강구조 접합방법(볼트·용접·마찰)

핵심 정리

강구조 접합은 부재와 부재를 이어 힘이 한쪽에서 다른 쪽으로 전달되게 하는 작업이다. 크게 볼트 접합, 용접 접합, 고력볼트 마찰접합으로 나뉘며, 세 방식은 힘을 옮기는 원리가 서로 다르다. 볼트 접합은 볼트 축의 전단과 구멍 주위 피접합재의 지압으로 힘을 옮기고, 용접 접합은 모재를 녹이거나 압력을 가해 한 몸으로 만들며, 고력볼트 마찰접합은 강하게 조인 볼트가 접합면에 만드는 마찰력으로 힘을 옮긴다. 시험에서는 이 원리 차이를 먼저 잡아야 용어와 파괴 형식, 시공 방법을 섞지 않게 된다.

볼트 접합은 사용 범위와 배치, 파괴 형식이라는 기준으로 정리된다. 볼트를 어디에 어떤 간격으로 배치하는지가 힘 전달의 틀을 정하고, 파괴 형식은 볼트 자체가 끊어지는 경우와 피접합재가 상하는 경우로 나뉜다. 가체결용으로 쓰는 볼트와 설계에 따라 힘을 받는 접합을 구별하는 것도 이 단계의 기본이다.

고력볼트 마찰접합의 핵심은 장력이다. 고력볼트 마찰접합은 볼트의 조임력으로 접합면에 생기는 마찰력을 이용해 힘을 전달한다. 따라서 장력을 어떤 방법으로 도입하고 확인하는지가 시공 문제의 중심이 된다. 같은 고력볼트라도 구멍 벽을 눌러 힘을 받는 지압접합과는 원리가 달라서, 두 접합을 같은 방식으로 판단하면 틀리기 쉽다.

용접 접합은 볼트처럼 구멍을 뚫지 않으므로 그 자리에서 단면이 줄지 않는다는 장점이 있다. 대신 형식과 결함을 함께 알아야 하는데, 형식은 접합 모양에 따라 나뉘고 결함은 용접부가 어떤 모양으로 남았는지에 따라 이름이 붙는다. 이름이 비슷한 용어가 많아 구분 연습이 필요하다.

이름에 마찰이 들어가는 마찰용접과 마찰 교반 용접은 고체 상태에서 이루어지는 접합이며, 모재를 녹이지 않는다는 점이 공통이다. 고력볼트 마찰접합과는 원리가 다르므로 이름이 같다는 이유로 한 덩어리로 묶으면 안 된다. 요약하면 볼트는 사용 범위와 파괴 형식을, 고력볼트는 장력 도입 방법과 지압접합과의 차이를, 용접은 형식과 결함 이름을 구별하는 것이 기본이다. 이 세 축을 흔들지 않으면 개별 선지의 참과 거짓을 가르기 쉽다.

자세히

볼트의 사용 범위와 배치

일반볼트는 영구적인 구조물에는 사용하지 못하고 가체결용으로만 사용한다. 가체결은 부재를 임시로 맞춰 고정해 두는 단계이고, 영구 접합은 설계된 고장력볼트나 용접이 맡는다. 일반볼트를 영구 접합의 주된 수단으로 쓸 수 있다는 선지는 이 경계를 뒤집은 것이다. 이 구분은 선지의 주어만 바꿔도 답이 뒤집히므로, 주어가 가체결인지 영구 접합인지를 먼저 확인한다.

접합부 설계강도에 대한 기준은 별도로 확인한다. 접합부 설계강도는 45kN 이상이어야 한다. 다만 연결재, 새그로드, 띠장은 제외한다. 이 기준은 접합부 자체의 강도 조건으로 읽어야 하므로, 예외로 든 연결재, 새그로드, 띠장이 여기서 빠진다는 점을 함께 외운다. 예외 부재에 45kN 기준을 그대로 대입하면 선지가 틀린다.

배치를 보면 게이지 라인이 기준선이 된다. 응력 방향과 나란하게 게이지 라인은 볼트 중심선을 연결한 선으로, 응력 방향과 나란하게 배치된다. 볼트끼리의 간격과 부재 가장자리까지의 거리를 나누어 외우면 편하다. 측면 방향의 가장자리 볼트 중심에서 측면 끝까지의 거리를 측단 거리라 하고, 길이 방향의 최외단 볼트 중심에서 부재 끝까지의 거리를 연단 거리라 한다. 두 거리는 볼트끼리의 간격과 구별해야 한다.

배치 방식은 정렬 배치와 엇모배치를 비교해 본다. 엇모배치는 구조적으로 우수하다고 설명되지만, 일반적으로는 정렬 배치를 많이 쓴다. 실무에서 많이 쓰는 배치와 구조적으로 나은 배치는 서로 다른 기준이므로 섞지 않아야 한다.

볼트의 파괴 형식과 검토

볼트 접합의 대표적인 파괴 형식은 인장파괴다. 볼트 축 단면이 인장력에 끊어지는 인장파괴는 대표적인 파괴 형식이다. 한편 피접합재의 구멍 주변이 볼트에 눌려 파괴되는 지압파괴가 발생한다. 두 파괴는 어느 부재가 먼저 상하는지로 구분된다. 인장파괴는 볼트가, 지압파괴는 피접합재가 먼저 손상되는 형태라고 이해하면 기억하기 쉽다.

볼트가 전단력에 끊어지는 전단파괴는 1면 전단과 2면 전단으로 나뉜다. 전단면이 한 곳이면 1면 전단이고 두 곳이면 2면 전단이라는 뜻이다. 지레작용은 접합된 부재가 지렛대처럼 변형하면서 볼트에 추가 인장력이 생기는 현상이다. 지레작용은 파괴의 이름이라기보다 볼트가 받는 인장력이 늘어나는 원인으로 이해한다.