강구조 혼용·병용접합

왜 배우는가: 병용접합은 실제 강구조 현장에서 용접과 볼트가 한 접합부에 함께 쓰이는 경우가 많아, 두 수단이 하중을 어떻게 나눠 받는지 알아야 설계와 시공이 맞는다. 내진 설계에서는 접합부 파괴 순서와 연성 확보가 걸려 있어 시험에서 반복해서 묻는다.

출제 이력: 제115회 1교시 7번, 제113회 1교시 6번, 제110회 2교시 5번, 제102회 1교시 3번, 제96회 1교시 10번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

병용접합은 한 접합부에 용접과 볼트를 함께 사용하되, 각 접합 수단이 맡는 응력 성분과 하중 분담 순서를 기준에 맞게 제한하는 접합 방식이다.

• 병용접합
• 혼용접합
• 고장력볼트
• 마찰접합
• 지압접합
• 용접
• 하중분담
• 응력 성분 분담 제한

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 한 접합부에 서로 다른 접합 수단을 같이 쓰는 것이다. 예를 들어 보와 기둥 사이를 고장력볼트로 조이고, 같은 자리에 필릿용접을 더하는 경우가 여기에 해당한다.

정식 정의는 다음과 같다. 병용접합은 서로 다른 접합 수단(용접과 볼트 등)을 하나의 접합부에 함께 사용하여 응력을 전달하는 접합이다. 혼용접합은 같은 접합부에 서로 다른 종류의 볼트, 즉 일반볼트와 고장력볼트를 섞어 쓰는 접합이다. 두 용어는 혼동하기 쉬우므로 답안에서는 수단의 종류가 다른지, 볼트의 종류가 다른지로 구분해 쓴다.

볼트 접합은 전달 원리에 따라 두 가지로 나뉜다. 지압접합은 볼트의 전단저항과 볼트 구멍 면의 지압저항으로 응력을 전달한다. 볼트 구멍과 축 사이에 틈이 있어 하중이 커지면 미끄러짐이 생기고 변형이 커진다. 마찰접합은 고장력볼트를 강하게 조여 피접합재 사이에 마찰력을 만들고, 그 마찰력으로 응력을 전달한다. 응력 흐름이 원활하고 접합부 강성이 높으며 응력집중이 적다.

용접 접합은 짧은 시간에 국부적으로 가열하여 강재를 용융 상태로 이어 붙이는 방식이다. 응력 전달이 확실하고 강재를 절약하지만, 접합부 검사가 어렵고 열에 의한 모재 변형이 생긴다. 이 점이 볼트와 함께 쓸 때 하중 분담을 제한하는 근거가 된다.

볼트와 용접을 한 접합부에서 같은 응력 성분에 대해 함께 설계하면, 두 수단의 강성과 항복 거동이 달라 한쪽이 먼저 부담을 떠맡는다. 그 결과 나머지 수단은 설계 가정과 다르게 거동한다. 그래서 기준은 병용을 허용하되 응력 분담 방식과 시공 순서를 제한한다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조 접합은 리벳에서 볼트로, 다시 고장력볼트와 용접으로 발전해 왔다. 리벳은 가열과 타격이 필요해 시공이 번거로웠고, 일반볼트는 조임만으로 쓸 수 있지만 지압 거동 때문에 미끄러짐이 생겼다. 고장력볼트는 높은 조임력으로 마찰접합을 가능하게 했고, 현장에서 용접과 함께 쓰는 빈도가 늘었다.

병용이 필요한 상황은 대체로 세 가지다. 첫째, 현장 여건상 한쪽 수단만으로는 시공이 어렵거나 검사가 곤란한 부위가 있을 때다. 둘째, 기존 구조물의 보강이나 증축에서 기존 볼트 접합에 용접을 더해야 할 때다. 셋째, 한 접합부에 큰 전단과 인장이 함께 작용하여 수단을 나눠 쓸 때다.

문제는 두 수단의 거동 차이다. 용접은 항복 전까지 강성이 크고 취성 파괴의 위험이 있다. 볼트는 미끄러짐이나 지압 변형으로 연성을 준다. 두 수단을 같은 응력 성분에 함께 물리면 한쪽이 먼저 파괴되고 다른 쪽은 하중을 받지 못하는 상황이 생길 수 있다. 특히 지진 하중처럼 반복되는 하중에서는 이 불균형이 접합부 손상을 키운다.