고체역학에서 압력용기의 응력을 횡방향(Hoop), 종방향(Longitudinal), 방사방향(Radial)을 정의합니다.

이중에 가장 큰 응력이 Hoop Stress이고 위에서 본 것 같은 횡방향(용접방향의 수직방향)이 됩니다.

그러니 용접부가 있다면, 횡방향의 응력이 가장 크고, 종방향이 다음이며, 방사방향이 그 다음입니다.

ASME B31.1, ASME Sect. VIII 등은 최대주응력설에 따라 Hoop Stress를 구하고, 그 값으로 두께를 결정합니다.

발전소의 경우, 기술규격서에 주증기 배관에 대해 종방향 용접을 하지 않은 Seamless Pipe를 선정하는 요건이 있습니다.

이것은 횡방향(Hoop) 응력을 처음부터 고려하지 않기 위함이죠. 용접방향과 응력방향은 크로스 됩니다.

같은 성분의 재료에서 금속 조직의 강도는 최종 가공/응고 방향이 영향을 줄 수 있습니다.  예를 들어, 압연강의 경우 인장 시험의 결과는 시편을 압연 방향으로 (가장 높은 값 나옴), Transverse 방향으로, 또는 Through  Thickness (Z) 방향 (가장 낮은 값 나옴) 으로 채취되느냐에 따라 크게 달라질 수 있습니다.   따라서 ASTM Plate Standard는별도 요구가 없는 한  인장강도 시편의 채취 방향을 Transverse 방향으로 하도록 규정하고 있습니다.  이는최종Fiber의 방향성이 강도에 영향을 미치기 때문이지요.

용접  (주조의 일종) 조직도 주상결정이 모재의 개선면 쪽으로 향하는 것이 일반적인데 이것은 압연강재의 Fiber의 방향성 만큼 강도에 미치는 영향은 크지 않기에 용접부의 구조 계산에서 그 방향성을 고려하는 경우 (standards 또는 papers) 는 보지 못하였습니다.  아울러 위에서 제시한 용접선에 수직 방향과 수평 방향의 용접 강도 계산을 위한 그림은 개념에서 다소 문제가 있어 보입니다. 즉, 수직방향의 응력은 전 용접 단면을 이용한 것이니 문제가 없지만 수평방향의 응력은 대부분의 하중을 모재가 받아주고 용접부는 극히 일부만 받기 때문에 저런 개념의 구조 계산은 용접부 평가를 위해 적용될 수 없습니다.

한편, 잘 아시다시피, 용접부 구조계산에서는 용접 개선 형상 (including one side or multi-sides welding), Welding Process, 응력방향, 구조물의 특성, 적용 NDE 등 다양한 변수에 따라 Joint Efficiency or Joint Quality Factor (최대 1.0) 를 두어 적용하고 있습니다.  아울러 구조물의 용도에 따라 용접부 평가를 위한 인장/충격시편의 채취 방법을 모재나 용접부에만 국한하는 것이 아니라 HAZ 에 까지 다양한 응력 방향을 대상으로 요구하는 경우도 많으니 해당 엔지니어들의 각별한 주의가 요구되기도 합니다.

Reference: https://www.springer.com/gp/book/9783030364298 (Chapter 1)

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