다양한 구조적 상황에서 엔지니어는 용접과 기계적 체결 장치로 만들어진 접합부의 강도를 평가해야 할 수 있습니다. 오늘날 기계적 체결 장치는 대개 볼트이지만, 이전 설계에는 리벳이 사용되기도 합니다.
이러한 현상은 프로젝트의 업그레이드, 리노베이션 또는 개선 작업 중에 발생할 수 있습니다. 새로운 설계에는 접합부에서 볼트 체결과 용접이 필요할 수 있습니다. 접합부에서 재료를 먼저 볼트로 고정한 후 용접하여 접합부의 완전한 강도를 확보해야 합니다.
그러나 접합부의 총 하중 용량을 결정하는 것은 개별 부품(용접부, 볼트, 리벳)의 합을 더하는 것만큼 간단하지 않습니다. 이러한 가정은 치명적인 결과를 초래할 수 있습니다.
볼트 연결은 미국 강구조학회(AISC) 구조 접합 사양에 설명되어 있으며, ASTM A325 또는 A490 볼트를 단단히 고정, 예압 또는 슬라이딩 키로 사용합니다.
단단히 조여진 연결부는 임팩트 렌치나 일반 양면 렌치를 사용하여 단단히 조여 층이 단단히 접촉되도록 합니다. 프리스트레스트 접합에서는 볼트가 상당한 인장 하중을, 플레이트가 압축 하중을 받도록 설치됩니다.
1. 너트를 돌립니다. 너트를 돌리는 방법은 볼트를 조인 후, 볼트의 지름과 길이에 따라 너트를 추가로 돌리는 것입니다.
2. 키를 교정합니다. 교정 렌치 방식은 볼트 장력과 관련된 토크를 측정합니다.
3. 토션 타입 장력 조절 볼트. 트위스트-오프 방식의 장력 조절 볼트는 볼트 머리 반대쪽 끝에 작은 스터드가 있습니다. 필요한 토크에 도달하면 스터드를 풀어줍니다.
4. 직접 장력 표시기. 직접 장력 표시기는 탭이 있는 특수 와셔입니다. 러그의 압축량은 볼트에 가해지는 장력 수준을 나타냅니다.
쉽게 말해, 볼트는 단단하고 예압된 접합부에서 핀처럼 작용합니다. 마치 구멍 뚫린 종이 뭉치를 고정하는 황동 핀과 같습니다. 중요한 슬라이딩 접합은 마찰에 의해 작동합니다. 예압은 아래로 향하는 힘을 생성하고, 접촉면 사이의 마찰은 접합부의 미끄러짐을 방지합니다. 마치 종이 뭉치를 고정하는 바인더와 같습니다. 종이에 구멍을 뚫어서가 아니라, 바인더가 종이를 서로 누르고 마찰이 종이 뭉치를 고정하기 때문입니다.
ASTM A325 볼트는 볼트 직경에 따라 최소 인장 강도가 제곱인치당 150~120kg(KSI)인 반면, A490 볼트는 150~170KSI의 인장 강도를 가져야 합니다. 리벳 접합은 촘촘한 접합과 유사하지만, 이 경우 핀은 일반적으로 A325 볼트의 약 절반 강도인 리벳입니다.
기계적으로 체결된 접합부에 전단력(한 요소가 다른 요소 위로 미끄러지는 힘)이 가해지면 두 가지 상황 중 하나가 발생할 수 있습니다. 볼트나 리벳이 구멍 측면에 위치하여 볼트나 리벳이 동시에 전단될 수 있습니다. 두 번째 가능성은 예압된 체결 부품의 체결력으로 인한 마찰이 전단 하중을 견딜 수 있다는 것입니다. 이 연결에서는 미끄러짐이 발생하지 않을 것으로 예상되지만, 발생할 가능성은 있습니다.
약간의 미끄러짐은 연결 특성에 악영향을 미치지 않으므로 많은 용도에서 견고한 연결이 허용됩니다. 예를 들어, 입상 물질을 저장하도록 설계된 사일로를 생각해 보겠습니다. 처음 적재할 때 약간의 미끄러짐이 발생할 수 있습니다. 일단 미끄러짐이 발생하면 이후의 모든 하중은 동일한 특성을 가지므로 다시는 발생하지 않습니다.
하중 역전은 회전 요소에 인장 및 압축 하중이 교대로 작용하는 경우와 같은 일부 응용 분야에서 사용됩니다. 또 다른 예로는 굽힘 요소에 완전히 역방향 하중이 작용하는 경우입니다. 하중 방향이 크게 변하는 경우, 주기적인 미끄러짐을 방지하기 위해 예압 연결부가 필요할 수 있습니다. 이러한 미끄러짐은 결국 긴 구멍에서 더 큰 미끄러짐으로 이어집니다.
일부 접합부는 피로로 이어질 수 있는 여러 하중 사이클을 겪습니다. 프레스, 크레인 지지대, 교량의 연결부 등이 여기에 해당합니다. 연결부가 역방향으로 피로 하중을 받는 경우, 슬라이딩 크리티컬 접합부가 필요합니다. 이러한 조건에서는 접합부가 미끄러지지 않는 것이 매우 중요하므로, 슬립 크리티컬 접합부가 필요합니다.
기존 볼트 연결은 이러한 모든 표준에 따라 설계 및 제작될 수 있습니다. 리벳 연결은 견고한 것으로 간주됩니다.
용접 접합은 견고합니다. 납땜 접합은 까다롭습니다. 하중을 받으면 미끄러질 수 있는 팽팽한 볼트 접합과 달리, 용접은 가해지는 하중을 크게 늘리거나 분산시킬 필요가 없습니다. 대부분의 경우, 용접식 및 베어링식 기계적 패스너는 같은 방식으로 변형되지 않습니다.
용접을 기계적 패스너와 함께 사용하면 하중이 더 단단한 부분으로 전달되므로 용접부가 거의 모든 하중을 감당할 수 있으며, 볼트와 공유하는 하중은 거의 없습니다. 따라서 용접, 볼트 체결, 리벳 체결 시 주의해야 합니다. 규격. AWS D1은 기계적 패스너와 용접부를 혼합하여 사용하는 문제를 해결합니다. 구조용 용접 - 강철에 대한 규격 1:2000. 2.6.3항은 베어링형 접합부(즉, 볼트 또는 리벳이 핀 역할을 하는 경우)에 사용되는 리벳이나 볼트의 경우 기계적 패스너가 용접부와 하중을 공유하는 것으로 간주해서는 안 된다고 명시합니다. 용접을 사용하는 경우, 기계적 패스너는 접합부의 전체 하중을 감당할 수 있도록 제공되어야 합니다. 그러나 한 요소에 용접으로 연결하고 다른 요소에 리벳이나 볼트로 연결하는 것은 허용됩니다.
베어링형 기계적 체결 장치를 사용하고 용접부를 추가할 경우, 볼트의 하중 지지력은 대체로 무시됩니다. 이 규정에 따라 용접부는 모든 하중을 전달하도록 설계되어야 합니다.
이는 AISC LRFD-1999, J1.9항과 본질적으로 동일합니다. 그러나 캐나다 표준 CAN/CSA-S16.1-M94는 기계적 패스너 또는 볼트의 힘이 용접보다 높은 경우 단독 사용도 허용합니다.
이 문제에서는 세 가지 기준이 일관적입니다. 베어링 유형의 기계적 고정 가능성과 용접 가능성이 일치하지 않습니다.
AWS D1.1의 2.6.3절에서는 그림 1과 같이 볼트와 용접부를 두 부분으로 결합하는 상황에 대해서도 설명합니다. 왼쪽은 용접부, 오른쪽은 볼트로 고정된 부분입니다. 여기서는 용접부와 볼트의 총력을 고려할 수 있습니다. 전체 연결부의 각 부분은 독립적으로 작동합니다. 따라서 이 코드는 2.6.3절의 첫 번째 부분에 포함된 원칙의 예외입니다.
방금 논의한 규칙은 신축 건물에 적용됩니다. 기존 구조물의 경우, 8.3.7절 D1.1에 따르면 구조 계산 결과 리벳이나 볼트에 새로운 총 하중이 과부하될 것으로 판단되는 경우, 기존의 정하중만 적용해야 합니다.
동일한 규칙에 따르면 리벳이나 볼트가 정적 하중만 과부하되거나 반복적(피로) 하중을 받는 경우 전체 하중을 지지할 수 있을 만큼 충분한 기본 금속과 용접을 추가해야 합니다.
구조물에 예하중이 가해진 경우, 즉 연결된 요소들 사이에 미끄러짐이 발생한 경우 기계적 체결부와 용접부 사이의 하중 분배는 허용됩니다. 그러나 기계적 체결부에는 정하중만 가해질 수 있습니다. 미끄러짐을 더 크게 유발할 수 있는 활하중은 전체 하중을 견딜 수 있는 용접부를 사용하여 보호해야 합니다.
용접은 모든 적용 하중 또는 동적 하중을 견뎌야 합니다. 기계적 체결 부품에 이미 과부하가 걸린 경우, 하중 분담은 허용되지 않습니다. 반복 하중 하에서는 하중이 용접부의 영구적인 미끄러짐 및 과부하를 초래할 수 있으므로 하중 분담은 허용되지 않습니다.
예시. 원래 볼트로 단단히 고정된 겹침 접합부를 생각해 보세요(그림 2 참조). 이 구조는 추가적인 힘을 더하며, 강도를 두 배로 높이려면 연결부와 커넥터를 추가해야 합니다. 그림 3은 부재 강화를 위한 기본 설계도를 보여줍니다. 연결은 어떻게 해야 할까요?
새 강철을 기존 강철에 필렛 용접으로 접합해야 했기 때문에 엔지니어는 접합부에 필렛 용접을 추가하기로 했습니다. 볼트가 아직 고정되어 있었기 때문에 원래는 추가 동력을 새 강철로 전달하는 데 필요한 용접만 추가하여 하중의 50%는 볼트를 통과하고 나머지 50%는 새 용접을 통과하도록 하는 것이었습니다. 이 방법이 괜찮을까요?
먼저, 연결에 현재 정적 부하가 적용되지 않는다고 가정해 보겠습니다. 이 경우 AWS D1.1의 2.6.3항이 적용됩니다.
이 베어링 유형의 접합부에서는 용접부와 볼트가 하중을 분담한다고 볼 수 없으므로, 지정된 용접 크기는 정적 및 동적 하중을 모두 지지할 수 있을 만큼 충분히 커야 합니다. 이 예에서 볼트의 지지력은 고려할 수 없습니다. 정적 하중이 없으면 접합부가 느슨해지기 때문입니다. 하중의 절반을 지탱하도록 설계된 용접부는 전체 하중이 작용할 때 처음에는 파단됩니다. 그런 다음 하중의 절반을 전달하도록 설계된 볼트가 하중을 전달하려다 파손됩니다.
또한 정하중이 작용한다고 가정합니다. 또한, 기존 접합부가 기존 영구 하중을 충분히 견딜 수 있다고 가정합니다. 이 경우 8.3.7항 D1.1이 적용됩니다. 새로운 용접부는 증가된 정하중 및 일반 활하중만 견뎌내면 됩니다. 기존 사하중은 기존 기계적 체결부에 할당할 수 있습니다.
일정한 하중 하에서는 접합부가 처지지 않습니다. 볼트는 이미 하중을 지지하고 있기 때문입니다. 접합부에 약간의 미끄러짐이 발생했을 수 있습니다. 따라서 용접을 사용하여 동적 하중을 전달할 수 있습니다.
"이것이 허용 가능한가?"라는 질문에 대한 답은 하중 조건에 따라 달라집니다. 첫 번째 경우, 정하중이 없는 경우 답은 '음수'입니다. 두 번째 시나리오의 특정 조건에서는 답은 '예'입니다.
정적 하중이 가해진다고 해서 항상 결론을 내릴 수 있는 것은 아닙니다. 정적 하중의 수준, 기존 기계적 연결의 적절성, 그리고 단부 하중의 특성(정적 하중인지 반복 하중인지)에 따라 답이 달라질 수 있습니다.
Duane K. Miller, MD, PE, 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, Lincoln Electric Company 용접 기술 센터 매니저, www.lincolnelectric.com. Lincoln Electric은 전 세계적으로 용접 장비와 용접 소모품을 생산합니다. 용접 기술 센터의 엔지니어와 기술자들은 고객의 용접 문제 해결을 지원합니다.
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