N5-0330분
용접이음부 강도계산 심화
맞대기·필릿 이음 허용응력, 편심하중, 복합하중
🟡Referenced — 전문가 참조
🟡 Referenced
맞대기 이음(Butt Joint) 강도계산
맞대기 용접의 허용응력은 용접부의 검사 수준에 따라 달라집니다.
- 완전 용입(CJP) + RT/UT 검사: 모재 허용응력의 100%
- 완전 용입(CJP) + VT만: 모재 허용응력의 80% (인장), 90% (압축)
- 부분 용입(PJP): 용입 깊이 기준으로 계산
유효 면적 = 유효 목두께(te) × 유효길이(Le)이며, 맞대기 용접의 te는 판 두께(얇은 쪽)와 같습니다.
🟡 Referenced
필릿용접 강도계산
필릿용접의 핵심은 목두께(Throat, a)입니다.
- 이론 목두께: a = S × cos 45° ≈ 0.707 × S (S: 필릿 크기, leg size)
- 유효길이: 전체 길이에서 양단 각 S만큼 감산, 또는 Le = L - 2S
- 전단면적: A_eff = a × Le
필릿용접의 허용 전단응력은 AWS D1.1 기준 0.30 × F_EXX (F_EXX: 용접금속 인장강도)이며, 예를 들어 E70XX 전극 사용 시 0.30 × 70 = 21 ksi (145 MPa)입니다.
🟡 Referenced
편심하중과 복합하중
편심하중(Eccentric Load)이 용접 이음부에 작용하면 직접 전단과 편심 모멘트에 의한 부가 전단이 동시에 발생합니다.
- 직접 전단: τ_d = P / (a × ΣL)
- 편심 전단: τ_e = M × r / J (J: 용접군의 극관성 모멘트, r: 중심에서 최원점까지 거리)
- 합성 전단: 벡터 합으로 τ_max를 구하고 허용값과 비교
복합하중(인장+전단, 굽힘+전단)이 작용하는 경우에는 상호작용 공식을 적용합니다:
(σ/σ_all)² + (τ/τ_all)² ≤ 1.0
AWS D1.1 Table 2.3에 용접 유형별 허용응력이 정리되어 있습니다. 시험에서는 CJP/PJP/필릿 각각의 허용응력 차이와 적용 조건을 구분하는 문제가 자주 출제됩니다.
필릿용접은 목두께 방향(45° 단면)의 전단으로 파단되므로, 허용응력은 항상 전단응력 기준입니다. 이것이 맞대기 용접(인장/압축 기준)과 다른 핵심 차이입니다.
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하중 분석
용접 이음부에 작용하는 하중의 종류(인장, 전단, 굽힘, 편심)와 크기를 파악합니다. 복합하중인 경우 각 성분으로 분리하여 개별 응력을 계산할 준비를 합니다.
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유효 목두께 계산
필릿 크기(S)로부터 유효 목두께 a = 0.707 × S를 계산합니다. 부등각 필릿이나 깊은 용입 필릿의 경우 실제 목두께를 별도로 산정합니다.
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유효길이 결정
용접의 전체 길이에서 양 끝단의 크레이터 부분(각 S)을 감산하여 유효길이 Le = L − 2S를 결정합니다. 단속 필릿용접의 경우 각 용접 세그먼트의 유효길이를 합산합니다.
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전단응력 계산
유효 전단면적(A_eff = a × Le)으로 작용 하중을 나누어 전단응력 τ = P / A_eff를 계산합니다. 편심하중이 있으면 직접 전단과 편심 전단의 벡터 합을 구합니다.
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허용응력 비교 판정
계산된 전단응력을 허용 전단응력(AWS D1.1: 0.30 × F_EXX)과 비교합니다. τ ≤ τ_all이면 합격, 초과하면 필릿 크기 증가 또는 용접길이 연장으로 설계를 수정합니다.
이음 강도 시험 함정 5종 1. "필릿 유효 목두께 공식?" → a = 0.707 × S (S=다리 길이). cos 45° = √2/2. 2. "허용 전단응력 (AWS D1.1, E70XX)?" → 0.30 × F_EXX = 0.30 × 70 = 21 ksi (≈ 145 MPa). 3. "유효 길이 L_e?" → 실제 길이 − 2S (양끝 크레이터 공제). 최소 유효 길이 ≥ 4S. 4. "CJP vs PJP — 강도?" → CJP(완전 용입) = 모재 강도 동등. PJP는 그루브 깊이만 유효. 5. "편심 하중 시 분석?" → 직접 전단 + 편심 전단의 벡터 합. 가장 멀리 떨어진 용접부에 최대 응력.
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