강골조 공법의 기본 연결 유형
프레임 구조물에서 보-기둥 접합부의 상세 설계는 다양한 접합 방식을 포함하여 하중 작용을 고려한다. 일반적으로 보-기둥 접합부는 볼트 체결, 용접 또는 고정형 I/J 접합 방식으로 구성된다. 접합 방식의 선택은 구조물의 요구 조건에 따라 달라진다. 예를 들어, 휨 모멘트를 받는 비강성 프레임의 경우 완전 용접된 I/J 접합이 사용될 수 있다. 이동식 구조물에서는 강도 등급 8.8 볼트를 이용한 접합이 시트벨트와 유사한 제한 기능을 제공할 수 있으며, 이러한 접합은 분해 및 교체가 용이하다. 잠재적 변위를 고려한 접합 설계에도 유사한 접근법을 적용할 수 있는데, 이 경우 핀 접합 방식이 사용될 수 있다. 교량 구조물의 변위에는 핀 접합이 적합하다. 프레임 내 고정 접합은 측방 하중 저항을 고려하여 메가 프레임 및 초고층 건물에 적용된다. 경제성 측면에서는 다른 프레임들이 상대적으로 간소화된 상세 설계를 채택할 수 있다. 미학적 측면에서는 메가 프레임이 높은 수준의 상세 설계를 포함한다. 대경 구조 부재의 경우, 용접 접합이 볼트 접합보다 EN 1993-1-8의 규정을 더 충족시킨다.
강재 보-기둥 접합부에 용접을 사용하면 전체 프레임의 강성을 높이고, 하중을 프레임 전반에 걸쳐 분산시키는 데 도움이 된다. 완전 관통 용접의 경우, 이 접합부를 고체로 간주한다. 하중은 접합부에 장기간 적용되며, 오랜 시간 동안 지속된다. 따라서 볼트 여러 개를 사용하는 것보다 완전 관통 용접을 사용하는 것이 바람직하다. "EN 1993-1-8의 규정은 유능한 인력을 투입하도록 지원한다"는 표현은 그러한 인력의 참여가 권장됨을 의미한다. 이러한 유능한 인력은 용접이 정해진 기준에 따라 수행되었는지 여부를 판단하고 검증할 책임이 있다. 제조소에서는 초음파 검사를 실시하여 용접 부위의 잠재적 결함을 식별할 수 있다. 이러한 용접 방식은 볼트 사용과 관련된 문제들을 해소한다. 그러나 책임 및 응력 관리 측면에서 직원들은 주변 환경 및 기상 조건, 특히 용접 과정 중 발생하는 변화의 영향으로 인해 각별한 주의를 기울여야 한다.
연결 방식: 엔드 플레이트, 시티드, 핀 플레이트 시스템
강재 프레임 조립 시 볼트 연결은 여러 가지 이점을 제공한다. 현재 주로 사용되는 시스템은 다음과 같다.
- 엔드 플레이트 연결: 하부 인장 또는 압축 플랜지에서 상부 인장 또는 압축 플랜지로 모멘트를 전달하는 데 유리함.
- 시티드 연결: 하부 각형 클리트를 이용해 수직 지지를 제공함.
- 핀 플레이트 연결의 사용이 점차 확산되고 있다. 이러한 연결 방식은 부재 연결 시 현장 작업 시간을 단축시킬 수 있다고 평가된다.
위에서 언급한 바와 같이, 이러한 모든 연결 시스템의 주요 목적은 다양한 수정 사항으로 인해 영향을 받는 설계 및 시공 허용 오차 요구사항을 줄이는 것이다. 최근 실시된 연장형 엔드 플레이트(EEP)에 대한 시험 결과, 두께가 없는 설계 기준 대비 최대 15%까지 모멘트 저항성이 향상된 것으로 나타났다. 현장에서 발생하는 변동성은 일반적인 구조 설계에서 허용되는 범위보다 크다.
연결 방식: 용접 / 볼트 체결
설치 속도: 빠름(프리패브릭) / 느림(현장 용접)
변경 유연성: 제한적(용접) / 유연함(프리패브릭)
검사 복잡성: 비파괴 검사 필요 / 시각 점검 가능(프리패브릭)
진동에 대한 우수한 저항력은 잠금 너트 사용을 요구함
효율적이고 경제적인 강재 접합부 설계를 위한 다양한 고려 사항(프리패브릭)
모멘트 전달, 연성 및 접합부 효율성
모멘트 프레임에서는 측방향 프레임 변형량을 제어하기 위해 연성성이 필요하다. 모멘트 접합부의 처짐을 제어하려면, 접합부의 연성성이 프레임 변형을 충분히 흡수할 수 있을 만큼 확보되어야 한다. 따라서 접합부는 요구되는 수준의 연성성을 달성하도록 설계되어야 한다. 지진 발생 시 접합부를 과도하게 강성하게 설계하면, 접합부가 취성적으로 조기에 파손될 수 있다. 이는 곧 극단적으로 유연한 접합부를 권장한다는 의미가 아니다. 이상적인 타협이 필요하다.
H형 단면 설계 및 조립
현장 조립 시, 고강도 체결 부재를 전체 토크의 약 70% 수준까지 볼트로 조이고, 보의 정렬 허용 오차를 L/500 이내로 유지한다. 연결부의 75%가 완전한 강도에 도달할 때까지 구조물은 임시 가새를 필요로 한다. 이를 통해 현장에서의 문제를 최소화할 수 있다. 일관된 하중 분포는 구조물의 성능 향상에 기여한다.
자주 묻는 질문
강골조 구조물에서 사용하는 다양한 연결 방식에는 어떤 것들이 있나요?
강골조 구조물에서 사용하는 연결 방식에는 용접, 볼트 연결, 리벳 연결, 핀 연결 등이 있으며, 이에 국한되지 않는다.
강골조 구조물에서 용접 이음부를 사용하는 장점은 무엇인가요?
용접 이음부를 사용하면 훨씬 높은 강성을 갖는 이음부를 얻을 수 있으며, 따라서 골조 구조물의 성능에서 핵심적인 역할을 한다. 또한 골조 이음부는 하중을 이음부 면적 전반에 걸쳐 균등하게 분산시켜 골조 구조물이 하중을 고르게 지지할 수 있게 한다.
강골조 구조물에서 볼트 연결을 사용하는 장점은 무엇인가요?
볼트 연결 방식의 주요 이점은 프레임 구조를 쉽게 조립하고 분해하며 운반할 수 있다는 점이다. 프레임 부재 간 볼트 연결은 구조물이 대형일 경우에도 쉽게 운반할 수 있다.
강구조물의 프레임 연결 방식은 무엇이며, 어떻게 설계되는가?
특정 프레임에 작용하는 하중 모멘트는 인접 부재로 전달된다. 강구조물의 접합부는 구조물 시공 시 편의성과 경제성을 확보하도록 설계된다.