유효순단면적(Ae)과 전단지연(Shear lag)

이번 시간에는 강구조에서 유효순단면적(Ae)과 전단지연(shear lag)에 대해 알아보도록 하겠습니다.

1. 유효순단면적(Effective Net Area)의 정의

유효순단면적(Effective Net Area)은 강구조에서 순단면적(Net Area)에서 전단지연(Shear Lag) 등의 효과를 고려하여 감소된 단면적으로, 실제 하중을 지지하는 유효한 단면을 의미합니다. 이는 특히 인장 부재에서 중요하며, 구조물의 강도 및 안전성을 평가할 때 활용됩니다.

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2. 전단지연현상(Shear Lag)이란?

전단지연(Shear Lag)이란 인장 부재가 하중을 전달할 때, 단면 전체가 균일하게 응력을 받지 못하고, 부재 접합부에서 불균등하게 응력이 발생하게 되는데 이러한 현상을 전단지연 현상이라고 합니다.

 

✅  전단지연의 원인

• 접합부(볼트, 용접)에서 응력이 고르게 전달되지 않음
• 부재가 부분적으로만 연결될 경우 응력 집중 발생
• 부재의 폭이 넓거나 비대칭적인 형상일 경우 응력 불균형

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3. 전단지연현상이 발생하는 경우

전단지연현상은 인장부재의 중심축과 인장력의 축이 일치하지 않게 되어 편심이 있을 경우 발생하게 됩니다.

다음과 같은 경우에 주로 발생합니다.

 

✅ ① 볼트나 용접이 한쪽 면에서만 연결된 경우

• 예시: 각형 강관(각파이프) 단면의 한쪽 면만 볼트로 연결될 경우
• 문제: 연결되지 않은 부분에서는 응력이 제대로 전달되지 않음

 

✅ ② 부재의 폭이 넓은 경우

• 예시: 넓은 플레이트가 한쪽 끝에서만 연결될 경우
• 문제: 전체 단면이 균일하게 응력을 받지 못하고 일부가 더 많은 응력을 받음

 

✅ ③ 겹침 이음(Lap Joint) 구조에서 발생

• 예시: 겹침 이음에서 일부 플레이트만 연결된 경우
• 문제: 부재의 일부만 하중을 전달하므로 강도가 저하됨

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4. 유효순단면적 적용의 필요성

전단지연현상을 고려하지 않으면 구조물의 강도를 과대평가할 위험이 있습니다. 이를 방지하기 위해 설계에서는 순단면적 대신 유효순단면적을 적용합니다.

 

✅ 유효순단면적 계산 방법 유효순단면적

 $$A_e=U\times A_n$$

여기서,

$A_e$ : 유효순단면적 (effective net area)

$A_n$ : 순단면적 (net area)

$U$ : 전단지연계수 (shear lag factor)

전단지연계수 U는 부재 형상과 연결방식에 따라 결정되며, 일반적으로 1보다 작은 값(0.6~1.0)으로 적용됩니다.

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5. 강구조 설계기준(KDS)에서의 규정

강구조 설계기준(KDS 14 31 10)에서는 전단지연과 유효순단면적을 아래와 같이 규정하고 있습니다.

✅ ① 유효순단면적 적용

• 인장 부재의 순단면적을 계산할 때 전단지연을 고려해야 함
• 유효순단면적은   $A_e=U\times A_n$로 계산
• 전단지연계수 U는 부재의 형상과 연결 방식에 따라 달라짐

​ ✅ ② 전단지연계수(U)값 제시

• KDS에서는 다양한 접합 조건에 따른 전단지연계수 값을 제공
• 단순한 플레이트 접합의 경우 일반적으로 0.85~0.9 범위 사용

✅ ③ 설계 시 안전성 확보

• 전단지연이 큰 경우, 부재 단면을 증가시키거나 연결 방식을 개선해야 함
• 필요 시 강재의 인장 강도를 감소시켜 보수적인 설계 적용

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6. 결 론

전단지연현상(shear lag)은 인장 부재에서 응력이 균등하게 전달되지 못하는 현상으로, 부재 끝단에서 일부 단면이 응력을 충분히 받지 못하는 문제가 발생합니다. 이러한 현상을 고려하지 않으면 구조물의 강도를 과대평가할 위험이 있으며, 이를 보완하기 위해 설계시 순단면적 대신 유효순단면적(effective net area)을 적용합니다.

유효순단면적은 전단지연계수(U)를 곱하여 계산하며, 이 값은 부재의 형상과 접합 방식에 따라 결정됩니다. 강구조 설계기준(KDS 14 31 10)에서는 전단지연계수를 적용하도록 규정하고 있으며, 다양한 접합 조건에 따른 U값을 제시하고 있습니다. 따라서 강구조 설계 시 전단지연의 영향을 반드시 고려하여, 적절한 유효단면적을 적용하는 것이 중요합니다. 이를 통해 구조물의 안전성을 확보하고 실질적인 강도를 보다 정확히 평가할 수 있습니다.

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