다양한 구조적 상황에서 엔지니어는 용접 및 기계식 체결 장치로 만들어진 접합부의 강도를 평가해야 할 수 있습니다. 오늘날 기계식 체결 장치는 일반적으로 볼트이지만, 이전 설계에서는 리벳이 사용되기도 했습니다.
이러한 상황은 프로젝트의 업그레이드, 리모델링 또는 개선 작업 중에 발생할 수 있습니다. 새로운 설계에서는 접합할 재료를 먼저 볼트로 고정한 다음 용접하여 접합부에 완전한 강도를 제공하는 볼트 및 용접 작업이 필요할 수 있습니다.
하지만 접합부의 총 하중 지지력을 결정하는 것은 개별 구성 요소(용접부, 볼트, 리벳)의 하중을 단순히 더하는 것만큼 간단하지 않습니다. 그러한 가정은 심각한 결과를 초래할 수 있습니다.
볼트 연결은 미국 철강 구조 협회(AISC) 구조 접합 사양에 설명되어 있으며, 이 사양에서는 ASTM A325 또는 A490 볼트를 견고한 고정, 예압 또는 슬라이딩 키로 사용합니다.
단단히 조여진 연결부는 임팩트 렌치나 일반 양면 렌치를 사용하여 더욱 조여 각 층이 단단히 접촉되도록 하십시오. 프리스트레스 연결부에서는 볼트가 상당한 인장 하중을 받도록 설치되고, 플레이트는 압축 하중을 받도록 설치됩니다.
1. 너트를 돌립니다. 너트를 돌리는 방법은 볼트를 조인 다음 볼트의 직경과 길이에 따라 너트를 추가로 돌리는 것입니다.
2. 렌치를 보정하십시오. 보정된 렌치를 사용하는 방법은 볼트 장력과 관련된 토크를 측정합니다.
3. 비틀림식 장력 조절 볼트. 비틀림식 장력 조절 볼트는 볼트 머리 반대쪽 끝에 작은 돌기가 있습니다. 필요한 토크에 도달하면 이 돌기를 풀어줍니다.
4. 직선 인장 지수. 직접 장력 표시기는 탭이 있는 특수 와셔입니다. 러그에 가해지는 압축량은 볼트에 가해지는 장력의 정도를 나타냅니다.
쉽게 말해, 볼트는 꽉 조여지고 미리 장력이 가해진 연결부에서 핀과 같은 역할을 합니다. 마치 구멍 뚫린 종이 뭉치를 황동 핀이 고정하는 것과 같습니다. 중요한 슬라이딩 연결부는 마찰력으로 작동합니다. 예압은 하중을 발생시키고, 접촉면 사이의 마찰력이 작용하여 연결부의 미끄러짐을 방지합니다. 마치 종이 뭉치를 바인더로 묶는 것과 같습니다. 종이에 구멍을 뚫어서 묶는 것이 아니라, 바인더가 종이를 눌러주고 마찰력이 종이 뭉치를 고정하는 것입니다.
ASTM A325 볼트는 볼트 직경에 따라 최소 150~120kg/제곱인치(KSI)의 인장 강도를 가지며, A490 볼트는 150~170kg/제곱인치의 인장 강도를 가져야 합니다. 리벳 접합부는 견고한 접합부와 유사하지만, 이 경우 사용되는 핀은 일반적으로 A325 볼트 강도의 절반 정도인 리벳입니다.
기계적으로 체결된 접합부에 전단력이 가해지면 두 가지 현상이 발생할 수 있습니다. 첫째, 볼트나 리벳이 구멍 측면에 위치하여 볼트나 리벳이 전단력과 동시에 파손될 수 있습니다. 둘째, 미리 장력을 가한 체결 부재의 체결력으로 인한 마찰력이 전단 하중을 견딜 수 있습니다. 이러한 연결부에서는 미끄러짐이 발생하지 않을 것으로 예상되지만, 발생 가능성은 있습니다.
많은 용도에서 견고한 연결은 허용됩니다. 약간의 미끄러짐은 연결부의 특성에 악영향을 미치지 않기 때문입니다. 예를 들어, 과립형 자재를 저장하도록 설계된 사일로를 생각해 보겠습니다. 처음 적재할 때 약간의 미끄러짐이 발생할 수 있습니다. 하지만 한 번 미끄러짐이 발생하면 이후의 모든 적재물은 동일한 종류이므로 다시 발생하지 않습니다.
하중 반전은 회전 요소에 교류 인장 및 압축 하중이 가해지는 경우와 같은 일부 응용 분야에서 사용됩니다. 또 다른 예로는 완전히 반대 방향으로 하중이 가해지는 굽힘 요소가 있습니다. 하중 방향이 크게 변하는 경우, 주기적인 미끄러짐을 방지하기 위해 예압 연결부가 필요할 수 있습니다. 이러한 미끄러짐은 결국 길어진 구멍에서 더 큰 미끄러짐을 유발합니다.
일부 접합부는 수많은 하중 주기(하중 반복)를 겪으면서 피로 파손이 발생할 수 있습니다. 이러한 접합부에는 프레스, 크레인 지지대, 교량 연결부 등이 있습니다. 접합부가 역방향으로 피로 하중을 받는 경우 미끄럼 방지 접합부가 필요합니다. 이러한 조건에서는 접합부가 미끄러지지 않는 것이 매우 중요하므로 미끄럼 방지 접합부가 필요합니다.
기존 볼트 체결부는 이러한 표준 중 어느 것에든 맞춰 설계 및 제조할 수 있습니다. 리벳 체결부는 견고한 것으로 간주됩니다.
용접 접합부는 견고합니다. 납땜 접합부는 까다롭습니다. 하중을 받으면 미끄러질 수 있는 꽉 조인 볼트 접합부와 달리, 용접부는 늘어나거나 하중을 분산시킬 필요가 거의 없습니다. 대부분의 경우, 용접식 및 베어링식 기계식 체결 부품은 변형되는 방식이 다릅니다.
용접부를 기계식 체결부와 함께 사용할 경우, 하중은 더 단단한 부분을 통해 전달되므로 용접부가 거의 모든 하중을 지탱하고 볼트와 분담되는 하중은 매우 적습니다. 따라서 용접, 볼트 체결, 리벳 체결 시 각별한 주의가 필요합니다. AWS D1 규격은 기계식 체결부와 용접부를 혼합하여 사용할 때 발생하는 문제를 해결합니다. 구조용 강철 용접 규격 1:2000의 2.6.3항에서는 베어링형 접합부(즉, 볼트나 리벳이 핀 역할을 하는 경우)에 사용되는 리벳이나 볼트의 경우, 기계식 체결부가 용접부와 하중을 분담하는 것으로 간주해서는 안 된다고 명시하고 있습니다. 용접을 사용하는 경우, 접합부의 모든 하중을 지탱할 수 있도록 설계해야 합니다. 단, 한 요소에는 용접하고 다른 요소에는 리벳이나 볼트로 체결하는 연결은 허용됩니다.
베어링형 기계식 체결 장치를 사용하고 용접을 추가할 경우, 볼트의 하중 지지 능력은 대체로 무시됩니다. 이 규정에 따르면 용접부는 모든 하중을 전달할 수 있도록 설계되어야 합니다.
이는 기본적으로 AISC LRFD-1999의 J1.9항과 동일합니다. 그러나 캐나다 표준 CAN/CSA-S16.1-M94는 기계식 체결 장치 또는 볼트의 강도가 용접 강도보다 높을 경우 단독 사용을 허용합니다.
이 문제에 있어서는 세 가지 기준이 일관적입니다. 베어링 방식의 기계적 체결 가능성과 용접 방식의 가능성은 모두 적합하지 않습니다.
AWS D1.1의 2.6.3절에서는 그림 1과 같이 볼트와 용접을 결합하여 2부분 접합부를 만드는 경우를 다룹니다. 왼쪽은 용접부이고 오른쪽은 볼트로 고정된 접합부입니다. 이 경우 용접과 볼트의 총 결합력을 고려할 수 있습니다. 전체 연결부의 각 부분은 독립적으로 작동합니다. 따라서 이 규정은 2.6.3절 첫 부분에 있는 원칙의 예외입니다.
방금 논의한 규칙은 신축 건물에 적용됩니다. 기존 구조물의 경우, 8.3.7 D1.1항에 따르면 구조 계산 결과 리벳이나 볼트가 새로운 총 하중에 의해 과부하될 것으로 판단될 경우, 기존의 정적 하중만 해당 리벳이나 볼트에 적용해야 합니다.
동일한 규칙에 따라 리벳이나 볼트가 정적 하중만 받거나 반복적인(피로) 하중을 받는 경우, 전체 하중을 지탱할 수 있도록 충분한 모재와 용접부를 추가해야 합니다.
구조물에 사전 하중이 가해져 연결된 요소들 사이에 미끄러짐이 발생한 경우, 즉 연결된 요소들 사이에 미끄러짐이 발생한 경우에는 기계식 체결 부품과 용접부 사이의 하중 분산이 허용될 수 있습니다. 그러나 기계식 체결 부품에는 정적 하중만 가할 수 있습니다. 더 큰 미끄러짐을 유발할 수 있는 활하중은 전체 하중을 견딜 수 있는 용접부를 사용하여 보호해야 합니다.
용접부는 모든 적용 하중 또는 동적 하중을 견딜 수 있어야 합니다. 기계식 체결 장치가 이미 과부하 상태인 경우 하중 분산은 허용되지 않습니다. 반복 하중이 가해지는 경우, 하중 분산은 용접부의 영구적인 미끄러짐 및 과부하를 초래할 수 있으므로 허용되지 않습니다.
예를 들어 보겠습니다. 원래 볼트로 단단히 조여진 겹침 이음매를 생각해 보세요(그림 2 참조). 구조물에 추가적인 강도가 더해지면, 강도를 두 배로 높이기 위해 연결부와 커넥터를 추가해야 합니다. 그림 3은 요소들을 강화하기 위한 기본 계획을 보여줍니다. 이 연결부는 어떻게 만들어야 할까요?
새로운 강재를 기존 강재에 필렛 용접으로 접합해야 했기 때문에, 엔지니어는 접합부에 필렛 용접을 추가하기로 결정했습니다. 볼트가 여전히 제자리에 있었기 때문에, 원래 계획은 추가 하중을 새로운 강재로 전달하는 데 필요한 용접만 추가하고, 하중의 50%는 볼트를 통해, 나머지 50%는 새로운 용접부를 통해 전달되도록 하는 것이었습니다. 이러한 방식이 적절할까요?
먼저 현재 연결에 정적 부하가 적용되지 않는다고 가정해 보겠습니다. 이 경우 AWS D1.1의 2.6.3항이 적용됩니다.
이러한 베어링형 접합부에서는 용접부와 볼트가 하중을 분담한다고 볼 수 없으므로, 지정된 용접 크기는 정적 하중과 동적 하중을 모두 지탱할 수 있을 만큼 충분히 커야 합니다. 이 예시에서는 볼트의 하중 지지력을 고려할 수 없는데, 정적 하중이 없는 상태에서는 연결부가 느슨한 상태가 되기 때문입니다. 하중의 절반을 지탱하도록 설계된 용접부는 전체 하중이 가해지면 먼저 파손됩니다. 그런 다음, 역시 하중의 절반을 지탱하도록 설계된 볼트가 하중을 전달하려다 파손됩니다.
또한 정적 하중이 가해진다고 가정합니다. 기존 연결부가 기존 영구 하중을 지탱하기에 충분하다고 가정합니다. 이 경우 8.3.7 D1.1항이 적용됩니다. 새로운 용접부는 증가된 정적 하중과 일반 활하중만 견디면 됩니다. 기존 고정하중은 기존 기계식 체결부에 할당할 수 있습니다.
지속적인 하중이 가해지면 연결부는 처지지 않습니다. 볼트 자체가 이미 하중을 지탱하고 있기 때문입니다. 연결부에 약간의 미끄러짐이 발생했지만, 용접을 통해 동적 하중을 전달할 수 있습니다.
"이것이 허용 가능한가요?"라는 질문에 대한 답은 부하 조건에 따라 다릅니다. 첫 번째 경우, 즉 정적 하중이 없는 경우에는 답은 "아니요"입니다. 두 번째 시나리오의 특정 조건에서는 답은 "예"입니다.
정적 하중이 가해졌다고 해서 항상 결론을 내릴 수 있는 것은 아닙니다. 정적 하중의 크기, 기존 기계적 연결부의 적합성, 그리고 단부 하중의 특성(정적 하중인지 반복 하중인지)에 따라 결과가 달라질 수 있습니다.
듀안 K. 밀러(Duane K. Miller, MD, PE), 주소: 22801 Saint Clair Ave., Cleveland, OH 44117-1199, 링컨 일렉트릭(Lincoln Electric Company) 용접 기술 센터 관리자, 웹사이트: www.lincolnelectric.com. 링컨 일렉트릭은 전 세계적으로 용접 장비 및 용접 소모품을 제조합니다. 용접 기술 센터의 엔지니어와 기술자들은 고객의 용접 문제를 해결해 드립니다.
미국 용접 학회(American Welding Society), 550 NW LeJeune Road, Miami, FL 33126-5671, 전화: 305-443-9353, 팩스: 305-443-7559, 웹사이트: www.aws.org.
ASTM Intl., 100 Barr Harbor Drive, West Conshohocken, PA 19428-2959, 전화 610-832-9585, 팩스 610-832-9555, 웹사이트 www.astm.org.
미국철강구조협회, 주소: One E. Wacker Drive, Suite 3100, Chicago, IL 60601-2001, 전화: 312-670-2400, 팩스: 312-670-5403, 웹사이트: www.aisc.org.
FABRICATOR는 북미 최고의 철강 가공 및 성형 전문 잡지입니다. 이 잡지는 제조업체들이 더욱 효율적으로 업무를 수행할 수 있도록 뉴스, 기술 기사 및 성공 사례를 게재합니다. FABRICATOR는 1970년부터 업계에 몸담아 왔습니다.
이제 The FABRICATOR 디지털판에 대한 전체 액세스 권한을 통해 업계의 귀중한 자료에 손쉽게 접근할 수 있습니다.
튜브 앤 파이프 저널의 디지털판을 이제 완전히 이용하실 수 있어 업계의 귀중한 자료에 쉽게 접근할 수 있습니다.
금속 스탬핑 시장의 최신 기술, 모범 사례 및 업계 뉴스를 담은 STAMPING 저널의 디지털 전체 콘텐츠에 액세스하세요.
이제 The Fabricator en Español에 대한 완전한 디지털 액세스를 통해 귀중한 업계 자료에 쉽게 접근할 수 있습니다.