필릿용접 접합부 안전성

왜 배우는가: 필릿용접은 기둥과 브라켓, 보와 거셋플레이트처럼 현장에서 가장 많이 쓰는 접합이다. 편심하중을 받는 용접군의 설계는 시험에서 거의 매년 계산 문제로 나오므로 개념과 식을 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제139회 4교시 4번, 제136회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

필릿용접은 두 모재가 직각 또는 경사로 교차하는 면에 거의 삼각형 단면으로 용착시키는 용접이며, 목두께 면의 전단강도로 설계한다.

• 필릿용접
• 각장(다리길이)
• 유효목두께
• 유효길이
• 용접재 설계강도
• 모재 설계강도
• 편심 용접군
• 최소 유효길이

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 두 판이 'ㄱ'자나 'T'자로 만날 때 모서리 안쪽을 삼각형 모양으로 녹여 붙이는 용접이다. 판을 끝까지 관통시키는 그루브 용접과 달리 용입이 얕고 단면이 단순해서 현장 시공이 쉽다.

정식 정의는 다음과 같다. 필릿용접은 접합부 교차면에 삼각형 단면으로 용착시킨 용접이며, 설계도면에는 각장(leg size)으로 지시한다. 응력 계산은 목단면을 기준으로 하고, 파단은 목단면에서 일어나는 것으로 본다. 이때 루트부와 토부 끝단의 응력집중과 잔류응력은 고려하지 않는다.

각장(다리길이)은 루트에서 비드 지단까지 한쪽 모재를 따라 잰 직각 방향 길이이다. 각장은 용접부 단면적과 용착량을 좌우하므로 가장 먼저 결정하는 값이다. 설계 치수는 얇은 쪽 모재 두께를 기준으로 정하는 것이 원칙이다.

유효목두께는 삼각형의 빗변 방향 두께로, 각장의 0.707a 배(a는 각장)이다. 응력은 이 목단면에 작용하는 것으로 계산한다. 이론 목두께는 응력 계산에만 쓰고 도면에는 쓰지 않는다.

유효길이는 필릿 총길이에서 각장의 2배를 뺀 값이다. 양 끝의 크레이터와 시단·종단 결함 부분을 제외하기 위한 것이다. 문항에서 '유효길이와 용접길이는 동일하다'고 가정하면 이 감소를 적용하지 않고 총길이를 그대로 쓴다.

용접재 설계강도는 용접재의 공칭강도에 저항계수를 곱한 값이다. 필릿용접을 용접선에 평행한 전단으로 볼 때 공칭강도는 0.60F_uw로 쓰고, 하중저항계수 φ=0.75를 곱한다.

모재 설계강도는 모재의 공칭강도와 단면적으로 구한다. 용접부 설계강도는 모재 강도와 용접재 강도 중 작은 값으로 정한다.

편심 용접군은 하중 작용선이 용접군 도심에서 벗어난 경우의 용접 배치다. 직접력과 편심에 의한 모멘트를 함께 받으므로 각 용접선의 합성 단위길이력을 구해 최대값으로 검토한다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조 접합은 볼트 접합과 용접 접합으로 나뉜다. 용접은 접합판을 따로 두지 않아도 되고 중량을 줄이며 강성과 기밀성을 확보할 수 있어 널리 쓰인다. 반면 용접부는 시공자의 숙련도와 조건에 따라 품질이 크게 달라지므로 설계에서 치수와 길이를 명확히 정해야 한다.

설계 방식도 바뀌었다. 허용응력설계법에서는 허용응력을 안전율로 나눈 값으로 검토했다. 하중저항계수설계법(LRFD)에서는 계수하중과 저항계수를 쓰므로, 필릿용접의 검토도 계수하중에 대한 설계강도 비교로 바뀌었다. 기준은 KDS 14 31 10 강구조 부재 설계기준(하중저항계수설계법)에 따른다.

용접 결함이 강도를 떨어뜨린다는 점도 중요하다. 필릿 용접에서 용착금속이 과잉되면 오버랩이 생기고, 조건이 맞지 않으면 덧살이 부족하거나 언더컷이 생긴다. 이런 결함은 각장과 유효길이를 실제보다 작게 만든다. 그래서 설계는 치수 규정과 함께 시공 품질 관리를 전제로 한다.

편심하중을 받는 브라켓과 기둥 접합부에서는 용접군 전체가 함께 저항해야 한다. 한쪽 용접선에만 힘이 몰리면 그 부분부터 파괴가 시작되므로, 용접군의 최외곽점을 기준으로 안전성을 검토해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

필릿용접 접합부의 안전성은 용접군 전체가 받는 계수하중을 용접부 설계강도와 비교하여 확인한다. 구성요소는 용접부의 다리길이, 목두께, 유효길이로 나뉘며 각 요소가 강도에 미치는 역할이 다르다. 그림에 표시된 용접선의 배치와 하중 작용점이 주어져야 편심에 따른 응력 분포를 계산할 수 있다.

다리길이(leg size)와 목두께(throat)가 용접부 단면을 결정한다. 필릿용접의 목두께는 다리길이의 약 0.707배이며, 전단 저항 단면적은 유효길이에 목두께를 곱한 값이다. 설계도면에는 목두께가 아니라 다리길이(각장)를 지시한다.

표의 값은 개념을 나타낸다. 목두께는 다리길이의 0.707배로 쓰고, 유효길이는 설계 기준이 정한 보정식을 따른다.

용접 설계의 원리는 두 가지다. 첫째, 용접부는 목단면에서 파괴된다고 보고 목단면에 작용하는 응력으로 강도를 계산한다. 둘째, 국부 응력집중과 잔류응력은 강도 계산에서 고려하지 않는다. 이 가정 아래 용접군의 직접력과 모멘트에 의한 응력을 벡터로 합성한다.

탄성 용접군 해석은 다음 순서로 진행한다.

• 용접군의 도심을 구하고 편심거리를 정한다.
• 계수하중 P_u와 계수모멘트 M_u = P_u e를 산정한다.
• 용접군 총길이 L_w로 직접력 단위길이력 P_u/L_w를 구한다.
• 도심 기준 극관성모멘트 J_w로 모멘트 단위길이력 M_u r / J_w를 구한다.
• 두 성분을 방향에 맞게 벡터 합성하여 최외곽점의 최대 단위길이력 q_{max}를 구한다.
• 설계강도 \phi R_n을 단위길이당 값으로 바꿔 q_{max}와 비교하여 다리길이를 정한다.

직접력 성분과 모멘트 성분은 같은 점에서 방향이 다를 수 있으므로 산술합이 아니라 벡터합으로 더한다. 최외곽 모서리 점이 대개 지배점이 된다.

필릿용접의 설계강도는 다음과 같이 쓴다.

$\phi R_n = \phi (0.60 F_{uw})(0.707 a) L_w$

여기서 \phi는 용접재의 강도저항계수, F_{uw}는 용접재의 인장강도(MPa), a는 다리길이(mm), L_w는 유효길이(mm)이다. 용접재 강도 0.60F_{uw}는 전단 항복강도 기준의 공칭강도를 나타낸다.

용접부 설계강도는 모재강도와 용접재강도 중 작은 값으로 정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

필릿용접의 설계 기준은 국내에서 건축구조기준(KDS)의 강구조 설계기준을 따른다. 강구조 부재 설계기준(하중저항계수설계법)은 KDS 14 31 10 계열로 제정되어 있으며, 이 기준이 용접부 설계강도와 최소·최대 다리길이를 규정한다. 기준 이름과 번호 체계는 개정될 수 있으므로 현행 판을 기준으로 쓴다. 외국 기준(AISC 등)은 계수 체계가 다르므로 이 절에서는 개념 차이만 본다.

필릿용접 설계에서 자주 쓰는 기준값은 다음과 같다.

목두께 계수 0.707은 등변 직각 필릿용접의 기하학적 값이다. 최소 유효길이 4배 규정은 용접 열에 의한 모재 영향을 막기 위한 것이다. 모재의 인장강도와 용접재의 인장강도는 같은 등급 비교가 아니므로, 접합부 강도는 두 값 중 작은 쪽으로 판정한다.

모재강도는 용접재 강도와 별도로 검토한다. 모재 설계강도는 모재 단면적과 모재 공칭강도로 구하며, 용접재 강도가 모재보다 작으면 용접재가 지배한다. 개정 연혁은 설계기준의 판 번호와 시행 시기에 따라 기준값 표현이 바뀔 수 있다.

6. 유형과 비교

필릿용접은 접합 형태와 하중 방향에 따라 여러 유형으로 나뉘며, 설계에서는 하중이 용접선에 평행한지 직각인지, 직접력만 받는지 편심 모멘트를 함께 받는지에 따라 검토 방법이 달라진다. 유형별 검토 요점을 비교하면 답안에서 어떤 식을 써야 하는지 빠르게 정할 수 있다.