철골구조 마찰접합, 지압접합, 고력볼트 설계전단강도

안녕하세요.
오늘은 고력볼트 설계전단강도, 마찰접합, 지압접합에 대해 정리해 보려 합니다.

볼트 전단접합시 파괴형태는 판이 미끄러지거나, 판이 찢어지거나, 볼트가 전단력에 의해 잘려나간다고 생각하시면 됩니다.

1. 마찰접합 vs 지압접합 (전단력이 작용할 때)

기둥-보 접합부처럼 부재가 서로 미끄러지려는 힘, 즉 전단력(Shear Force)을 받을 때는 크게 두 가지 방식으로 저항합니다.

① 마찰접합 (Friction Type)

• 원리: 볼트를 강하게 조여서(도입축력) 판과 판 사이에 생기는 '마찰력'으로 버팁니다.
• 특징: 하중이 작용해도 미끄러짐(Slip)이 발생하지 않습니다. 구조물의 처짐이나 변형을 막기 위해 실무에서 가장 선호하는 방식입니다.

② 지압접합 (Bearing Type)

• 원리: 마찰력을 무시하거나 초과했을 때, 볼트 몸통이 구멍 벽에 닿아 '지압'과 '전단'으로 버팁니다.
• 특징: 구멍과 볼트 사이의 유격만큼 미끄러짐(Slip)이 발생한 후 저항력이 생깁니다.

[한눈에 보는 비교]

2. 인장접합

공부할 때 오해하기 쉬운 부분이 있습니다.
보통 "현장에서는 마찰접합을 주로 쓴다"고 하는데, 이는 전단 접합(Shear Connection)일 때의 이야기입니다.

만약 볼트 방향으로 잡아당기는 인장력(Tension)이 작용한다면 어떻게 될까요?
(예: 엔드플레이트 접합, 행거 등)

1. 인장 접합에서는 '마찰' 개념이 성립하지 않습니다.
   판이 서로 떨어지려고 하므로 마찰면이 의미가 없어집니다. 이때는 볼트 자체가 늘어나면서 버티는 인장강도로 설계해야 합니다.
2. 복합력(전단+인장)이 걸린다면?
   인장력이 볼트가 누르는 힘(축력)을 까먹기 때문에, 마찰력도 줄어듭니다.
   설계 기준(KDS)에서는 이를 고려해 마찰 내력을 낮춰서 검토해야 합니다.

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3. 실전 기출 예제로 감 잡기

KDS 14 31 25 기준을 적용한 계산 과정을 보면 원리 차이가 더 확실히 느껴지실 거예요.

예제 1. 마찰접합

Q. 고력볼트 M22 (F10T) 1개를 사용하여 2면 전단 마찰접합을 할 때, 설계미끄럼강도는?
(단, 표준구멍 사용, 설계볼트장력 $T_0 = 200kN$, 미끄럼계수 $\mu = 0.50$, 저항계수 $\phi = 1.0$ 가정)

[풀이]
마찰접합은 "얼마나 꽉 조였나($T_0$) x 표면이 얼마나 거친가($\mu$)"가 핵심입니다. 표준구멍일 경우 저항계수 1.0을 사용합니다.

$$\phi R_n = \phi \times \mu \times T_0 \times N_s$$

1. 미끄럼계수 ($\mu$): 0.50 (블라스트 처리된 표면 적용)
2. 볼트장력 ($T_0$): 200kN
3. 전단면 수 ($N_s$): '2면 전단'이므로 $\times 2$

$$계산: 1.0 \times 0.50 \times 200kN \times 2 = \mathbf{200kN}$$

 

예제 2. 볼트의 설계전단강도

Q. 고력볼트 M20 (F10T) 1개를 사용하여 지압접합을 할 때, 볼트의 설계전단강도는?
(단, F10T 인장강도 $F_u = 1,000MPa$, 나사부 전단면 불포함 조건, 단면적 $A_b = 314mm^2$, 저항계수 $\phi = 0.75$)

[풀이]
지압접합은 이미 미끄러진 상태입니다. 이때 볼트의 전단강도는 KDS 14 31 25 [표 4.1-1]에 따른 공칭강도 값을 따라야 합니다.

$$\phi R_n = \phi \times F_{nv} \times A_b$$

1. 공칭전단강도 ($F_{nv}$):
   KDS 기준상 F10T 볼트의 나사부가 전단면에 포함되지 않을 경우(Excluded), 500MPa를 적용합니다.
   (※ 참고: 나사부가 포함될 경우엔 400MPa)
2. 내력 계산: $$500N/mm^2 \times 314mm^2 = 157,000N = 157.0kN$$
3. 저항계수 적용: $$\phi R_n = 157.0kN \times 0.75 = \mathbf{117.8kN}$$

 

예제 3. 지압접합 (가장 헷갈리는 부분!)

Q. M20 볼트 1개를 사용하여 두께 10mm의 강판(SS275)을 지압접합으로 연결할 때, 모재(강판)의 설계지압강도는?
(단, 강판 $F_u = 410MPa$, 순거리 $L_c = 40mm$, 저항계수 $\phi = 0.75$ 가정)

[풀이]
지압강도 공식($R_n$)에서 변수를 대입할 때 주의해야 합니다.

• $L_c$ (순거리): 구멍 끝에서 철판 끝까지의 거리입니다. (문제 조건: 40mm)
• $d$ (볼트 직경): 구멍 크기(22mm)가 아니라 볼트의 호칭 직경(20mm)을 넣어야 합니다.

1. 철판이 찢어지는 경우 (Tear-out):
   $$1.2 \times L_c \times t \times F_u = 1.2 \times \mathbf{40} \times 10 \times 410 = 196.8kN$$
2. 구멍이 찌그러지는 경우 (Bearing):
   $$2.4 \times \mathbf{d} \times t \times F_u = 2.4 \times \mathbf{20} \times 10 \times 410 = 196.8kN$$

결정 및 저항계수 적용:
두 값이 동일하므로, 설계강도는:
$$196.8kN \times 0.75 = \mathbf{147.6kN}$$

 

※ 만약 $L_c$가 더 작았다면 Tear-out 값이 작아져서 그 값이 지배했을 것입니다.