알루미늄구조: 용접부에서 25 mm 안쪽은 다른 재료로 계산한다

알루미늄구조 설계에서는 용접부로부터 25 mm 안쪽을 다른 재료처럼 다룬다. 알루미늄 합금의 강도는 열처리(템퍼)로 만들어지는데, 용접의 열이 그 열처리를 국부적으로 되돌리기 때문이다. 그래서 기준의 기호 목록에는 용접의 영향을 받은 단면적과 받지 않은 단면적이 나란히 정의되어 있다.

세 가지 상황에서 쓴다. ① 커튼월과 지붕 구조 — 가벼운 압출 형재로 큰 면을 만든다. ② 보행교와 캐노피 — 부식 환경에서 도장 없이 쓴다. ③ 이동·조립식 구조 — 자중이 설계를 지배하는 경우다.

이 글은 KDS 41 80 10 알루미늄구조 설계기준의 조문을 인용한다. 좌굴계수 공식표와 합금별 공칭강도표는 옮기지 않았다.

1. 재료정수부터 다르다

3.1은 알루미늄의 재료정수를 표로 고정한다(표 3.1-1).

재료정수값

탄성계수 E70,000 MPa

전단탄성계수 G26,000 MPa

푸아송비0.33

선팽창계수23 × 10⁻⁶ /℃

밀도2.7 × 10³ kg/m³

설계에서 나타나는 결과는 두 가지다. 탄성계수가 낮아 같은 단면에서 처짐이 크다. 강도보다 처짐과 진동이 먼저 설계를 지배하는 경우가 많고, 좌굴 검토도 더 일찍 걸린다. 그리고 선팽창계수가 커서 온도에 따라 더 많이 움직인다 — 길이가 긴 커튼월 멀리언과 지붕 부재에서 신축 상세가 강구조보다 중요해진다.

강도는 인장항복강도에서 파생된다. 표 1.6-1은 전단항복강도와 전단극한강도에 0.6을, 압축항복강도에는 비용접 H 템퍼재료에 0.9를 적용해 설계기준 재료강도를 정한다(1.6.3 (2)). 그리고 해석에는 조건이 붙는다 — "구조 부재와 접합부의 소요강도는 탄성해석으로 산정한다"(1.6.3 (1)). 소성 재분배를 전제하지 않는다.

2. 좌굴계수가 열처리 기호로 갈린다

알루미늄의 강도는 합금 성분만이 아니라 열처리 상태(템퍼)로 결정된다. 기준은 그 차이를 좌굴계수 단계에서 반영한다.

표 1.6-2 열처리 명칭이 O, H, T1, T2, T4로 시작하는 제품의 좌굴계수 공식 / 표 1.6-3 열처리 명칭이 T5, T6, T7, T8, T9로 시작하는 제품의 좌굴계수 공식 — KDS 41 80 10, 1.6.4

표 1.6-2 열처리 명칭이 O, H, T1, T2, T4로 시작하는 제품의 좌굴계수 공식 / 표 1.6-3 열처리 명칭이 T5, T6, T7, T8, T9로 시작하는 제품의 좌굴계수 공식 — KDS 41 80 10, 1.6.4

두 표는 기둥과 보 플랜지 압축, 평판 요소의 축방향 압축, 곡면 요소의 축방향 압축, 평판·곡면 요소의 휨압축, 평판 요소의 전단에 대해 각각 Y절편·기울기·교차점을 준다. 좌굴 곡선을 직선 구간으로 근사하고, 그 직선의 절편과 기울기를 템퍼별로 다르게 준다는 뜻이다.

같은 형상의 부재라도 템퍼가 다르면 다른 좌굴 곡선을 쓴다. 강재에서 항복강도가 좌굴 곡선의 위치를 정하는 것과 비슷하지만, 알루미늄은 명확한 항복점이 없어 곡선의 모양 자체가 달라지기 때문에 표를 나눈다.

3. 용접부에서 25 mm — 강도가 바뀌는 경계

인장재 설계는 용접 여부로 식이 갈린다. 4.1.1은 총단면의 항복한계상태와 유효순단면의 파단한계상태를 각각 용접되지 않은 부재와 용접된 부재로 나누어 규정한다. 강도저항계수는 항복한계상태 0.90, 파단한계상태 0.75다.

표 4.1-1 인장재 설계를 위한 계수 — 용접되지 않았거나 용접부로부터 25 mm 떨어진 영역 / 용접부로부터 25 mm 이내인 영역 — KDS 41 80 10, 4.1.1

표 4.1-1 인장재 설계를 위한 계수 — 용접되지 않았거나 용접부로부터 25 mm 떨어진 영역 / 용접부로부터 25 mm 이내인 영역 — KDS 41 80 10, 4.1.1

표는 합금·열처리별로 계수를 주며, 2014-T6 계열은 1.25, 6066-T6와 6070-T6 계열은 1.1이 비용접 영역에 적용된다. 그리고 이 합금들은 25 mm 이내 영역의 값이 비어 있다 — 용접 영향 구간에서는 이 계수를 쓸 수 없다는 뜻이다.

25 mm는 열영향부의 폭이다. 용접 열이 퍼져 나가면서 그 범위의 재료는 시효경화나 가공경화가 풀려 강도가 떨어진다. 용접부를 강도가 온전한 모재와 같이 볼 수 없다는 뜻이고, 알루미늄에서는 그 영향이 강도값 자체를 바꾸는 형태로 나타난다. 그래서 기호 목록에 "용접의 영향을 받은 구간의 유효순단면적", "전체 단면이 용접의 영향을 받은 경우의 전단응력" 같은 항목이 별도로 정의된다.

여기서 나오는 설계 지침은 분명하다 — 용접을 응력이 큰 자리에서 떨어뜨린다. 부재 중앙의 최대 모멘트 위치나 접합부의 최대 인장 위치에 용접을 두면, 그 구간만 다른 재료가 된다.

4. 접합부는 강구조 기준을 준용하되 예외가 있다

접합부 설계는 "기본적으로 KDS 14 31 25(4.1)에 따른다"(4.7 (1)). 강구조의 접합부 규정을 가져오되, 알루미늄을 위한 특별고려사항을 덧붙이는 구조다.

항목규정

접합재와 용접의 조합조합된 경우 접합재는 하중을 분담하지 않는 것으로 간주한다

인장 부재의 접합재 간격피치와 게이지는 75 + 20t (mm) 이하 (t는 외부 부재의 두께)

압축 부재의 외부 부재피치를 유효길이로 하여 압축재 요구조건을 만족해야 하며, 여러 열이면 게이지를 폭으로 보고 검토

완전용입용접으로 보는 그루브용접① 양면 용접 + 백가우징 ② 뒷댐재를 사용한 한쪽 면 용접 ③ 뒷댐재 없이 AC-GTAW로 루트를 용접한 한쪽 면 용접 ④ 키홀 모드 한쪽 면 용접

접합재와 용접을 함께 쓰면 접합재를 세지 않는다는 조문이 핵심이다. 볼트는 구멍의 여유만큼 미끄러진 뒤에야 힘을 받고 용접은 처음부터 받으므로, 둘이 같은 접합부에 있으면 용접이 먼저 다 받는다. 강구조에서도 같은 원칙이 적용되지만, 알루미늄에서는 용접 자체가 열영향부를 만들기 때문에 이 조합의 불리함이 더 크다.

압축 부재의 접합재 피치를 유효길이로 본다는 규정도 눈여겨볼 만하다. 조립 압축재에서 접합재 사이의 구간은 개별 부재가 따로 좌굴할 수 있으므로, 피치 자체가 좌굴 길이가 된다.

완전용입용접의 정의에 용접 공정이 직접 들어 있다는 점도 특징이다. 형상과 검사 결과가 아니라 어떻게 용접했는가로 완전용입 여부를 판정한다 — 백가우징을 했는지, 뒷댐재를 썼는지, 루트를 AC-GTAW로 용접했는지, 키홀 모드였는지가 조문에 그대로 나열되어 있다.

5. 정리

재료정수는 E = 70,000 MPa, G = 26,000 MPa, 선팽창계수 23 × 10⁻⁶/℃다. 처짐과 온도변형이 설계를 먼저 지배하는 경우가 많다.

설계기준 강도는 인장항복강도에서 파생된다 — 전단에 0.6, 비용접 H 템퍼재의 압축에 0.9.

소요강도는 탄성해석으로 산정한다. 소성 재분배를 전제하지 않는다.

좌굴계수 표가 템퍼로 갈린다 — O·H·T1·T2·T4 계열과 T5·T6·T7·T8·T9 계열이 다른 Y절편·기울기·교차점을 쓴다.

용접부로부터 25 mm가 강도의 경계다. 인장재 설계계수는 25 mm 밖과 안이 다르고, 일부 합금은 25 mm 이내에서 값이 주어지지 않는다.

인장재 강도저항계수는 항복 0.90, 파단 0.75이며, 용접된 부재와 되지 않은 부재의 식이 나뉜다.

접합재와 용접을 함께 쓰면 접합재는 하중을 분담하지 않는 것으로 본다. 인장재 접합재의 피치·게이지는 75 + 20t mm 이하.

완전용입용접은 형상이 아니라 공정으로 정의된다 — 백가우징, 뒷댐재, AC-GTAW, 키홀 모드.

알루미늄구조 기준을 관통하는 것은 강도가 재료가 아니라 열 이력의 결과라는 점이다. 합금 번호만으로는 강도가 정해지지 않고 템퍼가 함께 있어야 하며, 용접을 하면 그 열 이력이 국부적으로 지워진다. 그래서 조문은 부재를 하나의 재료로 보지 않고 용접에서 25 mm 떨어진 부분과 그 안쪽으로 나눠서 계산하게 한다.