강구조 블록전단파단(block shear failure)의 발생원인과 설계시 고려사항

이번 시간에는 강구조에서 발생할수 있는 블록전단파단에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

1. 블록전단파단(Block Shear Failure)

블록전단파단(Block Shear Failure)은 볼트 접합부나 용접부를 포함한 연결부에서 발생하는 복합적인 전단 및 인장 파단 형태를 의미한다. 일반적으로 전단에 의해 재료가 절단(shear failure)되는 것과 동시에, 나머지 부분이 인장에 의해 파단(tensile failure)되는 현상이 결합된 파괴 메커니즘이다.

즉, 강재의 일부가 블록(block) 형태로 분리되면서 발생하는 파괴로, 단순 전단파단(shear failure)이나 순인장파단(tensile failure)과는 구별된다. 블록전단파단은 강구조 접합부 설계에서 중요한 요소로, 이를 고려하지 않으면 연결부의 취성파괴를 초래할 수 있다.

블록전단파단 (Block Shear Failure)

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2. 블록전단파단이 발생하는 이유

블록전단파단이 발생하는 주요 원인은 다음과 같다.

1) 볼트 구멍 주변의 약화

• 볼트 접합부에서 볼트 구멍 주변의 유효 단면적 감소로 인해 재료가 상대적으로 약해지고, 인장 및 전단 응력에 의해 취약해진다.

2) 강재 연결부의 응력 집중(Stress Concentration)

• 강재 접합부에서 응력이 집중되면 재료의 취성적 거동이 증가하여 블록전단파단이 쉽게 발생한다. 특히 하중이 작용하는 방향과 직각인 볼트열에서 전단이 집중적으로 발생하며, 나머지 부분에서는 인장 응력이 증가한다.

3) 강재의 낮은 연성 및 균열 발생

• 강재가 충분한 연성을 갖지 못하면, 국부적으로 응력이 집중된 영역에서 미세 균열이 발생하여 블록전단파단으로 이어질 수 있다.

4) 용접부의 결함 또는 불충분한 길이

• 용접부가 너무 짧거나 용접 품질이 낮을 경우, 하중 전달이 비효율적으로 이루어져 블록전단파단의 위험이 증가한다.

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3. 블록전단파단의 파괴 양상

블록전단파단의 파괴 양상은 전단 파괴(shear failure)와 인장 파괴(tensile failure)가 결합된 형태로 나타난다. 주요 파괴 양상은 다음과 같다.

1) 순수 전단 파괴 (Pure Shear Failure)

• 볼트열을 따라 전단 응력이 집중되어 강재가 전단파괴를 일으키는 경우이다.
• 전단 응력이 주요한 요인이며, 상대적으로 얇은 강재에서 자주 발생한다.

2) 순수 인장 파괴 (Pure Tensile Failure)

• 볼트 구멍을 포함한 연결부에서 인장 응력이 집중되어 강재가 인장파괴를 일으키는 경우이다.
• 특히 볼트열이 강재의 가장자리 가까이에 위치한 경우 발생할 가능성이 높다.

3) 혼합 전단-인장 파괴 (Mixed Shear-Tensile Failure)

• 가장 일반적인 형태로, 전단 영역에서는 재료가 전단파괴를 일으키고, 인장 영역에서는 인장파괴를 일으키는 복합적인 파괴 양상을 보인다.
• 파괴 진행 시 전단부가 먼저 항복한 후, 인장부가 파단되면서 전체적인 블록이 분리된다.

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4. 강구조 설계기준에서 블록전단파단의 규정

현재 강구조 설계기준(KBC, AISC 등)에서는 블록전단파단을 볼트 접합부 설계 시 반드시 고려해야 할 주요 파괴 모드 중 하나로 다루고 있다.

 블록전단파단의 강도 산정식

블록전단파단의 강도(최대 저항력)는 전단 및 인장에 대한 저항력을 조합하여 다음과 같이 산정된 공칭강도에 $\phi =0.75$을 적용하여 계산된다.

 $$ R_{n}=[0.6F_{u}A_{nv} + U_{bs}F_{u}A_{nt}] \leq [0.6F_{y}A_{gv}+U_{bs}F_{u}A_{nt}] $$

 여기서,

$A_{gv}$ : 전단저항 총단면적 ($mm^{2}$)

$A_{nv}$ : 전단저항 순단면적 ($mm^{2}$)

$A_{nt}$ : 인장저항 순단면적 ($mm^{2}$)

$U_{bs}$ : 인장응력이 균일할 경우 1.0, 불균일할 경우 0.5적용

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5. 결 론

블록전단파단은 강구조에서 볼트 접합부를 설계할 때 반드시 고려해야 하는 중요한 파괴 메커니즘 중 하나이다. 이는 단순한 전단 또는 인장 파단이 아닌, 전단과 인장이 복합적으로 작용하는 파괴 양상을 보인다. 따라서 설계 시 볼트 배열 및 구멍 영향을 반영한 단면적을 정확히 계산하고, 강재의 응력 집중과 연성 거동을 고려하며, 설계기준에 맞춰 강도를 산정하는 것이 필수적이다. 이와 같은 블록전단파단의 특성을 이해하고 적절한 설계를 수행하면, 강구조 접합부의 안전성을 향상시키고, 취성파괴를 방지할 수 있다.

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