강구조
모살용접 설계 — 사이즈를 키우는 것보다 길게 하는 게 낫습니다
용접 강도가 부족하면 대개 사이즈를 키웁니다. 6mm를 8mm로, 8mm를 10mm로.
계산상 강도는 올라갑니다. 그런데 용접량은 훨씬 더 올라갑니다. 강도는 사이즈에 비례하는데 용접 금속량은 사이즈의 제곱에 비례하기 때문입니다.
강도를 정하는 것은 사이즈가 아니라 목두께입니다
┌──────
│╲
│ ╲ ← a (유효목두께)
S │ ╲
│ ╲
└────╲──────
S
a = S × cos45° = 0.707 S ≈ 0.7 S모살용접은 직각 삼각형입니다. 두 변의 길이가 사이즈(각장) S이고, 파괴가 일어나는 최단 경로가 빗변 방향의 목두께 a입니다.
계산에 들어가는 것은 a이지 S가 아닙니다. S = 8이면 a = 5.6입니다. 이걸 8로 넣으면 43% 과대평가입니다.
Rn = 0.6 × Fuw × a × Le φ = 0.75
Fuw : 용접재 인장강도 (연강용 490 N/mm² 급)
Le : 유효길이0.6은 전단강도를 인장강도의 60%로 보는 계수입니다. 모살용접은 하중 방향과 무관하게 목단면의 전단으로 파괴된다고 봅니다.
설계 예제
브래킷 접합, Pu = 300 kN
모살용접 S = 8 mm, 양면 용접
용접재 490 N/mm² 급a = 0.7 × 8 = 5.6 mm
단위길이당 설계강도
= 0.75 × 0.6 × 490 × 5.6
= 220.5 × 5.6
= 1,234.8 N/mm
소요 유효길이
Le = 300,000 / 1,234.8 = 243.0 mm양면이므로 한 줄당 유효길이는 121.5 mm입니다. 여기에 시단·종단 처리분을 더합니다.
실제 용접 길이 = 121.5 + 2 × 8 = 137.5 → 140 mm시단과 종단은 아크가 안정되지 않아 목두께가 확보되지 않습니다. 그래서 각각 사이즈만큼 빼고 계산합니다. 엔드탭을 쓰면 전 길이를 유효로 볼 수 있습니다.
사이즈와 길이 — 어느 쪽을 늘려야 하나
강도 ∝ a × L = 0.7 S × L (S에 1차 비례)
용접량 ∝ (S²/2) × L (S에 2차 비례)| S | a | 단위길이 강도 | 단면적 S²/2 | 강도 / 금속량 |
|---|---|---|---|---|
| 6 mm | 4.2 | 926 N/mm | 18 mm² | 51.4 |
| 8 mm | 5.6 | 1,235 N/mm | 32 mm² | 38.6 |
| 10 mm | 7.0 | 1,544 N/mm | 50 mm² | 30.9 |
| 12 mm | 8.4 | 1,852 N/mm | 72 mm² | 25.7 |
S를 6에서 12로 두 배 키우면 강도는 두 배가 되지만 효율은 절반이 됩니다.
사이즈 2배 → 강도 2배, 용접량 4배 (효율 ½)
길이 2배 → 강도 2배, 용접량 2배 (효율 유지)길이를 늘릴 수 있으면 길이를 늘리는 것이 항상 유리합니다. 용접량은 재료비만이 아니라 시공 시간과 입열량에 직결됩니다. 입열이 많으면 열영향부가 넓어지고 변형과 잔류응력이 커집니다.
큰 사이즈는 여러 번 돌려야 하는 다층 용접이 되어 시간이 더 걸립니다. 대략 한 번에 놓을 수 있는 한계가 8mm 전후입니다.
사이즈 한계
최소 사이즈 — 접합부의 두꺼운 판 두께 기준
t ≤ 6 S ≥ 3 mm
6 < t ≤ 13 S ≥ 5 mm
13 < t ≤ 19 S ≥ 6 mm
t > 19 S ≥ 8 mm최소 사이즈가 있는 이유는 강도가 아니라 급냉 때문입니다. 두꺼운 모재에 작은 용접을 놓으면 열이 모재로 빨리 빠져나가 용접부가 급냉되고, 경화와 균열이 생깁니다.
최대 사이즈 — 접합되는 판의 연단에서
t < 6 S = t
t ≥ 6 S = t − 2 mm판 끝에서 사이즈가 판 두께와 같으면 모재 모서리가 녹아내립니다. 2mm 여유가 그 몫입니다.
용접 도심과 하중선 — 불균등 용접
ㄱ형강처럼 도심이 한쪽으로 치우친 부재를 거셋플레이트에 용접할 때 생기는 문제입니다.
← Pt (토우 쪽)
┌─────────────────────
│ ┌──┐
75 │ │ │ ㄱ형강
│ │ │ ● 도심 (백에서 20.9)
└──┴──┴─────────────
← Ph (힐 쪽)용접을 위아래 같은 길이로 놓으면 용접의 합력 작용선이 다리 중앙(37.5)에 옵니다. 그런데 부재의 도심은 20.9에 있습니다. 두 선이 어긋나면 편심 모멘트가 생깁니다.
L-75×75×6, 도심 거리 Cx = 20.9 mm
힐 기준 모멘트 평형
Pt × 75 = P × 20.9 → Pt = 0.279 P
Ph = P − Pt → Ph = 0.721 P| 위치 | 분담 |
|---|---|
| 힐(heel) 쪽 | 72% |
| 토우(toe) 쪽 | 28% |
용접 길이를 이 비율로 나누는 것이 불균등 용접입니다. 같은 길이로 놓으면 편심 모멘트가 그대로 남습니다.
실무에서는 정적 하중을 받는 일반 부재에서 이 편심을 무시하기도 합니다. 다만 반복하중이나 피로가 문제되는 부위에서는 반드시 맞춥니다.
용접기호 읽는 법
┌── 기선 위 = 화살표 반대쪽
│
─────┼───────── 기선
│╲
│ ╲ ── 기선 아래 = 화살표 쪽
↘
화살표 z8 ╲ 140
────────╲─────────
╲
z8 : 각장 8 mm (a로 표기하면 목두께)
╲ : 모살용접
140 : 용접 길이z는 각장(사이즈), a는 목두께입니다. 도면에 a5라고 적혀 있으면 목두께 5mm를 요구하는 것이고, 사이즈로는 약 7mm입니다. 두 표기를 혼동하면 30% 차이가 납니다.
현장용접은 기선과 화살표가 만나는 지점에 깃발 기호가 붙습니다. 전둘레 용접은 원 기호입니다.
실무에서 자주 틀리는 지점
사이즈를 목두께로 넣는 경우
S = 8을 그대로 넣으면 a = 5.6 대비 43% 과대평가입니다. 가장 흔하고 가장 위험한 실수입니다.
유효길이에서 시종단을 공제하지 않는 경우
앞의 예제에서 140mm 중 16mm가 공제 대상입니다. 짧은 용접일수록 비중이 큽니다. 50mm 용접에 S = 8이면 32%가 날아갑니다.
최소 사이즈를 무시하는 경우
두꺼운 판에 작은 용접을 놓으면 급냉 균열이 생깁니다. 계산상 강도가 남더라도 최소 사이즈는 지켜야 합니다.
연단에서 최대 사이즈를 초과하는 경우
모서리가 녹아 언더컷이 생기고, 그 부분이 응력 집중점이 됩니다. 피로하중을 받는 부위에서 균열 시작점이 됩니다.
강종에 맞지 않는 용접재를 쓰는 경우
SM355에 연강용 용접재를 쓰면 용접부가 모재보다 약해집니다. 반대로 지나치게 강한 용접재는 연성이 떨어져 균열에 취약합니다. 강종별 적합 용접재는 강재 SS275·SM355 차이에서 다룬 강종 구분과 함께 확인하세요.
용접과 볼트로 하중을 분담시키는 경우
강성이 달라 용접이 먼저 대부분을 받습니다. 병용이 필요하면 한쪽이 전체를 받도록 설계합니다. 고장력볼트 접합에서도 같은 이야기를 했습니다.
검사 계획을 세우지 않는 경우
모살용접은 육안검사와 자분탐상이 주가 되고, 완전용입 홈용접은 초음파나 방사선 검사가 필요합니다. 검사 방법과 비율을 도면이나 시방서에 명시해야 합니다.
자주 묻는 질문
홈용접과 모살용접 중 뭘 쓰나요?
완전용입 홈용접은 모재와 동등한 강도를 내므로 별도 강도 검토가 거의 필요 없습니다. 대신 개선 가공이 필요하고 비용과 시간이 많이 듭니다. 모살용접은 가공 없이 놓을 수 있어 경제적이고, 대부분의 접합에서 표준입니다. 큰 힘을 전달하거나 피로가 지배하는 부위에서 홈용접을 씁니다.
왜 하필 0.7인가요?
45° 모살의 빗변까지 최단거리가 S × cos45° = 0.707S이기 때문입니다. 다리 길이가 다른 부등변 모살이면 실제 형상에서 최단거리를 구해야 하므로 0.7이 아닙니다.
하중 방향에 따라 강도가 달라지지 않나요?
실제로는 하중이 용접선과 직각일 때 더 강합니다. 다만 설계식에서는 방향과 무관하게 목단면 전단으로 보는 것이 일반적입니다. 안전측이고 계산이 단순합니다. 기준에 따라 방향을 반영하는 증가계수를 허용하기도 합니다.
현장용접과 공장용접의 차이가 큰가요?
품질 관리 조건이 다릅니다. 공장은 자세와 환경을 제어할 수 있지만 현장은 위보기·수직 자세가 생기고 날씨 영향을 받습니다. 설계 단계에서 현장용접을 줄이고 볼트 접합으로 넘기는 것이 일반적인 방향입니다.
용접 변형은 어떻게 줄이나요?
입열을 줄이는 것이 기본입니다. 과대한 사이즈를 피하고, 대칭으로 배치하고, 순서를 조절합니다. 앞에서 본 대로 사이즈를 키우는 것보다 길이를 늘리는 편이 입열 측면에서도 유리합니다.
단속용접(스티치)은 언제 쓰나요?
강도가 충분하고 기밀·수밀이 필요 없는 부위에서 용접량을 줄이려고 씁니다. 다만 단속 구간이 응력 집중점이 되므로 피로하중을 받는 부위나 부식 환경에서는 피합니다.
정리
- 강도를 정하는 것은 사이즈가 아니라 유효목두께
a = 0.7S입니다. 혼동하면 43% 과대평가입니다. Rn = 0.6 Fuw · a · Le,φ = 0.75. 유효길이에서 시종단을 공제합니다.- 사이즈 2배는 강도 2배·용접량 4배, 길이 2배는 강도 2배·용접량 2배입니다. 길이를 늘릴 수 있으면 길이가 답입니다.
- 최소 사이즈는 강도가 아니라 급냉 균열 방지 때문입니다. 최대 사이즈는 모재 용락 방지입니다.
- 용접 도심과 부재 도심이 어긋나면 불균등 용접으로 맞춥니다. 예제에서 힐 72% / 토우 28%였습니다.
- 도면의
z는 각장,a는 목두께입니다. 30% 차이 나는 표기입니다.
볼트 접합은 고장력볼트 접합에, 강종 구분은 강재 SS275·SM355 차이에, 단면 제원은 H형강 규격표 보는 법과 단면 성능 계산기에 정리해 두었습니다.