교량용 압연강재

왜 배우는가: 교량구조용 압연강재는 강교의 주부재에 쓰이는 강재라서, 강도·인성·용접성을 어떻게 맞추는지가 설계와 시공의 기본이다. 1교시 용어 문제와 2~4교시 재료 특성 논술에 반복해서 나오므로 정의와 강종 간 차이를 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제118회 1교시 5번, 제115회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

교량구조용 압연강재(HSB재)는 교량 주부재에 쓰도록 강도·인성·용접성을 함께 높인 열간압연 구조용 강재다.

답안을 시작할 때는 이 정의를 먼저 쓰고, 이어서 강도·인성·용접성 세 요구가 왜 함께 필요한지 한 문장으로 덧붙인다. 교량 부재는 큰 하중과 반복하중을 받고 저온 환경에 놓이는 경우가 많기 때문이다.

• 교량구조용 압연강재
• HSB재
• 항복강도
• 인장강도
• 샤르피 흡수에너지
• 용접성

키워드는 강재의 기계적 성질, 인성 지표, 용접성 지표로 나눠 기억한다. 답안에서는 이 여섯 용어가 모두 본문에 나와야 기본 점수를 얻는다.

2. 개념 풀이

교량에서 강재는 많은 하중을 버티는 주형과 바닥판 지지 부재에 쓰인다. 이 부재에는 강도만큼 인성과 용접 품질이 중요하다. 교량구조용 압연강재는 이 요구를 하나의 강종에 담은 것이다.

정식 정의는 다음과 같다. 교량의 주부재에 적용하도록 기계적 성질, 화학성분, 용접성을 규정한 열간압연 강재다. 일반구조용 강재와 용접구조용 강재가 범용 구조물을 기준으로 만들어진 것과 달리, 교량 설계 조건인 반복하중, 저온, 판 두께 증가를 반영해 강종을 나눈다.

항복강도는 강재가 탄성 한계를 넘어 소성변형을 시작하는 응력이다. 설계 허용응력의 기준이 된다. 실무에서 자주 쓰는 일반구조용 SS400의 항복강도는 관련 규격의 기준에 따라 정해진다.

인장강도는 인장시험에서 시험편이 받을 수 있는 최대응력이며 극한강도라고도 한다. 항복강도와 함께 보면 강재가 항복 뒤 얼마나 여유를 가지는지 알 수 있다.

항복비는 인장강도에 대한 항복강도의 비다. 고장력강은 항복비가 커지는 경향이 있어, 항복 뒤 응력 증가 없이 파괴로 이어질 수 있다. 그래서 고강도 교량강재는 항복비와 연성을 함께 관리한다.

샤르피 흡수에너지는 충격시험에서 시험편이 흡수한 에너지다. 저온에서 취성파괴에 대한 저항을 나타내는 인성 지표다. 용접구조용 압연강재는 이 값을 기준으로 A, B, C 종을 구분한다.

용접성은 용접 후 균열 없이 이음부를 얻을 수 있는 성질이다. 탄소당량은 이를 나타내는 화학성분 지표로, 값이 높을수록 용접열영향부가 경화되어 균열 위험이 커진다. 교량 강재는 이 값을 낮게 유지하도록 성분을 조정한다.

강재의 두께도 개념 풀이에서 함께 봐야 한다. 판이 두꺼워지면 냉각 속도가 빨라져 용접부 경화가 커지고, 두께 방향 인성 확보가 어려워진다. 교량 주부재는 두께가 크기 때문에 성분과 열처리 조건을 함께 맞춘다.

강도·인성·용접성을 동시에 확보하는 것이 교량구조용 강재의 핵심이다.

3. 등장 배경과 필요성

교량은 하천이나 계곡을 건너는 구조물이다. 지간에 따라 형식이 정해지며, 지간 50m 이상 에서는 트러스가, 그 중간 지간에서는 판형교가 주로 쓰인다. 지간이 커질수록 주부재의 판 두께와 응력이 커진다.

일반구조용 압연강재(SS재)는 기계적 성질에 중점을 두고 만든 강재이며 용접성은 특별히 고려하지 않는다. 판 두께 22mm 이하 의 SS재는 용접구조에도 쓰이지만, 한냉지이거나 주요부재인 경우에는 용접구조용 강재를 쓰는 것이 바람직하다. 이 점에서 용접 품질을 더 높인 강재가 필요해졌다.

용접구조용 압연강재(SM재)는 용접성을 고려해 화학성분을 조정한 강재다. 화학성분과 샤르피 흡수에너지를 규정하고, 그 정도에 따라 A, B, C 종으로 나눈다. 그러나 교량은 부재가 크고 응력이 높아 강도 요구가 더 커졌다. 그래서 고강도와 인성을 함께 갖춘 교량 전용 강종이 필요해졌다.

교량의 필요성은 다음 네 가지로 정리된다.

• 대형화: 지간 증가에 따라 고강도 강재가 요구된다.
• 저온 인성: 취성파괴를 막기 위해 충격 흡수에너지 확보가 필요하다.
• 용접 품질: 두꺼운 판의 용접부 균열을 줄여야 한다.
• 유지보수: 도장 보수 부담을 줄이는 방향이 요구된다.

이 가운데 유지보수 측면은 내후성 강재와 연결된다. 내후성 강재는 구리 같은 합금원소가 표면에 보호층을 만들어 대기 부식을 늦추는 강재다. 보호층은 젖은 표면이 건조될 때 형성되며, 무도장으로 쓰려면 이 조건이 중요하다. 교량구조용 압연강재의 기술 흐름은 이런 내후성 개념과 강도·인성 개선이 함께 이어진 결과다.

제조 측면에서는 제어압연과 가속냉각 같은 공정으로 강도와 인성을 함께 얻는 방향이 함께 발전했다. 화학성분만으로 강도를 올리면 용접성과 인성이 떨어지므로, 공정 제어로 결정립을 미세하게 만드는 방식이 필요해졌다.

정리하면 교량구조용 압연강재는 일반구조용과 용접구조용 강재의 한계를 보완한 강종이다. 교량의 대형화와 저온 인성, 용접 품质 요구가 등장 배경이다.

4. 구성요소·원리·절차

교량구조용 압연강재의 성능은 화학성분, 제조 공정, 판두께의 세 가지로 정해진다. 화학성분 설계는 강도와 용접성을 함께 맞추는 작업이다. 제어압연·가속냉각(TMCP)은 압연 온도와 냉각 속도를 조절해 결정립을 잘게 만드는 공정이다. 결정립이 작을수록 항복강도와 인성이 함께 높아진다.

위 표의 원소는 모두 질량 백분율로 관리한다. 탄소는 강도를 올리지만 용접부 경화와 저온 균열을 함께 키운다. 그래서 고강도 강재일수록 탄소를 낮추고 망간과 미세합금원소로 강도를 보완한다.

용접성은 탄소당량(CE)으로 판단한다. 탄소당량은 다음 식으로 구한다.

$CE = C + \frac{Mn}{6} + \frac{Cr+Mo+V}{5} + \frac{Ni+Cu}{15}$

기호 C, Mn 등은 각 원소의 질량 백분율(%)이다. 가상의 예로 C 0.12%, Mn 1.20%, Cr 0.10%, Mo 0.05%, V 0.03%, Ni 0.10%, Cu 0.20%를 대입한다. Mn/6은 0.200, (Cr+Mo+V)/5은 0.036, (Ni+Cu)/15은 0.020이다. 따라서 CE = 0.12 + 0.200 + 0.036 + 0.020 = 0.376%이다. 결과 0.38% 안팎은 상식 범위의 값이다. 탄소당량이 낮을수록 용접 균열 위험이 줄어든다.

제조 절차는 다음과 같다.

• 제강: 전로 또는 전기로에서 성분을 조정한다.
• 연속주조: 슬래브를 만든다.
• 재가열: 압연 전 강편을 균일하게 가열한다.
• 제어압연: 재결정 온도 이하에서 압하해 결정립을 미세화한다.
• 가속냉각: 수냉으로 냉각 속도를 높여 강도를 확보한다.
• 교정·검사: 형상을 바로잡고 치수를 검사한다.
• 시험: 인장시험, 샤르피 충격시험, 굽힘시험을 한다. 불합격이면 재처리한다.

판두께가 커질수록 판 중심부의 냉각이 느려 강도가 낮아진다. 그래서 두꺼운 판은 강종 등급을 올리거나 불림(normalizing)을 적용한다. 두께 효과는 설계에서 강도 감소계수 검토로 이어진다.

5. 관련 법령·기준·표준

교량용 강재의 설계 적용은 「도로교설계기준」(국토교통부)의 강재 조항을 따른다. 강재의 종류와 시험 방법은 한국산업표준(KS) 제품 규격으로 정한다. 설계에 쓰는 강도는 설계기준의 설계값을 쓰고, 제품 규격의 최소 보증값과 구분한다.

SS400은 용접성이 보증되지 않아 주요 부재에는 용접구조용 강재를 쓰는 것이 바람직하다. SM 계열은 샤르피 흡수에너지를 등급별로 규정하여 저온 인성을 확보한다. SMA 계열은 대기 중 보호성 녹층을 형성하여 도장 부담을 줄인다. HSB 계열은 고강도와 고인성을 함께 확보한 교량 전용 강재다. HSB 계열은 고강도와 고인성을 함께 확보한 교량 전용 강재다.