모살용접 접합부

왜 배우는가: 모살용접 접합부는 거셋플레이트와 보·기둥을 현장에서 가장 많이 잇는 용접 방식이라 실무 설계와 시공 검토에서 빠지지 않는다. 시험에서는 하중의 작용 각도와 최소·최대 용접치수, 용접길이 산정이 계산 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제99회 4교시 1번, 제94회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

모살용접은 두 부재가 교차하는 면을 따라 삼각형 단면의 용접살을 덧붙여 응력을 전달하는 용접이다.

• 모살용접(Fillet Weld)
• 목두께(Throat Thickness)
• 다리길이(Leg Size)
• 유효길이(Effective Length)
• 최소 치수와 최대 치수
• 간헐 모살용접(Intermittent Fillet Weld)
• 용접기호(Welding Symbol)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 두 판을 T자나 겹침 형태로 붙일 때 모서리를 따라 삼각형 모양으로 쌓아 올린 용접이다. 모재에 홈을 파지 않고 바로 용접할 수 있어 가공이 간단하다.

정식 정의는 다음과 같다. 모살용접은 형강 또는 판의 겹침이음, T형 이음, 각이음 등에서 부재의 교차선을 따라 용접살을 덧붙여 용접하는 방법이다. 응력은 용착금속을 통해 전달되므로 용접살의 목두께 관리가 핵심이다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 목두께: 용접 단면에서 루트부로부터 용접 표면까지 가장 짧은 거리이다. 직각 모살에서는 다리길이의 약 0.7배가 된다.
• 다리길이: 루트부에서 비드 지단까지의 최소 길이이다. 외관에서 확인하는 치수다.
• 유효길이: 실제로 하중을 받는 용접 길이로, 모살의 끝부분 결함을 빼고 계산한다.

모살용접에서 가장 자주 쓰는 식은 다음과 같다.

$a = 0.7\,s$

여기서 a는 유효목두께(mm), s는 다리길이(mm)다. 직각 이등변 모살 기준이다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조 접합은 리벳에서 고력볼트와 용접으로 옮겨 왔다. 용접은 볼트 구멍에 의한 단면 손실이 없고, 재료 사용량을 줄이며, 접합부를 간결하게 만든다. 그중 모살용접은 홈 가공이 필요 없어 가장 널리 쓰인다.

다만 모살용접은 용입이 얕고 응력 집중이 생기기 쉽다. 그래서 설계기준은 최소 다리길이를 얇은 쪽 모재 두께에 따라 제한하고, 과대 치수를 막기 위해 최대 다리길이도 정한다. 간헐 모살은 용접량을 줄이고 변형을 억제하기 위해 쓰인다. 이런 제한이 있어 설계자는 치수 범위를 정확히 계산해야 한다.

용접 품질도 설계에 영향을 준다. 용접 전에는 녹, 기름, 수분을 제거해야 하고, 저온에서는 용접을 피해야 한다. 이런 시공 조건이 용접치수 산정과 함께 검토된다.

4. 구성요소·원리·절차

모살용접(Fillet Weld)은 두 모재가 직각 또는 겹침으로 만날 때 교차선을 따라 용착금속을 덧붙여 응력을 전달하는 용접이다. 개선 가공 없이 시공할 수 있어 거셋 플레이트와 보·기둥의 접합에 가장 많이 쓴다. 응력은 용착금속의 유효목두께를 통해 전달되므로 치수 관리가 설계의 핵심이다.

직각 모살용접의 유효목두께는 다리 길이의 약 0.7배다. 45˚ 방향으로 작용하는 하중은 수직·수평 성분으로 나누어 용접선에 작용하는 응력을 구한다. 이때 용접선 방향 응력 성분을 유효면적에 대해 검토한다.

모살용접의 강도는 모재강도와 용접재강도 중 작은 값으로 정한다

다음은 설계 절차다.

• 접합부에 작용하는 고정하중과 활하중을 구하고 극한하중 조합을 만든다.
• 하중의 방향(각도)에 따라 용접선에 작용하는 단위 길이당 힘을 구한다.
• 모재 두께와 KBC 기준의 최소 다리 길이를 비교해 용접치수 하한을 정한다.
• 용접재의 공칭강도에 저항계수를 곱해 유효목두께당 설계강도를 구한다.
• 필요 유효길이를 계산하고 양 끝 결함 공제, 최소·최대 길이 제한을 적용한다.
• 용접기호로 치수와 길이를 표기한다.

도식 1개(절차 흐름):

5. 관련 법령·기준·표준

모살용접 설계는 건축구조기준(KBC 2009)의 강구조 규정과 강구조 설계기준(KDS 14 계열), 용접 시공은 강구조공사 표준시방서의 용접 장을 따른다. 이 절의 수치는 설계기준에서 널리 쓰는 값이며 적용 조건을 함께 적는다.

강재 SM490의 항복강도는 325MPa로 본 문항 조건을 따른다. 용접 재료는 모재 강도와 맞는 등급을 쓰며, 설계강도는 두 강도 중 작은 값으로 정한다.

개정 연혁으로는 KBC 2009 이후 건축구조기준이 KDS 체계로 옮겨 가 현행 설계는 KDS 강구조 설계기준을 함께 확인해야 한다. 기준 이름은 현행으로 쓰고 옛 명칭은 '구 KBC 2009' 로 한 번만 덧붙인다.

이 절의 강조와 수치는 시험에서 치수 하한, 유효목두께, 현장 용접 감소계수 세 가지가 주로 묻힌다는 점을 기억한다.

6. 유형과 비교

모살용접은 용접 방법과 접합 형상에 따라 나뉜다. 가장 기본이 되는 구분은 용접 길이를 연속으로 주느냐 간헐적으로 주느냐이며, 이에 따라 연속 모살과 간헐 모살로 나눈다. 두 번째 구분은 하중 방향에 대한 용접선의 방향으로, 전면 모살과 측면 모살을 기준으로 한다. 답안에는 두 기준을 함께 제시하면 된다.

위 표는 모살용접의 유형을 정리한 것이다. 연속 모살은 강도가 확실하지만 수축 변형이 크므로 구조적 여유가 있을 때 쓴다. 간헐 모살은 용접량을 줄이는 대신 유효 길이 규정을 함께 확인해야 한다.