철골 건물의 안전은 부재 그 자체보다 접합부(Connection)에서 결정되는 경우가 많습니다. 실제로 강구조 붕괴 사고의 상당수가 부재 파괴가 아닌 접합부 파괴에서 시작됩니다. 이 글에서는 실무에서 가장 빈번하게 설계하는 세 가지 볼트접합 — 전단접합(Shear Connection), 기둥이음(Column Splice), 거더이음(Girder Splice) — 의 설계 방법을 KDS 14 31 25(강구조 연결 설계기준)와 AISC 360 기준에 따라, 실제 수치 설계 예제와 함께 정리합니다.
- 고력볼트 접합의 기본 — 마찰접합 vs 지압접합
- 볼트 한 개의 설계강도와 배치 규정
- 전단접합(Shear Connection) 설계 — 예제 ①
- 기둥이음(Column Splice) 설계 — 예제 ②
- 거더이음(Girder Splice) 설계 — 예제 ③
- 시공·검사 포인트와 자주 하는 실수
1. 고력볼트 접합의 기본 — 마찰접합 vs 지압접합
고력볼트(High-Strength Bolt) 접합은 힘을 전달하는 메커니즘에 따라 두 가지로 나뉩니다. 같은 볼트를 쓰더라도 설계 개념이 완전히 다르기 때문에, 접합부 설계의 출발점은 항상 "이 접합은 마찰접합인가, 지압접합인가"를 결정하는 것입니다.
| 구분 | 마찰접합 (Slip-Critical) | 지압접합 (Bearing-Type) |
|---|---|---|
| 힘 전달 | 볼트 장력에 의한 접합면 마찰력 | 볼트 축의 전단 + 판의 지압 |
| 미끄럼 | 설계하중에서 미끄럼 불허 | 미끄럼 허용 (볼트가 구멍에 닿음) |
| 검토 항목 | 미끄럼강도 + (미끄럼 후) 전단·지압 | 볼트 전단강도, 지압강도 |
| 접합면 처리 | 필수 (블라스트, 도장 금지 등) | 불필요 |
| 주 용도 | 국내 건축 골조 표준 (반복하중, 이음부) | 경미한 접합, 미국 단순접합 관행 |
1.1 볼트 등급
국내에서는 KS B 1010의 토크-전단형 고력볼트(T/S Bolt) F10T가 사실상 표준이며, AISC권에서는 A325(Group A)와 A490(Group B)이 대응됩니다.
| 등급 | 인장강도 Fu (MPa) | 대응 AISC 등급 | 비고 |
|---|---|---|---|
| F8T | 800 | A325 유사 | 현재 사용 빈도 낮음 |
| F10T | 1,000 | A490 유사 | 국내 표준, T/S형(S10T) 포함 |
| F13T | 1,300 | — | 지연파괴 우려로 사용 제한적 |
2. 볼트 한 개의 설계강도와 배치 규정
2.1 마찰접합 — 설계미끄럼강도
마찰접합에서 볼트 1개의 미끄럼강도는 "조임력 × 마찰계수"가 본질입니다.
AISC 360 (J3.8): φRn = φ · μ · Du · hf · Tb · ns
- μ : 미끄럼계수. 도장하지 않은 블라스트 처리면(Class A→B 구분은 AISC 기준이며, KDS에서는 일반적으로 μ = 0.50 적용)
- hf : 필러(끼움판) 계수 (필러 1장 이하 1.0)
- To : 설계볼트장력 (아래 표), AISC의 Tb는 최소 설계장력이며 Du = 1.13으로 평균장력 보정
- Ns : 전단면(마찰면)의 수 — 1면전단 또는 2면전단
- φ : 표준구멍 기준 1.00 (과대구멍·슬롯은 감소)
| 볼트 (F10T) | 설계볼트장력 To (kN) | 1면 미끄럼강도 φRn (kN) (μ=0.5, 표준구멍) |
2면 미끄럼강도 (kN) |
|---|---|---|---|
| M16 | 106 | 53.0 | 106.0 |
| M20 | 165 | 82.5 | 165.0 |
| M22 | 205 | 102.5 | 205.0 |
| M24 | 238 | 119.0 | 238.0 |
2.2 지압접합 — 볼트 전단강도
KDS 14 31 25의 공칭전단강도는 나사부가 전단면에 포함되는 조건을 기준으로 F10T에서 Fnv = 400 MPa를 적용합니다(Fu의 0.4배). AISC 360에서는 A490 기준 N조건(나사 포함) 457 MPa, X조건(나사 제외) 579 MPa로 더 세분화되어 있습니다.
| 볼트 (F10T) | Ab (mm²) | 1면전단 φRn (kN) | 2면전단 φRn (kN) |
|---|---|---|---|
| M16 | 201 | 60.3 | 120.6 |
| M20 | 314 | 94.2 | 188.5 |
| M22 | 380 | 114.0 | 228.1 |
| M24 | 452 | 135.7 | 271.4 |
2.3 지압강도와 종단찢어짐(Tearout)
볼트가 구멍 벽을 누르면서 판이 으스러지거나(지압), 연단 방향으로 찢어지는(tearout) 한계상태입니다. 판 두께가 얇거나 연단거리가 짧을 때 지배하는 경우가 많아 실무에서 가장 자주 놓치는 검토 항목입니다.
Lc : 하중 방향 순간격 — 연단볼트는 (연단거리 − dh/2), 내부볼트는 (피치 − dh)
2.4 볼트 배치 규정 (KDS 14 31 25 / AISC J3)
| 항목 | 최소 | 표준(권장) |
|---|---|---|
| 피치 (볼트 중심간격) | 2.5d | 3d (M20→60, M22→70 ※실무 60~70) |
| 연단거리 (전단연·M20) | 약 26 mm (절단방법별 상이) | 35~40 mm |
| 연단거리 (M22) | 약 28 mm | 40 mm |
| 표준구멍 직경 | M16~M22: d + 2 mm, M24 이상: d + 3 mm | |
3. 전단접합(Shear Connection) 설계
전단접합은 보 단부의 전단력(반력)만을 기둥이나 거더에 전달하고, 휨모멘트는 전달하지 않는 것으로 가정하는 단순접합(Simple Connection)입니다. 회전이 어느 정도 자유로워야 "핀 접합"이라는 해석 가정이 성립하므로, 접합부에 회전 연성(rotational ductility)을 부여하는 것이 강도 확보만큼 중요합니다.
3.1 전단접합의 종류
| 형식 | 구성 | 특징 |
|---|---|---|
| 싱글 플레이트 (Fin Plate / Shear Tab) |
기둥에 용접된 1장의 판 + 보 웨브 볼트 | 시공 가장 간편, 국내외 표준. 볼트 1열이 회전 허용 |
| 더블 앵글 (Double Angle) |
보 웨브 양면의 ㄱ형강 2개 | 앵글 다리의 휨 변형으로 회전 허용, 내력 큼 |
| 전단 엔드플레이트 | 보 단부에 용접된 얇은 판 + 지지부재 볼트 | 보 길이 정밀도 요구 |
| 시티드(Seated) | 하부 받침 앵글 + 상부 안정 앵글 | 세우기 편리, 경하중 |
3.2 검토해야 할 한계상태 (체크리스트)
싱글 플레이트 접합 하나에도 검토 항목이 7가지나 됩니다. 어느 하나라도 빠지면 그 항목이 실제 파괴모드가 될 수 있습니다.
- 볼트 미끄럼강도 (마찰접합 시) 또는 볼트 전단강도
- 이음판의 지압·종단찢어짐
- 보 웨브의 지압·종단찢어짐
- 이음판의 전단항복 (총단면)
- 이음판의 전단파단 (순단면)
- 이음판의 블록전단파단
- 이음판–지지부재 용접 강도
예제 ① 싱글 플레이트 전단접합 설계
설계 조건
- 보: H-400×200×8×13 (SM355, Fu = 490 MPa), 기둥 플랜지에 접합
- 계수 단부반력: Vu = 200 kN
- 볼트: M20 (F10T) 마찰접합, 표준구멍(22 mm), μ = 0.50, 1면전단
- 이음판: PL-9 (SS275, Fy = 275, Fu = 410 MPa)
Step 1. 볼트 개수 — 미끄럼강도
n ≥ 200 / 82.5 = 2.42 → 3-M20 사용 (피치 70, 연단 35)
∴ φRn = 3 × 82.5 = 247.5 kN ≥ 200 kN ✓
Step 2. 볼트 전단강도 (미끄럼 후 검토)
Step 3. 이음판 지압·종단찢어짐 — PL-9×100×240 (볼트열 연단 35, 피치 70)
φRn = 0.75 × 1.2 × 24 × 9 × 410 = 79.7 kN ≤ 0.75 × 2.4 × 20 × 9 × 410 = 132.8 kN → 79.7 kN
내부볼트: Lc = 70 − 22 = 48 mm → 1.2LctFu 항이 상한 초과 → 132.8 kN
ΣφRn = 79.7 + 2 × 132.8 = 345.3 kN ≥ 200 kN ✓
Step 4. 보 웨브 지압 (tw = 8, Fu = 490, 보단부 연단 40)
내부: 상한 0.75 × 2.4 × 20 × 8 × 490 = 141.1 kN
ΣφRn = 102.3 + 2 × 141.1 = 384.5 kN ≥ 200 kN ✓
Step 5. 이음판 전단항복 / 전단파단
전단파단: Anv = (240 − 3 × 24) × 9 = 1,512 mm²
φRn = 0.75 × 0.6 × 410 × 1,512 = 278.9 kN ≥ 200 kN ✓
Step 6. 이음판 블록전단 (L형 파단선: 수직 전단면 + 하단 인장면, 측연단 40)
Ant = (40 − 0.5 × 24) × 9 = 252 mm², Ubs = 1.0
Rn = 0.6FuAnv + FuAnt = 0.6 × 410 × 1,305 + 410 × 252 = 424.4 kN
상한: 0.6FyAgv + FuAnt = 0.6 × 275 × 1,845 + 103.3 kN(×10³N) = 407.7 kN → 지배
φRn = 0.75 × 407.7 = 305.8 kN ≥ 200 kN ✓
Step 7. 용접 (이음판–기둥, 양면 필릿 s = 6 mm × 240 mm)
(판을 충분히 발현시키는 AISC 권장 최소치 s ≥ 5/8 tp = 5.6 mm → 6 mm ✓)
4. 기둥이음(Column Splice) 설계
4.1 기둥이음의 기본 원칙
기둥은 운반 한계(통상 길이 10~12 m) 때문에 2~3개 층마다 이음이 필요합니다. 기둥이음 설계에서 기억해야 할 원칙은 다음과 같습니다.
- 이음 위치: 휨모멘트가 작은 곳, 그리고 시공자가 작업하기 좋은 바닥 슬래브 상부 1.0~1.2 m 높이가 표준입니다.
- 메탈터치(Metal Touch, 밀착마감): 기둥 단부를 페이싱 머신으로 절삭 마감해 밀착시키면 압축력을 접촉면 지압으로 직접 전달할 수 있습니다. KDS/KBC 계열 기준은 밀착마감 시 소요압축강도와 소요휨강도의 각 1/2까지 접촉면 전달을 허용하는 규정을 두고 있습니다(적용 시 해당 조항 및 시방 확인 필수). 이 경우에도 이음재는 부재를 제 위치에 고정하고 시공 중 하중·인장 반전에 저항할 수 있어야 합니다.
- 내진설계 주의: 중간·특수모멘트골조의 기둥이음에는 KDS 41 31 00(건축물 강구조)에서 별도의 소요강도(부재 공칭강도 기반)와 용접이음 요구사항이 부과될 수 있습니다. 내진골조라면 일반 접합 규정만으로 설계를 끝내면 안 됩니다.
- 단면이 다른 기둥의 이음: 상·하부 기둥 치수가 다르면 필러 플레이트(끼움판)를 사용하며, 필러 두께에 따라 미끄럼강도 저감계수 hf를 적용합니다.
4.2 힘의 분담 가정
H형강 기둥이음의 관용설계법에서는 힘을 다음과 같이 분담시킵니다.
| 하중 | 전달 경로 |
|---|---|
| 압축력 Pu | 밀착마감 시 접촉면 지압(허용 범위 내) / 그 외 플랜지·웨브 이음판에 면적비로 분배 |
| 휨모멘트 Mu | 플랜지 이음판이 우력(couple) T = Mu/(d − tf)로 부담 |
| 전단력 Vu | 웨브 이음판이 부담 |
예제 ② H형강 기둥이음 설계
설계 조건
- 기둥: H-400×400×13×21 (SM355), 상·하부 동일 단면, 단부 밀착마감
- 이음부 설계하중: Mu = 200 kN·m, Vu = 150 kN (압축력은 접촉면 지압 전달, 안전측으로 모멘트의 접촉면 전달은 무시하고 이음재가 전량 부담하는 것으로 설계)
- 볼트: M22 (F10T) 마찰접합, 표준구멍(24 mm), 1면전단(플랜지 외측판), 이음판 SM355
Step 1. 플랜지 분담력
Step 2. 플랜지 볼트 (편측 기준)
φRn = 6 × 102.5 = 615.0 kN ≥ 527.7 kN ✓
볼트 전단(미끄럼 후): 6 × 114.0 = 684.1 kN ✓
Step 3. 플랜지 이음판 — PL-12×340 (SM355)
인장파단: An = (340 − 2 × 26) × 12 = 3,456 mm²
φRn = 0.75 × 490 × 3,456 = 1,270 kN ≥ 527.7 kN ✓
(기둥 플랜지 자체의 순단면·지압도 동일한 방법으로 검토 — 플랜지 t = 21 mm로 이음판보다 두꺼워 비지배)
Step 4. 웨브 이음 — Vu = 150 kN
계산상 1개로 충분하나 시공 안정성을 위해 편측 4-M22 (2열 × 2행) 배치
φRn = 4 × 205 = 820 kN ≥ 150 kN ✓ — 웨브 이음판 2-PL-9×120×260 (전단항복·파단 여유 충분)
검토 메모 — 밀착마감의 1/2 전달 규정을 활용했다면 플랜지 볼트를 줄일 수 있지만, 가공 정밀도(접촉률) 관리가 전제됩니다. 내진골조라면 Step 1의 설계모멘트 자체가 부재 공칭휨강도 기반으로 상향될 수 있음에 유의하세요.
5. 거더이음(Girder Splice) 설계
5.1 거더이음의 기본 원칙
거더(큰보)이음은 기둥이음과 달리 휨모멘트와 전단력을 모두 본격적으로 전달해야 하는 모멘트 이음입니다. 핵심 원칙은 다음과 같습니다.
- 이음 위치: 휨모멘트가 작은 반곡점(변곡점) 부근에 두는 것이 원칙입니다. 연속보·라멘 거더라면 단부에서 스팬의 1/4~1/3 지점이 후보가 됩니다.
- 소요강도: 이음부는 그 위치의 계수하중 단면력 이상으로 설계하되, 관용적으로 부재 설계강도의 1/2 이상을 확보하도록 하는 실무 관행이 널리 적용됩니다(발주처 시방·적용 기준 확인). 응력이 거의 0인 지점이라도 시공오차·하중패턴 변화에 대비한 최소 내력이 필요하기 때문입니다.
- 구성: 플랜지 이음판(외측 1장 + 내측 2장이 일반적) + 웨브 이음판(양면 2장)으로 구성합니다.
5.2 모멘트 분배 — 두 가지 방법
| 방법 | 플랜지 분담 | 웨브 분담 | 비고 |
|---|---|---|---|
| ① 관용법 (플랜지 전담법) |
Mu 전량을 우력 T = Mu/(d−tf)로 부담 | Vu + 볼트군 편심모멘트(Vu·e) | 간편·안전측, 실무 표준 |
| ② 강성비 분배법 | Mf = Mu × If/I | Mw = Mu × Iw/I + Vu + 편심 | 웨브가 깊은 플레이트거더에 합리적 |
예제 ③ 거더이음 설계 (관용법)
설계 조건
- 거더: H-588×300×12×20 (SM355), 이음 위치 설계단면력 Mu = 700 kN·m, Vu = 300 kN
- 볼트: M22 (F10T) 마찰접합, 표준구멍(24 mm), 이음판 SM355
- 플랜지: 외측 1장 + 내측 2장 → 2면전단 (φRn = 205 kN/개) / 웨브: 양면 이음판 → 2면전단
Step 1. 플랜지 분담력과 볼트
n ≥ 1,232.4 / 205 = 6.0 → 8-M22 (2열 × 4행, 여유 고려) — φRn = 1,640 kN ✓
볼트 전단(미끄럼 후): 8 × 228.1 = 1,825 kN ✓
Step 2. 플랜지 이음판 — 외측 PL-16×280, 내측 2-PL-16×120 (힘은 외측·내측 전단면에 절반씩 분배)
φRn = 0.75 × 490 × 3,648 = 1,341 kN ≥ Tf/2 = 616 kN ✓
내측판 인장파단: An = 2 × (120 − 26) × 16 = 3,008 mm² → φRn = 1,105 kN ≥ 616 kN ✓
총단면 항복: φRn = 0.90 × 355 × (4,480 + 3,840) = 2,658 kN ≥ 1,232 kN ✓
Step 3. 보 플랜지 자체의 순단면 검토 (휨재 인장플랜지의 볼트구멍, KDS 14 31 10 / AISC F13)
→ 구멍에 의한 휨강도 저감 불필요 ✓
Step 4. 웨브 볼트군 — 편심전단 (탄성벡터법)
편측 6-M22 (2열 × 3행, 게이지 80, 피치 80), 볼트군 도심까지 편심 e = 60 mm 가정
편심모멘트: Me = Vu · e = 300 × 0.060 = 18.0 kN·m
Σr² = 4 × (40² + 80²) + 2 × 40² = 35,200 mm²
모서리볼트: Fx = Me·y/Σr² = 18×10⁶ × 80 / 35,200 = 40.9 kN
Fy = Me·x/Σr² = 18×10⁶ × 40 / 35,200 = 20.5 kN
Rmax = √(40.9² + (50.0 + 20.5)²) = 81.5 kN ≤ φRn = 205 kN (2면 미끄럼) ✓
Step 5. 웨브 이음판 — 2-PL-9×170×400 (SM355)
전단파단·블록전단·지압도 예제 ①과 동일한 절차로 검토 (모두 여유 충분)
6. 시공·검사 포인트와 자주 하는 실수
6.1 조임 관리
| 조임 방법 | 내용 |
|---|---|
| 토크관리법 | 캘리브레이션된 토크렌치로 목표 토크까지 조임. 토크계수 변동(나사 상태·온도)에 민감 |
| 너트회전법 | 밀착(스너그) 후 너트를 규정 각도(통상 120°) 추가 회전 |
| T/S 볼트 (S10T) | 핀테일이 규정 토크에서 파단되며 조임 완료 확인 — 국내 표준 공법 |
마찰접합이라면 조임만큼 중요한 것이 접합면 관리입니다. 마찰면은 블라스트 처리(녹·흑피 제거) 상태여야 하고, 도장·기름·밀시트 마감은 미끄럼계수 μ = 0.5를 무효화합니다. 부득이 도장할 경우 무기질 아연말 도료 등 마찰면 인증 도장만 허용됩니다.
6.2 설계자가 자주 하는 실수 Top 5
- 지압·종단찢어짐 검토 누락 — 얇은 웨브, 짧은 연단거리에서는 볼트 전단이 아니라 판의 tearout이 지배합니다.
- 마찰접합에서 지압접합 추가 검토 생략 — 기준은 미끄럼 발생 후를 대비해 전단·지압강도 동시 만족을 요구합니다.
- 웨브 볼트군 편심 무시 — 거더이음, 비표준 싱글 플레이트에서 모서리 볼트 과소설계의 원인.
- 블록전단 미검토 — 코핑된 보 단부, 좁은 이음판에서 지배 한계상태가 되기 쉽습니다.
- 시공성 무시한 볼트 배치 — 임팩트렌치 작업공간(클리어런스), 기존 부재와의 간섭, 볼트 삽입 방향을 도면 단계에서 확인해야 합니다.
7. 마무리 — 접합부 설계의 사고 흐름
세 가지 접합 모두 설계의 뼈대는 같습니다. ① 힘의 전달 경로를 가정하고(플랜지=모멘트, 웨브=전단), ② 그 경로 위의 모든 요소(볼트–판–용접–모재)에 대해, ③ 일어날 수 있는 모든 한계상태를 빠짐없이 검토하는 것입니다. 접합부는 "가장 약한 고리"가 전체 내력을 결정하므로, 검토 항목의 누락이 곧 구조적 결함이 됩니다. 이 글의 체크리스트와 예제 절차를 템플릿 삼아 검토 항목을 표준화해 두면 실수를 크게 줄일 수 있습니다.
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