제9장 접합부의 설계강도

용어

• WPS(Welding Procedure Specification, 용접절차사양서)
  특정 용접 작업을 수행하기 위한 표준화된 절차와 조건을 기록한 문서이다. 쉽게 말해, 용접을 어떻게 해야 품질을 확보할 수 있는지를 정리한 "작업 지침서"라고 할 수 있다.
  주요 내용은 다음과 같다.
  • 용접 방법: SMAW(피복아크용접), GTAW(티그용접), GMAW(미그용접) 등
  • 재료 정보: 모재(P-Number, Group Number), 용접재료(F-Number)
  • 용접 조건: 전류, 전압, 예열·후열 온도, 패스 간 최대 온도
  • 용접 위치: 수평, 수직, 오버헤드 등
  • 보호가스 및 유량: TIG, MIG 용접 시 필수
• 게이지(Gauge)
  하중방향에 직각인 방향으로 인접한 볼트 중심 간 거리.
• 미끄럼강도(Slip resistance)
  사용하중에서 접합면이 미끄러지지 않도록 하는 저항.
• 백 바(Back Bar) 그림
  용접 시 용접 금속이 흘러내리거나 변형되는 것을 막고, 용접부의 뒷면(이면)이 균일하고 깨끗하게 형성되도록 지지해주는 뒷댐재(Backing Bar/Backing Material)를 의미한다.
     때로는 용접된 뒷면의 솟아오른 부분을 뜻하는 '백 비드(Back Bead)'를 잘못 표기한 것일 수 있다.
     주로 full penetration(완전 용입)을 위해 사용되며, 금속 바, 세라믹 패드 등이 쓰이고, '백 바'라는 용어는 현장에서 혼용되기도 한다.
• 연단거리(Edge distance)
  부재 끝(연단)에서 가장 가까운 볼트 구멍 중심까지의 거리.
• 용접 비드 (Weld Beads) 그림
  아크 용접이나 레이저 용접 등 각종 용접 방법으로 모재를 접합했을 때 접합 부분의 표면에서 어묵같이 볼록한 형상으로 솟아 있는 부분을 가리킨다.
  비드가 끈 모양이기 때문에 끈 가공이라고도 한다.
• 용접 슬래그 (Weld Slag) 그림
  용접부의 내부나 표면에 슬래그라는 비금속 물질이 남아 있는 것을 말한다.
• 용접 가우징 (Gousing) 그림
  금속을 녹인 후 강한 공기로 불어내는 작업을 말한다. 현장에서는 '가우징 쳐낸다', 혹은 '가우징으로 불어낸다.'라고 한다.
  
• 접합
  • 마찰접합(Slip-critical type)
    고장력볼트의 조임력으로 생기는 면압에 의해 마찰로 하중을 전달, 사용성(미끄럼) 검토가 중요.
  • 전단접합(전단전달 접합)
    접합부가 주로 전단력을 전달하고, 회전은 비교적 자유로운 접합.
  • 지압접합(Bearing type)
    볼트가 구멍 벽과 접촉(지압)하며 하중을 전달하는 접합.
• 피치(Pitch)
  하중방향(볼트열 방향)으로 인접한 볼트 중심 간 거리.

Q&A

[Q] 고장력볼트는 항상 “마찰접합”으로 설계해야 하나요?

[A] 아닙니다. 고장력볼트라도 지압접합으로 설계할 수 있습니다. 다만 반복하중·진동·사용성(변형/미끄럼) 요구가 큰 경우에는 마찰접합(미끄럼 한계상태)이 유리합니다.

[Q] 볼트가 인장과 전단을 동시에 받으면 어떻게 검토하나요?

[A] 인장-전단 상호작용 식(예: 식 (9.3) 형태)을 적용하여, 한 개 볼트의 전단응력과 인장응력이 동시에 작용할 때의 허용(설계)영역을 만족하는지 확인합니다.

[Q] 용접부 강도는 모재강도보다 강해야 하는가?

[A] 접합부의 용접 이음 재료의 강도는 일반적으로 강재(모재)의 용접 후 재료 강도 이상을 확보해야 한다. 이는 접합부가 부재 자체의 강도보다 약해서 먼저 파괴되는 것을 방지하기 위함이다.

9.1 개요

강구조에서 접합부는 응력해석으로 산정된 부재력을 실제 구조물로 전달하는 핵심 요소이다. 접합부의 상세가 부재 설계와 다르게 계획되면, 예상치 못한 편심·응력집중·변형이 발생하여 전체 거동에 영향을 준다. 따라서 접합부는 강도(강도한계상태)뿐 아니라 변형·미끄럼(사용성한계상태)까지 함께 검토하는 것이 원칙이다.





전강설계와 존재응력설계


연결부의 설계는 접합방식에 따라 구조 해석 시 모멘트 전달 여부, 회전 구속 조건 등을 고려해야 하며, 강도 및 변형능력 확보가 필수적이다.

9.1.1 접합 방식

전인장조임

• 단순접합: 전단력만 전달, 회전은 자유로움
• 모멘트접합: 휨모멘트 전달, 회전 구속
• 편심접합: 중심선에서 벗어난 힘 작용 고려

9.1.2 설계 시 고려사항

위트모어 유효단면적


다음과 같은 사항을 고려하여 설계한다.

• 볼트와 용접 병용 시 하중 분담 방식 규정
• 전단접합부 및 모멘트접합부 구분 설계
• 기둥-보 접합부, 보-가새 연결부 등 고층 구조물에서 특수 요구 조건

접합부는 응력집중을 유발할 수 있으므로 최소 강도와 적절한 배열, 간격을 확보해야 한다.

9.2 고장력볼트 및 볼트 접합

볼트 접합은 제작·시공성이 우수하고, 해체·보수가 용이하다. 특히 고장력볼트는 큰 조임력으로 접합면에 면압을 발생시켜 마찰로 하중을 전달(마찰접합)하거나, 일반 볼트처럼 지압으로 전달(지압접합)할 수 있다.

볼트 접합은 구멍을 뚫어 볼트로 체결하는 방식으로, 시공이 간편하고 해체가 가능한 장점이 있다. 볼트는 체결 방식과 강도에 따라 고장력볼트와 일반볼트로 구분된다.

9.2.1 고장력볼트 집합의 일반사항

(1) 볼트와 고장력볼트(형태·재료강도·설계특성)

볼트 접합은 강구조에서 가장 보편적인 접합 방식 중 하나이다. 볼트는 머리(head)와 몸통(shank), 나사부(thread)로 구성되며, 풀림 방지 및 면압 분산을 위해 와셔(washer)와 함께 사용된다. (PDF p.8~p.9)

1) 보통볼트와 고장력볼트의 차이

• 보통볼트: 일반 구조용 접합에 사용. 재료 강도 및 체결력 수준이 고장력볼트보다 낮다. (PDF p.8)
• 고장력볼트: 높은 체결력(프리텐션)을 도입해 마찰접합 또는 지압접합으로 사용한다. 교재는 F8T, F10T, F13T 등 등급과 M16~M24 등 호칭에 따른 설계볼트장력 표를 제시한다. (PDF p.9)

2) 볼트 구멍 및 시공 품질의 중요성

고장력볼트 접합에서는 구멍 지름(표준·확대), 접합면 마찰상태(청결·도장 여부), 체결 순서와 검사 등이 접합 성능을 좌우한다. 교재는 너무 작은 구멍은 조립이 어렵고, 너무 큰 구멍은 마찰력 발현이 저하될 수 있으므로 적정 구멍 치수와 시공 관리가 필요함을 설명한다. (PDF p.10~p.11)

3) 고장력 볼트 집합

고장력볼트 구멍의 위치는 피치(pitch), 게이지(gauge), 연단거리(edge distance) 등으로 정의한다. 설계에서는 볼트 구멍 주변의 파괴(지압, 찢김, 블록전단 등)와 시공오차를 고려해 최소 간격과 최소 연단거리를 만족해야 한다.

볼트 구멍 지름(예시)
• 고장력볼트 축지름이 24mm 이하: 구멍 지름 ≈ 축지름 + 2mm
• 24mm 초과: 구멍 지름 ≈ 축지름 + 3mm
(실제 적용은 기준서/도면의 표준구멍 규정에 따름)
표 9.1 볼트 및 고장력볼트의 최소 연단 거리 (단위: mm)

지름 d (mm)	16	20	22	24	27	30
연단 거리	28	34	38	42	48	52
측단 거리	22	26	28	30	34	38

* 자동 가스 절단 및 기계류 절단 시에는 추가 여유를 적용한다.






고장력볼트는 높은 축력으로 조임하여 접합부에 마찰력을 발생시키는 볼트로, F8T(M16~M30), F10T(M20~M30) 등급이 주로 사용된다.

고장력볼트 특징
• 마찰접합: 볼트 조임력에 의한 마찰력으로 하중 전달
• 지압접합: 볼트가 구멍벽과 직접 접촉하여 하중 전달
• 인장접합: 볼트에 직접 인장력이 작용

마찰접합의 장점
• 접합부 미끄러짐 방지 (사용성 우수)
• 반복하중에 대한 저항성 우수
• 볼트 구멍의 여유가 하중 전달에 영향 없음



마찰접합 설계강도 (전단):
\( \phi R_n = \phi \mu D_u h_f T_b n_s \)

여기서,
\( \phi \) = 0.75 (강도감소계수, LRFD)
\( \mu \) = 미끄럼계수 (A등급: 0.35, B등급: 0.50)
\( D_u \) = 1.13 (볼트 장기 이완 계수)
\( h_f \) = 필러계수 (두께에 따라 변동)
\( T_b \) = 볼트의 최소 조임력 (kN)
\( n_s \) = 전단면 수 (1 또는 2)

최소 조임력 \(T_b\):

• F8T M20: 142 kN
• F8T M22: 176 kN
• F10T M20: 178 kN
• F10T M22: 220 kN
체결 방법
1. 토크관리법: 토크렌치로 규정 토크값까지 조임
2. 너트회전법: 스내그타이트 후 일정 각도 추가 회전 (1/3회전 또는 120°)
3. DTI 관리법: 직접장력지시기(Direct Tension Indicator) 사용
4. 토크전단형볼트: 핀테일이 절단되는 방식 (TC볼트)

마찰면 처리: 마찰계수 확보를 위해 적청 제거, 쇼트블라스팅 등의 처리가 필요하다.

지압접합 설계강도 (전단):
\( \phi R_n = \phi \times 0.45 A_b F_{ub} n_s \)

여기서,
\( \phi \) = 0.75
\( A_b \) = 볼트 공칭단면적 (mm²)
\( F_{ub} \) = 볼트 인장강도 (MPa)
\( n_s \) = 전단면 수

지압강도: 볼트 구멍 주변 모재의 지압파괴를 검토해야 한다.

지압강도:
\( \phi R_n = \phi \times 2.4 d t F_u \) (구멍 가장자리 거리 충분 시)
\( \phi R_n = \phi \times 1.2 L_c t F_u \) (가장자리 거리 부족 시)

여기서,
\( \phi \) = 0.75
\( d \) = 볼트 공칭지름 (mm)
\( L_c \) = 볼트 중심에서 부재 끝까지 거리 (mm)
\( t \) = 모재 두께 (mm)
\( F_u \) = 모재 인장강도 (MPa)

9.2.2 접합형태와 하중전달(마찰·지압)

연결재가 하중을 전달하는 방식에 따라 접합은 크게 전단접합, 인장접합으로 나타낼 수 있으며, 전단접합은 마찰로 전달(마찰접합) 또는 지압으로 전달(지압접합)로 구분된다.



(1) 마찰로 전달
• 볼트 조임력에 의한 면압 → 접합면 마찰력으로 하중 전달
• 사용하중에서 미끄럼이 없어야 하므로 사용성한계상태 검토가 중요

(2) 지압으로 전달
• 하중이 커져 접합면이 미끄러진 뒤, 볼트와 구멍벽 접촉(지압)으로 하중 전달
• 강도한계상태에서는 볼트 전단, 모재 지압/찢김/블록전단 등을 함께 검토








고장력볼트는 높은 축력으로 조임하여 접합부에 마찰력을 발생시키는 볼트로, F8T(M16~M30), F10T(M20~M30) 등급이 주로 사용된다.

고장력볼트 특징
• 마찰접합: 볼트 조임력에 의한 마찰력으로 하중 전달
• 지압접합: 볼트가 구멍벽과 직접 접촉하여 하중 전달
• 인장접합: 볼트에 직접 인장력이 작용

마찰접합의 장점
• 접합부 미끄러짐 방지 (사용성 우수)
• 반복하중에 대한 저항성 우수
• 볼트 구멍의 여유가 하중 전달에 영향 없음



마찰접합 설계강도 (전단):
\( \phi R_n = \phi \mu D_u h_f T_b n_s \)

여기서,
\( \phi \) = 0.75 (강도감소계수, LRFD)
\( \mu \) = 미끄럼계수 (A등급: 0.35, B등급: 0.50)
\( D_u \) = 1.13 (볼트 장기 이완 계수)
\( h_f \) = 필러계수 (두께에 따라 변동)
\( T_b \) = 볼트의 최소 조임력 (kN)
\( n_s \) = 전단면 수 (1 또는 2)

최소 조임력 \(T_b\):

• F8T M20: 142 kN
• F8T M22: 176 kN
• F10T M20: 178 kN
• F10T M22: 220 kN
체결 방법
1. 토크관리법: 토크렌치로 규정 토크값까지 조임
2. 너트회전법: 스내그타이트 후 일정 각도 추가 회전 (1/3회전 또는 120°)
3. DTI 관리법: 직접장력지시기(Direct Tension Indicator) 사용
4. 토크전단형볼트: 핀테일이 절단되는 방식 (TC볼트)

마찰면 처리: 마찰계수 확보를 위해 적청 제거, 쇼트블라스팅 등의 처리가 필요하다.

지압접합 설계강도 (전단):
\( \phi R_n = \phi \times 0.45 A_b F_{ub} n_s \)

여기서,
\( \phi \) = 0.75
\( A_b \) = 볼트 공칭단면적 (mm²)
\( F_{ub} \) = 볼트 인장강도 (MPa)
\( n_s \) = 전단면 수

지압강도: 볼트 구멍 주변 모재의 지압파괴를 검토해야 한다.

지압강도:
\( \phi R_n = \phi \times 2.4 d t F_u \) (구멍 가장자리 거리 충분 시)
\( \phi R_n = \phi \times 1.2 L_c t F_u \) (가장자리 거리 부족 시)

여기서,
\( \phi \) = 0.75
\( d \) = 볼트 공칭지름 (mm)
\( L_c \) = 볼트 중심에서 부재 끝까지 거리 (mm)
\( t \) = 모재 두께 (mm)
\( F_u \) = 모재 인장강도 (MPa)

9.2.3 접합부 파괴형태

볼트 접합부의 대표적인 파괴형태는 다음과 같다.

• 볼트 인장파괴: 인장력을 받는 볼트의 나사부/몸통 파괴
• 볼트 전단파괴: 전단력에 의해 볼트가 절단되는 파괴
• 볼트/모재 지압파괴: 구멍벽 접촉부의 국부 압궤(지압) 또는 찢김
• 접합부재의 단부 전단(찢김) 파괴: 연단거리 부족 시 발생

9.2.4 강도한계상태 설계강도

볼트 접합부의 설계 시에는 볼트 자체의 강도뿐만 아니라 모재의 순단면 파괴, 블록전단파괴, 볼트 구멍 주변 지압파괴 등을 모두 검토해야 한다.

검토 항목
1. 볼트 전단강도: 볼트 몸체의 전단파괴
2. 볼트 인장강도: 볼트에 인장력이 작용하는 경우
3. 볼트 지압강도: 구멍 주변 모재의 지압파괴
4. 모재 순단면 인장강도: 볼트 구멍을 뺀 순단면의 파괴
5. 블록전단파괴: 볼트군 주변의 블록 형태 파괴
6. 복합응력: 전단과 인장이 동시 작용 시 상호작용 검토



복합응력 (전단 + 인장):
고장력볼트 마찰접합: \( \frac{f_v}{F_v} + \frac{f_t}{F_t} \leq 1.0 \)

지압접합 및 일반볼트: \( \frac{f_v}{F_v} + \frac{f_t}{1.3F_t} \leq 1.0 \)

여기서,
\( f_v, f_t \) = 전단 및 인장 응력 (MPa)
\( F_v, F_t \) = 허용 전단 및 인장 응력 (MPa)
볼트 배치 규정

최소 간격:
• 볼트 중심 간격: \( 2.5d \) 이상 (표준: \( 3d \))

최대 간격:
• 도장 부재: 끝단 \( 12t \) 또는 150mm, 중간 \( 24t \) 또는 300mm
• 무도장 부재: 끝단 \( 4t+100 \) 또는 200mm, 중간 \( 7t+100 \) 또는 300mm

연단거리:
• 전단 작용 시: \( 1.5d \) 이상
• 전단 미작용 시: \( 1.0d \) 이상
• 최대 연단거리: \( 12t \) 또는 150mm

여기서, \( d \) = 볼트 공칭지름, \( t \) = 얇은 쪽 판 두께

구멍 크기:

• 표준구멍: 볼트지름 + 2.0mm (M20 이하), + 3.0mm (M22 이상)
• 확대구멍: 볼트지름 + 4.0mm ~ 8.0mm (특수한 경우)
• 장공(Slot Hole; Long Hole; 장공; 長孔): 조립 여유가 필요한 경우 제한적 사용

최종 설계강도: 위의 모든 검토 항목 중 최소값이 접합부의 설계강도가 된다.

설계 순서
1. 요구 강도 결정 (작용 하중 산정)
2. 볼트 등급 및 크기 가정
3. 볼트 배치 계획 (간격, 연단거리 만족)
4. 각 파괴 모드별 강도 검토
5. 최소 강도가 요구 강도 이상인지 확인
6. 필요시 볼트 개수 또는 크기 조정

9.2.5 강도한계상태의 설계강도(볼트)

강도한계상태에서는 접합부가 파괴되는 상태를 가정하여 볼트의 공칭강도를 산정하고, 강도감소계수 \( \phi \)를 곱해 설계강도 \( \phi R_n \)로 평가한다.

(1) 인장
고장력볼트 한 개의 공칭 인장강도
\[ P_{nt} = A_b F_{nt}, \qquad \phi_t = 0.75 \] 여기서 \(A_b\)는 볼트 공칭단면적, \(F_{nt}\)는 볼트 인장강도(기준식에서는 0.75\(F_{ub}\)로 취급하는 형태가 사용됨).
(2) 전단
볼트 전단에 대한 설계강도는 전단면(나사 포함 여부), 전단면 수(1면/2면), 볼트 등급에 따라 결정된다.
(일반적으로 전단면에 나사가 포함되면 공칭강도를 더 낮게 본다.)
(3) 인장력 및 전단력의 조합
볼트가 인장과 전단을 동시에 받을 때(상호작용):
\[ F'_{nt} = \frac{1.3 F_{nt}}{\left(\frac{F_{nt}}{\phi F_{nv}}\right)} \;\;\text{등의 형태로 제한식을 구성하며,}\; \left(\frac{T}{\phi P_{nt}}\right)^2 + \left(\frac{V}{\phi P_{nv}}\right)^2 \le 1 \] ※ 위 식의 표기/계수는 기준서(본문의 식 (9.3) 및 도해)에 따라 적용한다.

9.2.6 강도한계상태의 설계지압강도(구멍/연단)

지압강도는 볼트와 구멍벽이 접촉하여 발생하는 국부 압궤 및 찢김에 대한 저항이다. 연단거리와 볼트 간격이 충분하면 지압강도가 커지며, 부족하면 유효거리 \(L_c\)로 제한된다.

표준구멍(지압 또는 장공에 대한 일반식 개념)
(1) 하중방향이 구멍의 장축 방향과 평행(또는 표준구멍):
\[ R_n = 1.2 L_c t F_u \le 2.4 d t F_u, \qquad \phi = 0.75 \] (2) 장공의 장축 방향에 수직인 방향으로 지압을 받는 경우:
\[ R_n = 1.0 L_c t F_u \le 2.0 d t F_u, \qquad \phi = 0.75 \] 여기서 \(F_u\)=모재 인장강도, \(t\)=얇은 판 두께, \(d\)=볼트 지름, \(L_c\)=하중방향 유효거리.

9.2.7 사용성한계상태의 미끄럼강도(서비스)

마찰접합은 사용하중에서 미끄럼이 발생하지 않도록 미끄럼(서비스) 한계상태를 검토한다. 접합부의 미끄럼강도는 접합면의 마찰계수, 볼트 조임력, 전단면 수, 필러(필름) 유무 등에 영향을 받는다.

(1) 전단 — 설계미끄럼강도
(서비스 한계상태에서 고장력볼트 접합의 설계미끄럼강도 예)
\[ S_s = \mu h_s T_b N_s \] • \(\mu\): 마찰계수, \(h_s\): 슬립 계수(표면/도장/필러 조건), \(T_b\): 볼트 조임력, \(N_s\): 전단면 수
(2) 편심에 의한 볼트군 최대 지압(또는 전단) 효과
하중 작용선이 볼트군 중심을 지나지 않으면 편심모멘트 \(M_e = P\,e\)가 발생하며, 볼트군의 거리 \(r_i\)에 비례하여 부재력이 분배된다.
\[ \sum M_o = M_e - \sum R_i r_i = 0, \qquad R_i = k\,r_i, \qquad k = \frac{M_e}{\sum r_i^2} \] 따라서 가장 불리한 볼트(가장 큰 \(r\))에 대한 최대 부재력은
\[ R_{M} = M_e \frac{r_{max}}{\sum r_i^2} \]

예제(9.1 ~ 9-6) 정리

예제에서 반복되는 핵심 절차
1) 작용하중을 볼트에 작용하는 인장/전단 성분으로 분해
2) 볼트 1개당 작용응력(또는 하중) 산정
3) 볼트 강도(인장·전단·상호작용) 검토
4) 지압강도 및 연단/간격 조건 검토
5) 마찰접합이면 서비스 미끄럼 검토 추가
6) 편심이 있으면 볼트군 분배(모멘트 평형)로 최대볼트 검토

9.3 용접 접합

용접 접합은 부재를 일체화하여 하중전달이 연속적이며, 강성이 크다. 반면 용접 품질(결함, 변형, 잔류응력) 관리가 중요하고, 용접 위치·형태에 따라 시공성 및 성능이 크게 달라진다.

9.3.1 용접 재료와 위치

(1) 용접의 재료와 방법(아크·서브머지·일렉트로슬래그·스터드 등)

용접(welding)은 금속을 국부적으로 용융(또는 압접)하여 일체화하는 접합 방법이다. 용접부는 모재·용접금속·열영향부(HAZ)로 구성되며, 용접열 및 냉각 과정에서 잔류응력과 변형이 발생할 수 있다. 또한 용접 결함(기공, 융합불량 등)은 구조 성능에 치명적이므로 공정·재료·검사 관리가 중요하다. (PDF p.11~p.12)

1) 금속 아크용접

금속 아크용접은 전극과 모재 사이의 아크 열로 모재를 용융시키고, 용가재를 공급하여 접합한다. 교재 그림은 아크, 보호가스/슬래그, 용융풀의 형성을 통해 용접이 진행되는 모습을 설명한다. (PDF p.12~p.13)

2) 서브머지드 아크용접(SAW)

플럭스(Flux) 아래에서 아크를 발생시켜 용접하는 방식으로, 용접부가 외기에 직접 노출되지 않아 품질이 좋고 자동화에 유리하며 용접 속도가 빠르다. 두꺼운 판재 용접에 널리 쓰인다. (PDF p.14)

3) 일렉트로슬래그용접(ESW)

두꺼운 강판을 수직 방향으로 용접할 때 사용하는 방법 leading to slag resistance heating; 두꺼운 부재에서 유리하나 열입열이 크므로 HAZ 특성에 유의한다. (PDF p.14~p.15)

4) 스터드용접

스터드(전단연결재 등)를 모재에 용접하는 방법으로, 전단스터드 시공에 널리 사용된다. (PDF p.15)

5) 전기저항용접, 가스용접(개요)

전기저항용접은 접촉면의 전기저항 발열과 압력을 이용한 용접이며, 가스용접은 가스 연소열로 용접하는 방식이다. (PDF p.16)

(2) 용접의 위치

용접 작업의 숙련도와 자세(상향, 수평, 수직 등)에 따라 품질이 달라질 수 있으므로, 설계에서는 가능한 하향(다운핸드) 자세에서 시공되도록 용접 위치를 계획하는 것이 바람직하다. 현장 여건상 불가피하면, 그에 맞는 공법·검사·품질관리를 강화한다.

9.3.2 용접과 용접 이음부의 형태

강구조에서 대표적인 용접 이음부 형태는 그루브용접, 필릿용접이며, 특수하게 플러그용접·슬롯용접도 사용된다. 또한 맞댐이음(butt), 겹침이음(lap), T형이음, 모서리이음(corner), 끝이음(edge) 등 다양한 이음 형식이 있다.





설계·시공 시 포인트
• 용접부는 하중 흐름이 자연스럽게 전달되도록 배치(급격한 단면 변화/응력집중 최소화)
• 용접 결함(슬래그, 기공, 언더컷 등) 방지 및 비파괴검사(NDT) 계획
• 용접 변형(수축)과 잔류응력 고려: 용접 순서·치구·역변형 등 시공계획 포함



용접은 모재를 국부적으로 가열하여 접합하는 방법으로, 강구조에서 가장 널리 사용되는 접합 방식이다. 용접부의 강도는 모재 강도 이상을 확보해야 하며, 용접 품질 관리가 매우 중요하다.

9.3.3 그루브용접 (Groove Weld)

맞대기용접(Butt Welding)
• 두 금속 부재의 끝단을 맞대어 용접하는 방식 전체를 지칭
• 맞대기용접은 큰 범주이고, 그루브용접은 맞대기용접의 한 형태이다.


그루브용접은 두 부재 사이의 홈(groove, 개선)을 용접재로 채우는 방식으로, 완전용입용접과 부분용입용접으로 구분된다.

완전용입 그루브용접 (Complete Joint Penetration, CJP)
• 용접재가 모재 두께 전체를 관통하여 채워진 용접
• 인장, 압축, 전단, 휨 등 모든 응력에 대해 모재와 동등한 강도 발휘
• 설계강도 = 모재의 설계강도

부분용입 그루브용접 (Partial Joint Penetration, PJP)
• 용접재가 모재 두께의 일부만 채워진 용접
• 유효목두께(effective throat)를 기준으로 강도 산정
• 주로 전단력 전달용으로 사용



• 그루브 형상
V형, U형, J형, 베벨형 등 다양한 개선(Groove, 開先, 용접하기 전에 미리 홈을 냄) 형상이 있으며, 판 두께와 용접 위치에 따라 선정한다.

• 용접 개선(Groove)
두꺼운 모재를 용접할 때 홈을 파서 용접부의 완전한 용입과 강도를 확보하고 변형을 줄이는 방법으로, V자, X자 등 다양한 홈 모양(개선각)이 있으며, 루트 간격, 루트면 등을 조절해 용접 품질을 높이며, 후판 용접 시 필수적이다.



부분용입 그루브용접 설계강도:
전단: \( \phi R_n = \phi \times 0.6 F_{EXX} \times A_{we} \)
인장 (수직응력): \( \phi R_n = \phi \times 0.6 F_{EXX} \times A_{we} \)

여기서,
\( \phi \) = 0.75 (강도감소계수, LRFD)
\( F_{EXX} \) = 용접재의 인장강도 (MPa)
\( A_{we} \) = 유효 용접단면적 = 유효목두께 × 용접길이

•주의사항:

•그루브용접 시 이면 거칠기 제거, 적절한 예열, 패스 간 슬래그 제거 등 품질관리가 필수적이다.

•용접 시 예열(Pre-heating)은 용접 전 모재를 일정 온도 이상으로 가열해 균열을 막고 냉각 속도를 늦추는 과정이며,
후열(Post-heating / PWHT: Post Weld Heat Treatment)은 용접 후 잔류 응력을 제거하고 용접부 내 수소를 배출시켜 균열을 방지하는 열처리로, 저온 가열(100~200℃)이 대표적이며, 이는 재료의 강도와 인성을 향상시키는 데 필수적이다.

9.3.4 필릿용접 (Fillet Weld, 모살용접)

필릿용접은 두 부재가 직각 또는 각도를 이루며 만날 때 모서리에 삼각형 단면으로 용착하는 용접 방식으로, 강구조에서 가장 많이 사용된다.



필릿용접 치수
• 사이즈 (a): 필릿 다리길이 (leg size)
• 목두께 (t): 용접 루트에서 표면까지 최단거리
  - 등변 필릿: \( t = 0.707a \)
  - 부등변 필릿: 별도 계산 필요
• 유효길이: 필릿 전체 길이 - 2배 사이즈 (시·종단부 결함 고려)
필릿용접 설계강도:
\( \phi R_n = \phi \times 0.6 F_{EXX} \times A_{we} \)
\( A_{we} = t_e \times L_{eff} \)

여기서,
\( \phi \) = 0.75 (강도감소계수)
\( F_{EXX} \) = 용접재 인장강도 (MPa)
\( t_e \) = 유효목두께 (mm)
\( L_{eff} \) = 유효 용접길이 (mm)

최소 사이즈: 모재 두께에 따라 KDS 41 31 00에서 규정

• 6mm 이하: 3mm
• 6mm 초과 ~ 13mm 이하: 5mm
• 13mm 초과 ~ 19mm 이하: 6mm
• 19mm 초과: 8mm

최대 사이즈:

• 6mm 미만 모재: 모재 두께
• 6mm 이상 모재: 모재 두께 - 1.5mm



주의사항:

• 필릿용접은 전단파괴가 지배적이므로 0.6 계수 적용
• 용접선이 하중방향과 이루는 각도는 강도에 영향을 미침
• 언더컷(undercut), 오버랩(overlap) 등 결함 방지 필요
• 시작점과 끝점의 크레이터(crater) 처리 중요

9.3.5 플러그 및 슬롯용접 (Plug & Slot Weld)

겹친 판재에서 상부 판에 구멍(원형 또는 장공)을 뚫고 그 안을 용접재로 채우는 방식으로, 주로 전단력 전달에 사용된다.



플러그용접 (Plug Weld)
• 원형 구멍에 용접재를 충전
• 구멍 지름: 최소 (판두께 + 8mm), 최대 2.25배 판두께
• 간격: 중심 간 최소 4배 구멍지름

슬롯용접 (Slot Weld)
• 장공 형태의 구멍에 용접재를 충전
• 폭: 최대 2.25배 판두께
• 길이: 10배 판두께 이하
• 모서리에서 거리: 최소 1.5배 판두께
플러그/슬롯용접 설계강도:
전단: \( \phi R_n = \phi \times 0.6 F_{EXX} \times A_{eff} \)

플러그용접 유효면적:
\( A_{eff} = \frac{\pi d^2}{4} \) (구멍의 단면적)

슬롯용접 유효면적:
\( A_{eff} = L \times w \) (장공의 면적)

여기서,
\( \phi \) = 0.75
\( F_{EXX} \) = 용접재 인장강도 (MPa)
\( d \) = 플러그 구멍 지름 (mm)
\( L, w \) = 슬롯의 길이 및 폭 (mm)

적용: 강상판과 거더 연결, 보강판 접합, 접근이 어려운 부위 등에 제한적으로 사용된다.

주의사항:

• 구조적 주요 부재 접합에는 사용 제한
• 반드시 완전 충전되어야 함
• 겹침부의 밀착 상태 확인 필수

9.4 용접 검사

용접 검사는 용접부의 품질을 확인하고 결함을 찾아내어 구조물의 안전성과 신뢰성을 확보하는 필수적인 과정이다. 검사 방법은 크게 비파괴검사(NDT, Non-Destructive Testing)와 파괴검사(Destructive Testing)로 구분되며, 실무에서는 제품을 손상시키지 않는 비파괴검사가 주로 사용된다.

용접 검사의 목적
• 용접부의 내부 및 표면 결함 검출
• 용접 품질이 설계 기준 및 시방서 요구사항을 만족하는지 확인
• 구조물의 안전성 및 사용 수명 확보
• 용접 절차 및 용접사의 자격 검증

9.4.1 비파괴검사 (NDT)

비파괴검사는 재료나 구조물을 파괴하지 않고 내부 및 표면의 결함을 검출하는 방법으로, 용접 검사에서 가장 널리 사용된다. 주요 비파괴검사 방법은 다음과 같다.

(1) 육안검사 (Visual Testing, VT)

가장 기본적이고 경제적인 검사 방법으로, 용접부 표면의 결함을 육안으로 확인한다. 균열, 언더컷, 오버랩, 표면 기공, 용접 비드 형상 등을 검사할 수 있다.

• 장점: 즉시 실시 가능, 경제적, 특별한 장비 불필요
• 단점: 표면 결함만 검출, 검사자의 숙련도에 따라 결과 차이
• 적용: 모든 용접부의 1차 검사, 확대경이나 내시경 사용 가능

(2) 침투탐상검사 (Penetrant Testing, PT)

표면 개구 결함 검출에 효과적인 방법이다. 용접부 표면에 침투액을 도포한 후 세척하고 현상제를 뿌리면 결함 부위에 스며든 침투액이 배어나와 결함을 시각화한다.

• 원리: 모세관 현상을 이용하여 침투액이 미세한 균열 속으로 침투
• 장점: 비자성 재료에도 사용 가능, 복잡한 형상 검사 가능, 비교적 저렴
• 단점: 표면 개구 결함만 검출, 다공성 재료에는 부적합
• 적용: 스테인리스강, 알루미늄 등 비자성 재료의 표면 균열 검사

(3) 자분탐상검사 (Magnetic Particle Testing, MT)

강자성 재료 전용 검사법으로, 용접부에 자장을 형성시키고 자분을 뿌리면 결함 부위에서 자속이 누설되어 자분이 모이는 원리를 이용한다.

• 원리: 자속의 누설을 자분으로 가시화
• 장점: 표면 및 표면 근처 결함 검출, 빠른 검사, 비교적 저렴
• 단점: 강자성 재료에만 적용, 검사 후 탈자 필요
• 적용: 탄소강, 저합금강 용접부의 표면 균열 검사

(4) 방사선투과검사 (Radiographic Testing, RT)

X선이나 감마선(γ-ray)을 이용하여 용접부 내부를 투과 촬영하는 방법이다. 기공, 슬래그 혼입, 용입불량, 내부 균열 등을 필름이나 디지털 이미지로 확인할 수 있다.

• 원리: 방사선이 재료를 투과할 때 결함 부위에서 투과량이 달라지는 현상 이용
• 장점: 내부 결함 검출에 매우 효과적, 영구 기록 가능
• 단점: 방사선 안전관리 필요, 비용이 높음, 판상 결함(균열) 검출 어려움
• 적용: 압력용기, 배관, 중요 구조물의 내부 결함 검사

(5) 초음파탐상검사 (Ultrasonic Testing, UT)

초음파를 용접부에 투과시켜 반사파를 분석하는 방법이다. 내부 결함의 위치와 크기를 정량적으로 평가할 수 있으며, 두꺼운 재료의 검사에 적합하다.

• 원리: 초음파의 반사 및 투과 특성을 이용하여 결함 검출
• 장점: 내부 결함 검출 우수, 두께 측정 가능, 실시간 검사, 방사선 위험 없음
• 단점: 검사자의 숙련도 요구, 표면 거칠기에 민감, 복잡한 형상 검사 어려움
• 적용: 후판 용접부, 배관 용접부, RT 대체 검사

(6) 와전류탐상검사 (Eddy Current Testing, ET)

전도성 재료에 교류 전류를 흘려 발생한 와전류의 변화로 결함을 검출하는 방법이다. 주로 열교환기 튜브나 얇은 판재 용접부 검사에 활용된다.

• 원리: 전자기 유도에 의한 와전류의 변화 측정
• 장점: 빠른 검사 속도, 비접촉 검사 가능, 자동화 용이
• 단점: 전도성 재료에만 적용, 표면 또는 표면 근처 결함만 검출
• 적용: 열교환기 튜브, 얇은 판재, 표면 균열 검사



비파괴검사 방법 선택 기준
• 재료의 종류 (자성/비자성, 전도성)
• 검출하려는 결함의 종류 (표면/내부, 크기)
• 용접부의 두께 및 형상
• 요구되는 검사 정확도 및 신뢰성
• 경제성 및 검사 시간
• 안전 및 환경적 고려사항

9.4.2 파괴검사

파괴검사는 시험편을 채취하여 기계적 성질과 내부 조직을 직접 확인하는 방법으로, 주로 용접 절차 승인(WPS), 용접사 자격 시험(WQT), 품질 검증 등에 사용된다.

(1) 인장시험 (Tensile Test)

용접부의 인장강도, 항복강도, 연신율 등을 측정하여 기계적 성질을 평가한다. 용접부가 모재와 동등한 강도를 갖는지 확인한다.

(2) 굽힘시험 (Bend Test)

용접부의 연성을 평가하는 시험으로, 표면 굽힘시험, 이면 굽힘시험, 측면 굽힘시험 등이 있다. 용접부에 균열이나 결함이 없는지 확인한다.

(3) 충격시험 (Impact Test, Charpy Test)

용접부의 인성(충격 흡수 에너지)을 측정하여 저온 취성을 평가한다. 특히 저온 환경에서 사용되는 구조물의 용접부 검사에 중요하다.

(4) 경도시험 (Hardness Test)

용접부, 열영향부(HAZ), 모재의 경도를 측정하여 조직 변화와 기계적 성질을 평가한다. 비커스 경도시험(Vickers), 로크웰 경도시험(Rockwell) 등이 사용된다.

(5) 매크로/마이크로 시험 (Macro/Micro Test)

용접부 단면을 연마하고 부식시켜 조직을 관찰한다. 용입 깊이, 기공, 슬래그, 균열 등의 내부 결함과 조직 상태를 확인할 수 있다.

• 매크로 시험: 육안 또는 저배율 확대경으로 관찰 (용입 형상, 거시 결함)
• 마이크로 시험: 현미경으로 조직 관찰 (미세 조직, 상 분포)
파괴검사의 적용
• 용접 절차 승인(WPS, Welding Procedure Specification) 시험
• 용접사 자격 시험(WQT, Welder Qualification Test)
• 생산 용접의 품질 검증 (샘플링 검사)
• 용접 결함 원인 분석 (실패 분석)

9.4.3 용접 결함의 종류

용접 과정에서 발생할 수 있는 주요 결함은 다음과 같다. 이러한 결함들은 구조물의 강도와 내구성을 저하시킬 수 있으므로 적절한 검사와 보수가 필요하다.

(1) 균열 (Crack)

용접부에서 가장 위험한 결함으로, 응력집중을 유발하여 파괴의 원인이 된다. 고온 균열(용접 중 발생)과 저온 균열(냉각 중 발생)로 구분된다.

• 종류: 종균열, 횡균열, 크레이터 균열, 토우 균열, 루트 균열
• 원인: 과도한 구속, 수소 취성, 부적절한 용접 조건, 예열 부족

(2) 기공 (Porosity, Blow Hole)

용접 금속 내부에 가스가 갇혀 생긴 구멍으로, 강도를 저하시킨다.

• 원인: 수분, 녹, 불순물, 부적절한 차폐가스, 과도한 아크 길이

(3) 슬래그 혼입 (Slag Inclusion)

용접 금속 내부나 층간에 슬래그(비금속 물질)가 혼입된 결함이다.

• 원인: 불완전한 슬래그 제거, 부적절한 용접 각도, 과도한 용접 속도

(4) 용입불량 (Incomplete Penetration, Lack of Penetration)

용접 금속이 모재의 루트(root)까지 완전히 용융되지 않은 상태로, 강도 저하의 원인이 된다.

• 원인: 낮은 용접 전류, 빠른 용접 속도, 부적절한 개선 형상, 루트 간격 부족

(5) 용융불량 (Incomplete Fusion, Lack of Fusion)

용접 금속과 모재 또는 이전 비드 간에 완전한 용융이 이루어지지 않은 결함이다.

• 원인: 낮은 용접 전류, 부적절한 용접 각도, 산화물이나 슬래그 미제거

(6) 언더컷 (Undercut)

용접 비드 가장자리의 모재가 용융되어 홈이 파인 결함으로, 응력집중을 유발한다.

• 원인: 과도한 용접 전류, 빠른 용접 속도, 부적절한 용접봉 각도

(7) 오버랩 (Overlap)

용접 금속이 모재 위로 넘쳐 흘러내려 모재와 용융되지 않고 덮인 결함이다.

• 원인: 낮은 용접 전류, 느린 용접 속도, 부적절한 용접봉 각도

(8) 변형 및 잔류응력 (Distortion & Residual Stress)

용접 시 국부 가열로 인한 열팽창과 수축으로 변형과 잔류응력이 발생한다.

• 대책: 적절한 용접 순서, 역변형, 치구 사용, 예열 및 후열처리(PWHT)



용접 품질 관리 포인트
• 적절한 용접 절차(WPS) 수립 및 준수
• 용접사 자격 확인 및 관리
• 용접 전 모재 표면 청정 (녹, 기름, 도장 제거)
• 적절한 예열 및 층간 온도 관리
• 패스 간 슬래그 및 스패터 제거
• 용접 후 비파괴검사 실시
• 필요 시 후열처리(PWHT)로 잔류응력 제거

용접 검사는 구조물의 품질을 보증하는 핵심 과정이므로, 설계 단계부터 적절한 검사 계획을 수립하고 시공 중 철저히 관리해야 한다. 중요 구조물일수록 여러 검사 방법을 조합하여 사용하며, 압력용기나 항공기 부품 같은 경우 더욱 엄격한 다단계 검사를 실시한다.

9.4.4 용접 자세