 위치에는 스티프너를 설치해야 한다.

라) 기둥-보 접합부에서 기둥 플랜지에 수직이며 웨브에 대하여 대칭인 집중 하중을 받는 경우에 기둥 플랜지 및 웨브는 플랜지의 국부 휨,, 웨브의 국 부항복, 웨브 크립플링에 대하여 설계한다.

마) 기둥-보 접합부에서 기둥 양측의 보 플랜지로부터 집중하중을 받는 경우에 기둥 웨브는 웨브 국부항복, 웨브 크립플링 및 웨브의 압축좌굴에 대하여 설계한다.

바) 큰 전단력을 받는 기둥의 웨브는 패널존 항복에 대하여 설계한다.

전단접합(단순접합) 설계

전단접합부는 전단만을 전달하고 모멘트는 전달할 수 없는 접합부이다. 따라 서 전단 접합부를 가지고 있는 부재의 단부는 하중이 작용할 때 회전에 대해 서 자유롭다고 가정한다. 물론, 이것은 최대 모멘트가 중앙에서 발생하며 단 부모멘트가 감소되기 때문에 보의 단부는 모멘트에 대하여 안전하다.

단순지점으로 가정하는 전단접합부는 보를 거더의 웨브에 접합시키거나 보를 기둥의 플랜지 또는 웨브에 접합시키기 위해 강구조에서 폭넓게 사용되고 있다. 또한, 가새 골조에서 기둥-보 접합부는 일반적으로 전단접합부의 형태로 설치된다.

1) 기둥과 보의 접합 

안전한 접합부 설계를 위해서는 아래의 사항들에 대해서 먼저 적절한 검토가 있어야 한다.

가) 고력볼트 설계강도 나) 용접부의 설계강도

다) 이음판의 인장항복 및 인장파괴 라) 이음판의 전단항복 및 전단파괴 마) 이음판의 블럭전단파단 

집중하중을 받는 기둥의 플랜지와 웨브에 대해서는 아래의 설계기준도 만족 하여 파괴가 발생되지 않도록 한다.

(1)  플랜지의 국부휨강도

플랜지에 수직으로 용접된 판에 적용된 인장력에 의해 휨을 받는 플랜지 의 설계휨강도(휨재)에 따라 산정한다.

(2)  웨브의 국부항복강도

그림 10.13과 같이 집중력이 작용하는 점에서 웨브필렛 선단부의 국부항 복 설계강도 (휨재)에 따라 산정한다.

(3)  웨브 크립플링강도

집중하중을 받는 비보강 웨브의 설계압축강도 은 에 따라 산정한다.

(4)  웨브의 압축좌굴강도

양쪽 플랜지에 집중압축력이 작용할 때 비보강 웨브의 설계 압축강도는

이고, 공칭강도에 따라 산정한다.

1) 큰보와 작은 보의접합

큰 보와접합은 작은 보의 단부접합 형식에 따라 두 가지 방법 즉, 그림 10.15(a)~(c)와 같이 작은 보를 단순보로 설계하는 방법과 그림 10.15(d)~(g)와 같 이 연속보를 취급하는 방법이 있다.

작은 보를 단순보로 취급하는 경우에는 큰 보와 작은 보의 접합을 전단접합으로 설계하여 작은 보로부터 전단력만을 큰 보로 전달되도록 설계한다. 작은 보를 연속보로 취급하는 접합은 큰 보와 작은 보의 접합을 강접합에 가깝게 구 성하여 작은 보로부터 전단력을 큰 보에 전달하고 휨모멘트는 큰보 양측의 작 은보로 전달될 수 있도록 설계하는 방법이다. 위와 같은 접합방법을 이용할 때에는 큰 보와 작은 보가 겹치는 부분의 플랜지에 대해 2방향의 조합응력에 대한 검토가 필요하다.

전단하중만을 받는 전단접합부는 볼트의 전단파괴, 이음판의 지압파괴, 이 음판의 블록전단파단과 같은 3가지의 한계상태가 문제시되므로, 이에 대한 설계를 다음과 같이 검토한다. 고력볼트의 전단은 이음판의 배치에 따라 1면 전단접합과 2면 전단접합으로 구분하여 설계한다.

 

10.3.1    강접합(모멘트 접합) 설계 

보-기둥 강접합 접합부는 보 단부에서 휨 모멘트, 축력, 전단력을 보와 기 둥 사이의 각도 변화 없이 기둥에 전달하기 위해서 적합한 강도와 강성을 가 져야 한다. 주축에 대한 H형 보의 휨에서 전단은 주로 웨브에 의해 지지된 다. 따라서 보 웨브와 기둥의 접합부를 통하여 기둥에 직접적으로 전달될 수 있다. H형강 보에서 주축에 대한 휨 모멘트는 보 플랜지에 의해서 저항된다. 따라서 모멘트는 보 플랜지에서 작용하는 축력과 같은 역할을 하는 유효 인 장-압축력으로 분해될 수 있다. 플랜지에 작용하는 힘 은 다음과 같이 계산될 수 있다.

보와 기둥 플랜지가 직접 용접된 접합부를 그림 10.17(a)에 나타내었다. 여기서 보 플랜지는 완전용 입용 접을 사용하여 기둥 플랜지에 용접된다. 보 웨브를 기둥 플랜지에 접합시키는 플레이트는 기둥에 공장용접되고 보는 현 장 고력볼트접합된다.이러한 단계로 보가 설치되면 보 플랜지가 기둥에 현 장 용접될 수 있도록 하는 위치에 있게 된다. 전단 플레이트는 전단에 대해 서만 저항하기 위해 설계된다. 이러한 강접 접합부는 매우 정밀한 오차조정 이 필요하다. 실제로 철골가공공장에서 제작된 보의 길이와 춤은 약간의 오 차가 있다. 또한, 보를 접합시키는 기둥은 자체적으로 오차를 발생시킬 것이 다. 이런 오차는 그림 10.17(a)에서 나타낸 현장용접시에 고려되어야 한다.

그림10.17(b)은 전체적으로 구속된 용접 모멘트접합부의 일반적인 형태를 보여주고 있다. 이것은 지지되는 보의 상부 플랜지에서 인장력을 모살 용접에 의해 상부 플랜지 플레이트에 전달시키고 전체 완전용 입용접에 의해 상부 플랜지 플레이트에서 기둥으로 전달시킨다. 하부 플랜지 플레이트는 하부 플 랜지의 힘을 기둥 플랜지에 전달시키기 위해 설치된다. 웨브 접합부 플레이 트는 기둥 플랜지에 공장 용접되고 보 웨브에는 현장 고력볼트접합(그림10.17(b))된다. 현장용접은 수평방향 용접이 되도록 하여야 하며, 맞댐용접보 다 모살 용접이 선호된다. 따라서 용접이 플랜지의 상부에 위치될 수 있도록 하기 위해 상부 플랜지 플레이트는 보통 보 플랜지의 폭 보다 좁게 만들어져 야 한다.

하지만, 하부 플레이트는 용접을 플레이트의 상부에 두어 상방향 용접을 피하도록 하기 위해 보 플랜지보다 넓게 제작된다. 이런 경우에 완전용 입용접을 기둥에 완전히 접합시키기 위해서 뒷댐재(backing strip)를 보 상부 플 랜지와 상부 플랜지 플레이트 사이에 둔다.

그림10.18(a)은 플랜지 플레이트가 고력볼트로 접합된 기둥-보 모멘트 접 합부를 보여주고 있다. 여기서 모멘트는 플랜지 플레이트에 의해 저항하고 기둥 플랜지는 공장용접, 보 플랜지는 현장고력 볼트접합된다.보의 전단력은 수직 플레이트에 의해 기둥에 전달되고 보 웨브는 현장볼트접합된다고 가정한다.플랜지 플레이트 접합부에서 여유 구멍은 압연, 제작, 시공 오차를 보 충하여 접합부 형태의 현장 조립을 돕는다.