브래킷 용접부 안전성

왜 배우는가: 브래킷 이음부는 크레인 보의 수직 반력을 기둥으로 옮기는 자리라서 용접부 하나의 부족이 구조 전체의 안전을 해친다. 같은 유형의 문제가 여러 회차에 걸쳐 반복 출제되므로 설계 순서와 수치를 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제124회 2교시 5번, 제118회 2교시 1번, 제115회 2교시 3번, 제89회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

브래킷 용접부 안전성은 브래킷을 기둥·보에 잇는 필릿용접부가 계수하중을 설계강도 이상으로 견디는지 검토하는 일이다.

• 필릿용접: 두 강판이 직각이나 경사로 만나는 모서리에 놓는 삼각형 단면의 용접이다.
• 유효목두께: 용접 단면에서 실제로 힘을 받는 최소 두께이다.
• 유효길이: 용접 전체 길이에서 양 끝의 크레이터 부분을 뺀 길이이다.
• 설계강도: 공칭강도에 저항계수를 곱한 값이며 계수하중과 비교한다.
• 편심 모멘트: 하중 작용선과 용접군 도심의 거리 때문에 생기는 비틀림 효과이다.
• 용접재 인장강도: 용접재의 공칭 강도를 정하는 기준 재료값이다.
• 한계상태설계법: 강도 한계상태에서 저항계수와 하중계수로 안전성을 확인하는 방법이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 브래킷 용접부는 보의 힘이 기둥으로 빠져나가는 '목'이다. 목이 얇거나 짧으면 힘이 모이는 곳에서 먼저 끊어진다. 용접 크기와 길이를 정하는 일은 이 목의 크기를 정하는 일이다.

정식으로 말하면 필릿용접은 두 면이 이루는 모서리에 놓이는 삼각형 단면의 용접이다. 용접 다리 길이를 S라 하면 힘을 받는 실효 두께는 빗변 쪽 목 방향 두께이며, 직각 필릿에서는 그 값이 다리 길이의 0.7배이다. 필릿용접은 하중이 어느 방향이든 목 단면의 전단으로 파괴된다. 그래서 설계도 목 단면의 전단 저항으로 한다.

핵심 계산 식은 다음과 같다.

$a = 0.7S$

여기서 a는 유효목두께(mm), S는 다리 길이(mm)이다.

$l_e = L - 2S$

여기서 l_e는 유효길이(mm), L은 용접 총길이(mm)이다. 양 끝 2S를 빼는 이유는 끝단에서 용접이 완전하지 않기 때문이다.

$R_n = 0.6\,F_{uw}\,A_{we}, \quad A_{we} = a\,l_e$

여기서 R_n은 공칭강도(N), F_{uw}는 용접재 인장강도(N/mm²), A_{we}는 유효 목 단면적(mm²)이다. 설계강도는 \phi R_n이며 용접선에 평행한 전단에 대하여 용접재에는 φ=0.75를 적용한다. 설계 시 소요 유효길이는 l_e \ge P_u/(\phi \cdot 0.6 F_{uw} a)로 구한다.

필릿 용접은 크기가 작을수록 용접 열이 적어 변형이 작지만 강도 측면에서는 목이 얇아진다. 강도로 지배되는 필릿용접의 최소 유효길이는 필릿 사이즈의 4배 이상으로 둔다. 길이가 짧으면 응력이 한 점에 몰려 설계식이 성립하지 않는다.

편심하중이 작용하면 하중 작용선과 용접군 도심의 거리 e에 의해 비틀림 모멘트 M = P e가 생긴다. 이때 용접부에는 직접 전단과 비틀림 전단이 벡터로 합성된다. 브래킷 이음에서 편심 검토가 필수인 이유가 여기에 있다.

3. 등장 배경과 필요성

크레인 보는 주행하면서 바퀴 하중을 반복해서 받는다. 이 반복 하중이 브래킷과 용접부에 피로와 편심을 함께 준다. 중심축하중만 보고 설계하면 한쪽 용접부가 과하게 응력을 받는 상황을 놓친다.