개념 한 쪽
용접 구조물의 설계는 용접부에 작용하는 하중과 재료의 허용응력을 바탕으로 단면과 길이 등을 결정하는 과정이다.
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출제기준 단원 「용접 구조물의 설계」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 허용응력으로 판 두께 산정 | 1 | 주어진 하중과 허용응력으로 단면적과 두께를 계산하여 치수를 결정하는 능력 |
| 부하 종류 식별 | 1 | 용접이음에 작용하는 외력(힘과 모멘트)과 재료 특성값을 구분하는 능력 |
| 설계 원칙(응력 분산) 판단 | 1 | 용접부 집중·교차 등 응력 집중 유발 설계의 부적합성 판단 |
용접부의 설계는 외부에서 작용하는 하중을 파악하고 그 하중을 견딜 수 있는 단면적이나 용접 길이를 산정하는 일을 포함한다. 하중과 허용응력의 관계식 P/σa를 통해 필요한 단면적을 구하고, 단면적을 폭이나 두께로 나누어 치수를 결정한다.
용접이음에 작용하는 부하는 수직력 같은 직선력뿐 아니라 굽힘모멘트와 비틀림모멘트 같은 회전성 하중도 포함한다. 반면 응력강도나 허용응력은 외부 부하가 아니라 재료의 고유 특성값으로서 부하의 종류와 구분해야 한다.
설계 원칙으로는 용접부의 집중이나 교차를 피해 응력을 분산시키고, 불연속부나 노치부 등 응력 집중을 유발하는 형상을 줄이며, 용접 변형을 줄이기 위해 용접 길이와 용착 금속량을 최소화하고 구속력을 확보하는 방향으로 설계해야 한다. 충격 하중이나 반복하중이 예상되는 경우에는 정적 하중보다 큰 안전율을 적용해야 한다.
용접 홈의 형상 선택은 판 두께와 용입 방법을 고려하여 결정한다. X형 홈은 양면 용접으로 두꺼운 판에 완전 용입을 얻는 데 적합하고, U형 홈은 한쪽에서 깊은 용입을 얻는 경우에 주로 사용한다. I형과 V형은 가공성과 용착량의 관점에서 선택 기준이 된다.
예1 — 강판 두께 산정: 인장·압축의 반복하중 30 ton(=30,000kgf)이 폭 600mm인 두 장의 강판에 작용하고 허용응력 σa=6.3kgf/mm²일 때 필요한 두께는 다음과 같이 계산한다. 먼저 필요한 단면적 A = P / σa = 30,000 / 6.3 ≈ 4,761.9 mm²이고, 두께 t = A / b = 4,761.9 / 600 ≈ 7.94 mm이므로 약 8 mm가 설계상 적절하다.
예2 — 용접부 최소 길이 산정: 용접 음부에 인장하중 4536 kgf가 작용하고 허용인장응력 σ=14.06 kgf/mm², 모재 두께 t=6.4 mm일 때 필요한 용접부 길이 L은 L = P / (σ × t) 이므로 L = 4536 / (14.06 × 6.4) ≈ 50.4 mm가 되어 약 50.4 mm 이상의 용접 길이를 확보해야 한다.
용접부에 인장, 압축의 반복하중 30 ton 이 작용하는 폭이 600mm 인 두 장의 강판을 I 형 맞대기 용접 하였을 때, 두 강판의 두께가 몇 mm 이면 견딜 수 있겠는가? (단, 허용응력 σa=6.3kf/mm² 로 한다.)
정답 ④ · 강판이 하중을 견디기 위해 필요한 단면적을 구하고 두께를 역산하는 문제입니다. 인장 하중 30톤은 30000kgf이므로, 필요 단면적 A = P / σa = 30000 / 6.3 = 약 4761.9mm²입니다.
필요 단면적은 하중을 허용응력으로 나누고, 이를 폭으로 나누어 두께를 계산한다.
용접이음의 강도는 이음에 어떤 부하가 작용하는지를 생각해야 하는데 그 부하에 속하지 않는 것은?
정답 ④ · 문제는 용접이음에 작용하는 부하의 유형들 중 포함되지 않는 것을 묻고 있다. 구조물에 작용하는 외부 부하는 힘과 모멘트로 구분되며 수직력(P), 굽힘모멘트(H), 비틀림모멘트(T)는 모두 외부 하중에 해당한다.
용접이음에 작용하는 외력 부하에는 힘과 모멘트가 포함되나, 응력강도는 재료의 고유 특성값이므로 부하가 아니다.
용접구조물을 설계할 때 주의 해야 할 사항 중 틀린 것은?
정답 ④ · 문제는 용접구조물 설계 시 주의해야 할 사항 중 틀린 것을 묻고 있다. 용접부의 응력 집중을 피하고 응력 분산을 고려하는 것이 설계 원칙이므로 용접 이음을 한 곳에 집중시키거나 교차시키면 국부 응력 집중이 심해져 피로와 균열 발생 위험이 커진다.
용접이음을 집중·교차하면 응력 집중이 심해지므로, 분산 설계가 필수적이다.
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