필릿용접·마찰접합

왜 배우는가: 필릿용접과 고장력볼트 마찰접합은 강구조 접합부 설계에서 가장 기본이 되는 두 접합 방식이다. 실무에서는 접합부의 강도와 안전성을 검토할 때 필수적으로 확인하며, 시험에서도 용접 사이즈 제한과 미끄럼강도 계산이 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제129회 2교시 1번, 제113회 2교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

필릿용접은 두 모재가 직각 또는 경사로 만날 때 삼각형 단면으로 채우는 용접이고, 마찰접합은 고장력볼트의 죔력으로 생긴 마찰력으로 부재 사이의 힘을 전달하는 접합이다.

• 필릿사이즈
• 유효목두께
• 용접유효길이
• 설계미끄럼강도
• 미끄럼계수
• 필러계수

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 필릿용접은 모서리에 삼각형 모양으로 용접 금속을 붙이는 방법이다. 두 판이 T자나 겹침 형태로 만날 때 주로 쓴다. 용접 단면의 가장 짧은 높이가 실제 힘을 받는 두께가 되므로 설계에서는 이 값을 기준으로 강도를 계산한다.

정식 정의로 보면, 필릿용접은 접합면이 대략 직각으로 만나는 부분에 용착 금속을 삼각형 단면으로 채운 용접이다. 용접선 방향에 평행한 전단을 받는 것으로 보고 강도를 검토한다. 필릿용접의 유효 면적은 용접유효길이에 유효목두께를 곱한 값이다. 용접유효길이는 필릿용접의 총길이에서 필릿사이즈의 2배를 뺀 값이다. 유효목두께는 필릿사이즈의 0.7배다.

마찰접합은 고장력볼트를 설계볼트장력으로 강하게 조여 접합면에 마찰력을 만들고, 이 마찰력으로 하중을 전달하는 방식이다. 볼트 자체의 전단이나 지압으로 힘을 받는 지압접합과 구분된다. 마찰접합에서는 미끄러짐이 일어나지 않도록 설계미끄럼강도를 검토한다.

미끄럼계수는 접합면의 마찰 상태를 나타내는 값이다. 페인트를 칠하지 않은 블라스트 청소 마찰면은 0.5를 쓴다. 필러계수는 접합부 사이에 필러(충전재)가 들어간 정도를 반영하는 값이다. 필러를 사용하지 않은 경우(또는 필러내 하중 분산을 위해 볼트를 추가한 경우)와 재료 사이에 한 개의 필러가 있는 경우에는 1.0을, 볼트를 추가하지 않고 두 개 이상의 필러가 있는 경우에는 0.85를 쓴다.

필릿용접과 마찰접합은 모두 접합부의 힘 전달 방식을 정하는 기본 요소다. 용접은 용접부 자체의 강도로, 마찰접합은 접합면의 마찰 저항으로 힘을 전달한다는 점에서 원리가 다르다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조 접합은 부재를 연결해 골조 전체가 하중을 받도록 만드는 핵심 요소다. 초기에는 리벳이 많이 쓰였으나, 용접 기술이 발전하면서 필릿용접이 간단하고 경제적인 접합 방법으로 자리 잡았다. 고장력볼트는 볼트를 강하게 조여 마찰로 힘을 전달하므로, 볼트 구멍의 응력 집중과 볼트 전단 파괴를 줄이는 장점이 있다.

그러나 용접은 열 영향으로 잔류응력과 변형이 생길 수 있고, 용접 품질이 현장 상태에 크게 좌우된다. 마찰접합은 시공 시 볼트 장력 관리가 중요하며, 접합면의 마찰 상태와 필러 사용 여부에 따라 강도가 달라진다. 이런 특성 때문에 설계기준은 사이즈 제한, 유효길이, 미끄럼계수, 필러계수 같은 기준을 두어 접합부의 안전성을 확보하도록 규정한다.

국내 강구조 설계는 건축물 강구조 설계기준(KDS 41 30 10)을 기준으로 필릿용접과 마찰접합을 검토한다. 설계자는 두 방식의 강도를 각각 구하고, 작은 값으로 접합부 강도를 정한다. 이 과정이 강구조 접합부 설계의 기본 흐름이다.

4. 구성요소·원리·절차

필릿용접은 두 모재가 직각 또는 경사로 만나는 모서리에 삼각형 단면으로 채우는 용접이다. 그림의 필릿 사이즈 s는 루트에서 용접 표면까지의 다리 길이이고, 실제 강도는 목 방향 단면인 유효목두께에서 나온다. 설계에서는 필릿 사이즈, 유효목두께, 용접유효길이, 용접재 강도를 차례로 구한다.

필릿용접의 설계 원리는 전단 저항 면적에 용접재 강도를 곱하는 것이다. 용접선에 평행한 전단에 대해 저항계수는 0.75를 쓰고, 용접 단면적은 유효목두께와 유효길이의 곱이다. 용접부 설계강도는 모재강도와 용접재강도 중 작은 값으로 정하며, 이 문항은 용접재강도가 지배한다.

$\phi R_n = 0.75 \times 0.6 F_{uw} \times A_w, \quad A_w = 0.7s \times l_e$

여기서 \phi R_n은 용접부 설계강도(N), F_{uw}는 용접재 인장강도(N/mm²), A_w는 용접 유효면적(mm²), s는 필릿 사이즈(mm), l_e는 용접유효길이(mm)이다.

필릿용접 검토 절차는 다음과 같다.

• 소요 하중 P_u와 필릿 사이즈 s를 가정한다.
• 얇은 쪽 판두께로 최소·최대 사이즈 범위를 확인한다.
• 유효목두께 0.7s와 용접유효길이 l_e = L - 2s를 구한다.
• 용접재강도로 설계강도 \phi R_n을 계산한다.
• \phi R_n \ge P_u이면 적합하고, 아니면 s 또는 길이를 키워 다시 계산한다.
• 강도 지배 필릿용접은 유효길이가 필릿 사이즈의 4배 이상인지 확인한다.

필릿용접 강도는 유효목두께 0.7s와 유효길이 l_e의 곱으로 구한다

마찰접합 고장력볼트는 볼트 축력이 접합 판 사이에 압축력을 만들고, 그 마찰로 하중을 전달한다. 설계는 하중이 마찰력을 넘어 미끄러지지 않는 상태, 즉 설계미끄럼강도로 검토한다. 구성 인자는 미끄럼계수, 필러계수, 설계볼트장력, 전단면 수이다.

$R_s = \mu \, h_f \, T_o \, N_s$

여기서 R_s는 설계미끄럼강도(kN), \mu는 미끄럼계수, h_f는 필러계수, T_o는 설계볼트장력(kN), N_s는 전단면 수이다. 인장력을 함께 받아 볼트 장력이 줄면 R_s에 \left(1 - \dfrac{T_u}{N_b T_o}\right)를 곱해 강도를 낮춘다. 여기서 N_b는 인장을 받는 볼트 수, T_u는 소요 인장강도(kN)이다.

마찰접합 검토 절차는 다음과 같다.

• 볼트 호칭과 강도 등급(F10T)으로 설계볼트장력 T_o를 정한다.
• 마찰면 상태로 미끄럼계수 \mu를 정한다.
• 필러 사용 여부로 필러계수 h_f를 정한다.
• 전단면 수 N_s를 세고 R_s를 계산한다.
• 인장이 동반되면 장력 감소 계수를 곱한다.
• 소요 전단력과 비교해 안전성을 판정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

필릿용접과 마찰접합의 설계 기준은 「건축물 강구조 설계기준」(KDS 41 30 10)이다. 이 기준은 강재 접합부의 용접, 고장력볼트 접합 조항을 함께 다룬다. 용접 세부 치수는 판두께에 따라 정해지며, 아래 표의 값을 설계 검토에 사용한다.

표의 최대 사이즈는 모재 가장자리에 용접할 때 적용하는 값이다. 최소 사이즈는 판두께가 두꺼울수록 커지며, 용접부의 급랭 균열을 막기 위한 조건이다. 미끄럼계수와 필러계수는 마찰면 상태와 필러 배치에 따라 달라진다.

설계볼트장력 T_o는 볼트 호칭과 강도 등급에 따라 정해지며, 문항에서는 주어진 값을 쓴다. 이 값은 설계미끄럼강도의 가장 큰 인자이므로 계산 전에 단위와 함께 확인한다.