강구조 인장부재(Tension Member)의 정의와 고려사항

 

1. 인장부재의 정의

인장재(Tension Member)는 축 방향 인장력을 받는 부재를 의미하며, 주로 강구조에서 구조적 안정성을 확보하기 위해 사용된다. 인장재는 강한 인장 저항 능력을 갖고 있어 구조물에서 하중을 효율적으로 전달할 수 있다. 일반적으로 철골 구조물에서 강재로 제작되며, 용접 또는 볼트 접합 방식으로 연결된다.

 

2. 인장재의 구조부재로서의 예

강구조에서 인장재로 사용되는 대표적인 부재는 다음과 같다.

2-1. 트러스 부재(Truss Member)

• 트러스 구조에서 인장력을 받는 부재(현재)
• 강교나 건축 구조물의 트러스 시스템에서 자주 사용됨

2-2. 현수 케이블(Suspension Cable)

• 현수교에서 주케이블 및 행어 케이블
• 장스팬 구조물에서 케이블 시스템으로 활용됨

2-3. 브레이싱(Bracing)

• 횡력(풍하중, 지진하중)에 저항하는 가새 시스템
• 볼트나 용접으로 접합하여 구조물을 보강함

 

3. 총단면적과 순단면적의 정의

총단면적은 부재의 전체 단면적을 의미하며, 볼트 구멍이나 기타 결손이 없는 상태의 단면적을 나타낸다. 즉, 강재 단면의 전체적인 기하학적 면적을 기준으로 계산된다.

 $$ A_{g}= B \times t $$

여기서, B는 폭(width), t는 두께(thickness)이다.

 

순단면적은 볼트 구멍 등에 의해 단면이 결손된 부재의 실제 인장 저항이 가능한 유효 단면적을 의미한다. 순단면적을 계산할 때는 볼트 구멍에 의한 단면 감소를 고려해야 한다.

$$  A_{n}= A_{g} - A_{h} $$

여기서, Ah는 볼트 구멍에 의해 감소된 면적으로, 보통 볼트 구멍의 직경에 2.0mm(볼트 가공 여유)를 추가하여 고려한다.

$$ A_{h}= n \times d \times t  $$

여기서,

d : 볼트 구멍 직경 (일반적으로 볼트 직경 + 2.0mm)

t : 부재의 두께

n : 볼트 구멍 개수

 

4. 순단면적 산정 방법

4-1. 정렬 배치된 구멍(Aligned Holes)

볼트 구멍이 한 줄로 정렬되어 있는 경우, 순단면적은 가장 취약한 단면을 기준으로 계산된다.

$$ A_{n}= A_{g} - ndt $$

여기서,

n : 단면을 가로지르는 볼트 구멍 개수

d : 볼트 구멍 직경

t : 강재 두께

 

4-2. 불규칙 배치된 구멍(Staggered Holes)

볼트 구멍이 엇갈리게 배치된 경우, 인장력의 경로가 비직선적으로 변화하기 때문에 추가적인 단면적을 고려해야 한다. 유효 단면적은 다음과 같이 산정된다.

 $$ A_{n}= A_{g} - ndt + \sum \frac{s^{2}}{4g} t $$

여기서,

s : 인접한 2개 구멍의 응력 방향 중심간격(stagger distance)

g : 연결재 게이지선 사이의 응력 수직방향 중심간격(gauge distance)

볼트배치방법 (출처:강구조설계)

5. 관련 설계기준 (강구조 설계기준, KDS 14 31 10)

강구조 설계기준(KDS 14 31 10)에서는 인장재의 강도 산정 및 순단면적 계산 방법에 대해 다음과 같이 규정하고 있다.

5-1. 순단면적 계산(KDS 14 31 10: 5.4.2)

• 인장재의 순단면적은 볼트 구멍의 영향과 불규칙 배치를 고려하여 산정해야 한다.
• 순단면적의 감소 효과를 고려하여 효율적인 설계가 필요함.

5-2. 인장재의 설계강도(KDS 14 31 10: 7.2.3)

• 인장재의 설계강도는 총단면에 대한 항복과 단면결손 부분의 파단 강도를 모두 고려하여 아래와 같이 정의됨.

 $$ P_{n}= 0.9f_{y}A_{g}   \: \: \: \: \: \: \: \: \: \: \:     P_{n} = 0.75f_{u}A_{e} $$

여기서,

fy : 항복강도

fu : 인장강도

Ag : 총단면적

Ae : 유효단면적

 

5-3. 볼트 구멍 고려(KDS 14 31 10: 5.4.3)

• 볼트 구멍 직경을 고려하여 순단면적을 산정해야 하며, 필요 시 효율적인 볼트 배치를 검토해야 한다.
• 정렬된 경우와 불규칙 배치된 경우에 대한 보정식이 제시됨.

 

6. 결 론

강구조에서 인장부재는 구조물의 안정성을 확보하는 중요한 요소이며, 순단면적과 총단면적을 정확하게 계산하여 적절한 설계를 수행하는 것이 필수적이다. 특히, 볼트 구멍 배치 방식에 따라 순단면적이 달라질 수 있으므로, 이를 고려한 설계가 요구된다. 강구조 설계기준(KDS 14 31 10)에서는 인장재의 강도 산정 방법과 순단면적 계산 공식을 상세히 규정하고 있다.

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