철골 접합

왜 배우는가: 철골 접합은 철골 구조물의 하중 전달과 안전성을 결정하는 핵심 공종이다. 고력볼트 접합과 용접 접합은 접합 방식과 품질 관리 방법이 달라 실무 현장과 시험에서 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제131회 4교시 1번, 제122회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의: 철골 접합은 부재 사이의 힘을 볼트나 용접으로 전달하도록 연결하는 공법으로, 고력볼트 접합과 용접 접합으로 구분한다.

핵심 키워드

• 철골 접합
• 고력볼트 접합
• 마찰접합
• 지압접합
• 용접 접합
• 필렛용접
• 그루브용접

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 철골 접합은 여러 개의 철골 부재를 하나의 구조체처럼 움직이게 묶는 일이다. 부재가 떨어지거나 어긋나지 않도록 힘을 주고받는 통로를 만드는 작업이라고 생각하면 된다.

정식 정의는 다음과 같다. 철골 접합은 강재 부재를 볼트 또는 용접으로 연결하여 축력, 전단력, 휨모멘트를 전달하는 구조 요소다. 접합 방식은 크게 고력볼트 접합과 용접 접합으로 나뉜다.

고력볼트 접합은 고장력 볼트를 설계볼트장력 이상으로 조여 접합면에 큰 마찰력을 만든다. 마찰접합은 이 마찰로 힘을 전달하고, 지압접합은 볼트 몸체의 전단과 구멍 벽의 지압으로 힘을 전달한다. 위키백과 근거에 따르면 미끄럼 접합은 볼트 전단이나 지압이 아니라 연결 요소 사이의 마찰에 의존하여 힘을 전달하는 접합이다.

용접 접합은 모재와 용접재를 녹여 하나의 연속된 금속으로 만드는 방식이다. 필렛용접은 두 면이 직각 또는 거의 직각으로 만나는 곳에 쓰고, 그루브용접은 부재 사이에 홈을 두고 그 안을 채운다. 용접 접합은 연속성이 좋으나 용접 품질이 시공자의 기량과 열 관리에 크게 좌우된다.

3. 등장 배경과 필요성

철골 구조는 강재의 높은 강도 덕분에 대공간과 고층 건축에 쓰인다. 부재가 커지고 현장 조립이 늘면서 접합부가 전체 구조의 안전을 좌우하게 되었다.

과거에는 리벳이 주된 접합 수단이었다. 20세기에 구조용 볼트의 단가가 낮아지고 강도가 높아지면서 리벳을 대체했다. 고력볼트는 리벳보다 빠르고 경제적으로 시공할 수 있다는 점이 채택 배경이다.

용접은 볼트 구멍을 뚫지 않아 단면 손실이 없고, 접합부 중량을 줄일 수 있다. 다만 용접은 현장 환경, 예열, 용접사 기량에 따라 결함이 생기기 쉬워 품질 관리가 필수다.

고력볼트 표준볼트장력은 설계볼트장력의 10% 할증

시 오차와 변동을 고려하여 정한다.

4. 구성요소·원리·절차

철골 접합은 고력볼트접합과 용접접합으로 나뉜다. 두 방식은 힘을 전달하는 원리가 달라서 구성요소도 따로 이해해야 한다. 고력볼트접합은 마찰접합과 지압접합으로 나뉘고, 용접접합은 완전용입 그루브 용접과 모살 용접으로 나뉜다.

표의 구성요소는 접합 성능을 결정하는 변수와 직접 연결된다. 고력볼트에서는 장력과 마찰면 상태가, 용접에서는 개선 형상과 용접재료가 성능을 좌우한다.

고력볼트 마찰접합은 볼트를 높은 장력으로 조여 접합 부재를 강하게 누른다. 이때 부재 사이에 생기는 마찰력으로 전단력을 전달한다. 볼트 축 자체가 전단을 받지 않으므로 미끄럼이 생기지 않는 구간에서 응력 전달이 연속된다. 설계미끄럼강도는 다음 식으로 구한다.

$R_s=\mu\,h_f\,T_0\,N_s$

• \mu: 미끄럼계수. 블라스트 청소한 무도장 마찰면은 μ = 0.5 로 본다.
• h_f: 필러계수. 필러가 없거나 필러 내 하중 분산용 볼트를 추가한 경우 1.0, 필러가 2장 이상이고 볼트를 추가하지 않은 경우 0.85 를 쓴다.
• T_0: 설계볼트장력(kN).
• N_s: 전단면의 수.

지압접합은 볼트가 전단과 지압으로 직접 힘을 받는다. 마찰력에 의존하지 않으므로 볼트 수가 적게 든다. 대신 미끄럼이 발생하면 구조 거동이 달라지므로 진동이나 반복하중이 큰 곳에는 마찰접합을 쓴다.

용접접합은 아크나 가스 열로 모재와 용접재료를 함께 녹인 뒤 응고시켜 한 덩어리 금속으로 만든다. 응력 흐름이 연속되어 강성과 강도가 크다. 반면 가열과 냉각으로 잔류응력과 변형이 생기므로 용접 순서와 예열 관리가 필요하다. 판 두께 방향으로 큰 인장변형이 걸리는 T형 필렛 이음부에서는 라멜라티어링이 발생할 수 있다.

고력볼트 시공 절차는 다음과 같다.

• 접합면을 블라스트 등으로 청소하고 도장과 이물을 제거한다.
• 가볼트로 부재를 임시 고정하고 볼트 구멍의 일치를 확인한다.
• 1차 조임으로 부재를 밀착시킨다.
• 본조임으로 표준볼트장력을 도입한다. 표준볼트장력은 설계볼트장력에 설계볼트장력의 10% 할증 을 더한 값으로 $T_s=1.1\,T_0$ 로 쓴다.
• 조임 완료 후 조임 검사를 하고 불량 볼트는 재조임한다.

용접 시공 절차는 다음과 같다.

• 개선 가공과 루트 간격을 확인한다.
• 강재 조건에 따라 예열하고 가용접한다.
• 다층 용접으로 본용접을 하고 층간 온도를 관리한다.
• 슬래그를 제거하고 외관을 검사한다.
• 비파괴검사로 내부 결함을 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

철골 접합의 설계는 강구조 설계기준(KDS 체계)을, 시공은 건축공사 표준시방서(KCS 체계)를 따른다. 공장 제작과 현장 시공의 안전은 「산업안전보건기준에 관한 규칙」과 「건설기술 진흥법」의 적용을 받는다. 기준 명칭은 현행 체계로 쓴다.

표의 값은 설계 검토와 시공 검사의 기준이 된다. 표준볼트장력은 조임 과정에서 생길 수 있는 장력 오차를 흡수하기 위해 설계값보다 높게 도입한다. 미끄럼계수와 필러계수는 설계미끄럼강도를 낮추는 변수이므로 마찰면과 필러 배치를 도면에 명시한다.

라멜라티어링은 압연 방향의 개재물을 따라 강재가 층상으로 찢어지는 현상이다. 이를 막으려면 판 두께 방향의 연성이 확보된 성능 강재를 쓰고, 이음부 설계와 용접 순서로 수축 변형을 줄인다. 방지 대책은 재료, 설계, 시공 세 단계에서 함께 적용한다.

고력볼트와 용접의 기준은 강재와 용접재료의 규격, 용접사 자격과 함께 묶여 있다. 용접사는 용접사 기량시험에 합격해야 하며, 자격 범위 밖의 용접은 허용되지 않는다. 기준의 세부 항목은 현행 KDS 및 KCS 코드를 기준으로 판단한다.

6. 유형과 비교

철골 접합은 힘을 전달하는 방식에 따라 고력볼트접합, 용접접합, 그리고 볼트와 용접을 함께 쓰는 혼용접합으로 나뉜다. 고력볼트접합은 다시 마찰접합과 지압접합으로 나뉘며, 용접접합은 필릿용접과 맞대기(그루브) 용접으로 나뉜다. 두 접합의 특징 차이는 응력 전달 기구와 검사 방법에 있다.