용접·볼트 병용이음

왜 배우는가: 용접과 고장력볼트를 같은 이음부에 함께 쓰면 두 수단의 강성과 하중 전달 방식이 달라 설계와 시공에서 판단 실수가 생기기 쉽다. 기존 구조물 보강이나 현장 조건 때문에 실무에서 자주 만나는 상황이며, 시험에서는 하중 분담 원칙과 시공 순서를 묻는 형태로 반복 출제된다.

출제 이력: 제121회 1교시 8번, 제111회 1교시 2번, 제101회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 용접·볼트 병용이음은 한 접합부에 용접과 고장력볼트를 함께 써서 응력을 전달하는 이음이다.

• 용접이음
• 고장력볼트 마찰접합
• 고장력볼트 지압접합
• 하중 분담
• 강성 차이
• 볼트 장력 감소
• 시공 순서

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 용접은 부재를 녹여 한 덩어리로 잇고, 고장력볼트는 조여서 부재 사이의 마찰력이나 볼트 축의 지압으로 힘을 넘긴다. 두 방식을 한 곳에 같이 쓰면 힘이 어느 쪽으로 먼저, 얼마나 흐르는지를 정해야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 병용이음은 같은 이음 개소에 용접과 고장력볼트를 함께 배치하여 소요강도를 두 수단이 나누어 전달하도록 설계하고 시공하는 접합이다.

핵심 용어는 세 가지로 정리한다. 마찰접합은 볼트 장력으로 부재 사이에 압축력을 주고 그 마찰력으로 힘을 전달하는 방식이다. 미끄럼이 일어나지 않아야 하므로 미끄럼 한계상태로 검토한다. 지압접합은 볼트 축이 구멍 벽에 접촉하며 힘을 전달하는 방식이다. 미끄럼을 허용하므로 마찰접합과 강도 검토 기준이 다르다. 강성은 같은 힘이 작용할 때 변형이 얼마나 작은지를 나타내는 값이다.

병용의 핵심 문제는 강성 차이다. 용접부는 변형이 작아 힘을 먼저 받는 경향이 있다. 반면 마찰접합 볼트는 미끄럼이 일어나기 전까지는 힘을 나눠 받지만, 미끄럼이 일어난 뒤에는 강성이 급격히 떨어진다. 그래서 두 수단이 처음부터 같은 비율로 힘을 나눈다고 가정하기 어렵다. 이 점이 설계기준이 병용을 제한하거나 하중 분담 방식을 따로 정하는 이유다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조 접합은 리벳에서 고장력볼트로, 다시 공장과 현장의 용접으로 발전해 왔다. 현장에서는 볼트 시공이 편하고 공장에서는 용접 품질을 확보하기 쉬워 두 방식을 조합하는 경우가 많다. 특히 기존 리벳이나 볼트 이음을 보강하거나, 증설 부재를 기존 부재에 잇는 경우에 한 이음부에서 두 수단을 함께 쓰게 된다.

병용이 필요한 장면은 세 가지로 정리된다. 첫째, 기존 볼트 이음에 보강 용접을 덧대는 경우다. 둘째, 현장 여건상 한쪽 방식만으로는 시공이 어려운 경우다. 셋째, 부재의 응력 흐름을 맞추려고 두 수단을 나눠 배치하는 경우다. 세 경우 모두 설계자는 어느 수단이 얼마를 맡는지 명확히 해야 한다.

병용의 어려움은 시공 순서에서 드러난다. 용접 입열은 인접한 고장력볼트의 장력을 떨어뜨릴 수 있다. 또 용접 수축으로 구멍 위치가 어긋나 볼트를 끼우기 어려워질 수 있다. 따라서 용접과 볼트의 시공 순서는 적용 기준과 시방서에 따라 정하고, 용접 열에 따른 볼트 장력 저하를 고려해야 한다. 이 순서 문제는 1교시 용어 문항과 2~4교시 논술 문항 모두에서 감점 요인이 된다.