_이음_이란 연장 또는 증대를 위해 사용되는 연결을 말한다. 이음은 예를 들어 이용 가능한 압연재의 길이나 폭이 충분하지 않을 때 필요하며, 조립 시에는 운반되는 개별 요소의 치수와 중량이 제한되기 때문에 필요하다. _클램프판_은 이음의 단절부를 덮는 판을 말한다. 그 밖의 모든 연결, 특히 서로 다른 방향의 격자 부재와 서로 다른 평면의 보 사이의 연결은 _접속부_라고 한다.
일반적인 이음부에서는 이음부의 클램프와 리벳을 전체 힘에 맞춰 설계한다. 따라서 보통의 이음에서는 접합면이 서로 맞닿을 것을 요구하지 않는다.
인장 및 압축 봉재의 주요 적용 분야(이는 주로 축력의 작용을 받는 진정한 봉재이다)는 _트러스_이다. 이 절에서는 압축 봉재의 좌굴 위험은 고려하지 않는다. 먼저 정적 강도를 검토한다.
인장봉의 구멍에 대한 감액
내하력: 인장재의 응력 상태는 구멍/개구부로 인해 국부적으로 크게 변한다. 비례 한계 구간에서는 약화된 단면에 따른 응력 분포가 성립한다(그림 1). 직사각형 봉재에서 가장 큰 종방향 응력은 A. Henning에 따르면 다음과 같다:
maxσ = σm*[3-(d/b) + 0,8(d/b)2]
그림 1 - 천공봉의 종방향 및 횡방향 응력 a) A. Henning에 따름; b) M. Rudeloff에 따름
한계 경우 d/b = 0의 매우 넓은 리브에서는 maxσ = 3σm가 되며, 그림 1a에 나타난 경우 d/b = 1/3에서는 maxσ = 2,42 σm가 된다. 종방향 응력 외에도 횡응력과 전단응력이 있다. 가장 큰 응력은 구멍의 둘레에서 발생한다. 그곳에서 최초의 영구 변형이 나타나며, 즉 응력 첨두가 완화되고 단면 전체에 걸친 응력 평준화 가 일어난다. 구멍 영역에서 눈에 띄는 영구 변형은 약화된 단면에서 평균 응력 σm이 항복 한계 σFO를 초과할 때에야 나타난다. 막대의 총 신장은 SF = Fm * σF일 때 구멍이 없는 막대에 비해 겨우 조금 더 클 뿐이다. (Fm은 최약 단면의 면적이다)
인장 시험에서 리벳이 박힌 봉재는 항상 약화된 단면에서 파단이 발생한다. 일반적인 조건에서 파단 시 하중은 충분히 정확하게 SB = Fn * σB이다. 열린 구멍이 있는 인장 봉재의 파단 시험에서는 그림 2과 같은 _파단 양상_이 나타났다.
그림 2 - 인장봉의 파단 모습
리벳 접합 실험에서, 단일 열의 리벳을 가진 접합부는 여러 열의 리벳이 연속으로 배치된 접합부보다 저항이 더 작다는 것이 입증되었다. 이에 따라 유효 단면에서 파단 시 평균 응력 σB는 다음과 같았다:
인장재의 치수 결정 절차: 일반적인 계산 방법에 따르면 평균 인장응력에 대해 σm = S/Fm ≤ 허용σ가 성립해야 하며, 이는 모든 기준 단면 Fm에 적용된다. 구멍 감산은 가장 많은 구멍을 가진 직교 단면에 대해 정하며, 구멍이 더 많은 꺾인 단면이 더 작은 Fm 값을 줄 수도 있다(그림 2). 이러한 의미에서 압연 형강의 경우 Fm은 전개를 고려하여 계산한다. 복합 단면의 경우도 같은 방식으로 처리한다.
Fm/F의 비는 보통 0,8와 0,9 사이에 있으며, 즉 구멍에 의한 감소량 ΔF = F – Fm은 봉재 전체 단면 F의 10%에서 20%에 해당한다. 대형 구조물에서는 ΔF가 중량에 크게 영향을 미치므로, 구멍 감소량이 더 작은 단면을 찾는 것이 가치가 있다.
변형: 구멍이 있는 인장봉의 탄성 신장은 비교 대상인 천공되지 않은 봉보다 겨우 더 클 뿐이다. 접합부의 전체 신장은 거의 연결된 판재의 신장과 같다. 따라서 강구조물의 변형 계산을 위해서는 손상되지 않은 봉의 E 및 F 값을 사용하여 탄성 신장을 산정하면 충분하다. 항복에 대한 안전성은 단면이 약화된 봉에서 예를 들어 압축봉보다 더 크다.
리벳의 힘 분포
그림. 3
막대에 작용하는 힘 S가 연결부의 각 리벳에 어떻게 분배되는지는 그 탄성적 성질에 따라 달라지며, 이는 “정정 불능”이다. 그림 3의 경우 N1, N1, N2, …의 분포는 리벳과 접합된 판의 변형에 따라 달라지며, F타이바/F막대의 비와 함께 변한다. F타이바 ≠ F막대인 경우, 리벳의 끝단 힘은 더 이상 모두 동일하게 크지 않다(그림 50a). F타이바/F막대의 비가 감소하면 Nn은 더 작아지고, N1는 S에 가까워진다. 매우 다른 두께의 판재를 결합하는 것(그림 4b)은 첫 번째 리벳의 과부하 때문에 적절하지 않다.
그림 4. - Fštap > Fpodvezice에 대한 리벳 하중
리브와 가새는 강체이고, 리벳만 탄성적이다(그림 5a). 그러면 모든 리벳은 동일한 휨을 받게 되며, 리벳에 작용하는 모든 힘은 같아야 한다.
리벳은 강체, 판재와 버팀대만 탄성체(그림 5b). 첫 번째와 마지막 리벳 사이에서 막대와 버팀대의 신장이 서로 같아야 하므로, N2 = N3 = … = Nn-1 = 0가 되며, 단 N1 = S * x1는 제외합니다.
그림. 5
실제 힘의 분포는 이러한 경계 경우들 사이에 있다. 하중이 증가하면 먼저 끝단 리벳에서 영구 변형이 발생하고, 가장 크게 하중을 받는 리벳은 하중이 줄어들며 힘의 분포는 점점 더 균일해진다. 더 큰 변형이 나타난 뒤에는 힘의 분포가 리벳판과 타이바가 강체인 경우에 가까워지며, 즉 리벳의 힘은 거의 모두 비슷해진다. 이는 리벳 전단이 지배적인 경우이다.
파괴 시 하중: 리벳을 체결하는 방식은 τBV에 거의 영향을 미치지 않는다. 접합부의 전단강도 τBV는 리벳 수, 배치, 리벳 접합의 형상에 사실상 독립적이며; 파괴 시 하중은 모든 리벳에 균등하게 하중이 작용하는 경우와 상당히 근사하게 일치한다. 이와 동일한 주장은 일반적인 볼트 접합에도 적용되며, 따라서 미끄럼 저항은 지지력에 본질적인 영향을 주지 않는다.
치수 산정: 강구조와 중심하중을 받는 부재의 경우에는 균등 분배로 계산하며, 즉 각 리벳당 N = S/n으로 합니다. 긴 이음부에서는 첫 번째 리벳들이 이미 초기부터 과하중이 걸리므로, 가능한 한 6개를 넘는 리벳을 연속으로 배열하는 것은 피합니다.
미끄럼 저항: 접합부의 미끄러짐은 비교적 작은 하중에서도 이미 발생한다. 미끄럼 저항은 무엇보다도 조임력에 좌우되며, 이는 여러 영향에 따라 달라진다. 이는 리벳 접합과 지금까지 일반적으로 사용되던 볼트의 설계에서는 무시되어 왔다. 고강도 볼트 접합이 주목된다.
폭 방향의 리벳에 작용하는 힘의 분포: 리벳 간 거리가 힘의 방향에 수직으로 같을 때(그림 6a), 각 리벳에는 단면의 폭이 같은 구간 _a_가 대응하므로, 1차 근사에서는 리벳에 작용하는 힘 N = a t _σ_가 모두 같다. 리벳 간격이 일정하지 않은 경우의 분포는 정정 불정이다. 그림 6b의 경우에는 지레 법칙에 따라 분포된다.
그림. 6
긴장봉
연장: 대칭 보조재를 사용한 연장(그림 3 및 4). 접합부에서 막대에 작용하는 힘 S는 오직 보조재가 부담해야 한다. 연장부의 리벳 결합도 S에 맞추어 설계해야 하는데, 이는 연장된 막대의 전체 힘을 보조재로 전달해야 하기 때문이다.
한쪽 보강판이 있는 이음부는 접합된 판재, 보강판 및 리벳에 상당한 추가 굽힘응력이 발생한다. 한쪽 덮개형 이음은 큰 변형 때문에 봉이 굽힘에 대해 강성이 있거나, 측면에서 지지되어 휘어질 수 없을 때에만 사용된다(그림 7).
그림. 7
간접 이음 – 연결판이 접합된 판재 위에 직접 놓일 수 없을 때에는 리벳과 판재에 훨씬 더 큰 굽힘 응력이 발생한다. 따라서 중간층 수 _m_에 따라, 이음부를 직접 덮는 경우의 _n_개보다 더 많은 _n’_개의 리벳을 선택한다.
그림 8
복합 단면의 경우에는 국부적인 응력 증가를 피하도록 가새를 배치하므로, 각 가새의 면적은 그들이 덮는 단면 부분의 면적에 따라 정하며, 가능한 한 무게중심 위치를 유지한다. 이와 다른 가새 면적 분배는 응력 분포의 변화와 관련된다. 그림 9에는 단일벽 봉재의 연장이, 그림 10에는 4 수직 판과 각형강 사이에 하나의 면을 둔 2분할 봉재의 연장이 나타나 있다.
그림 9
그림. 10
접합: 인장봉의 접합에는 기본적으로 이음과 동일한 관계가 적용된다. 시험 결과, 힘을 대칭적으로 도입하는 방법이 매우 유리한 것으로 나타났다. 한쪽에서만 접합하면 종방향과 횡방향 모두에서 큰 휨이 발생한다(그림 11). 상당한 추가 휨응력이 존재하더라도 한쪽 접합된 L 및 C 봉은 거의 완전히 활용될 수 있다. 추가 휨모멘트를 상쇄하기 위한 조치를 취하지 않으면, 하나의 접합부 내력은 절반까지 감소할 수 있다.
그림. 11
이음부를 덮기 위해서는 접합판을 사용해서는 안 되며, 이를 위해서는 별도의 보강판을 마련해야 한다. 접합판 연결은 봉의 단면 대부분이 접합판의 평면에 놓일 때 더 수월해진다.
그림 12 - 연결용 각재가 있는 접합부와 없는 접합부
압축 봉재
압축재의 연장과 접합에는 인장재와 동일한 원리가 적용되며, 이 경우에도 전체 힘은 리벳과 접속판에 의해 전달된다. 즉, 부재의 전체 단면 F에 따라 F접속판과 Fs, 즉 Fl을 산정한다. 원칙적으로 이음부의 면은 정밀하게 맞추지 않는다. 건축용 철골 구조물에서, 여러 층을 관통하는 기둥처럼 압축만 받는 부재에는 이음부의 맞댐을 약하게 두는 방법이 사용된다. 압축재의 지지력은, 그 전에 불안정 현상이 발생하지 않는 한, 늦어도 항복 한계에 도달할 때 소진된다. 이때 큰 변형이 생기고 부재가 측방으로 좌굴되기 때문이다. 리벳으로 채워진 구멍은 이 부재의 거동에 대해 확인 가능한 영향을 미치지 않는다.
리벳 접합의 피로 강도
리벳 이음의 피로강도에서는 우선 구멍에서 나타나는 응력 집중이 중요하다. 피로강도는 구멍만으로도 상당히 감소한다. 개구부가 있는 봉은 인장 피로시험에서 약화된 단면에서 파단되며, 피로 파괴는 구멍 가장자리의 균열로 시작되어 그 균열이 단면을 따라 계속 더 멀리 퍼져 나간다. 따라서 매끈한 구멍이 특히 중요하다. 그림 13에는 서로 다른 등급에서의 평봉의 피로강도를 나타낸다(오른쪽이 더 높은 강재 등급). 더 큰 사전하중 σu에서는 두 재료 모두 항복한계보다 높은 피로강도 σDz를 견딘다. 응력 진폭은 두 등급 모두에서 거의 같다.
그림 13 - 피로강도 σDz
인장과 압축을 번갈아 받는 리벳 접합에 대해서는 기본적으로 단조 하중과 유사한 관계가 적용된다. 교번 하중에서 응력 진폭은 약 1,5배 크다는 점(그림 14)에 유의할 필요가 있지만, 이 하중에서는 리벳이 단조 하중보다 훨씬 더 불리한 상태에 놓인다.
그림 14 - 리벳 연결부의 인장 피로강도