강종 선정

왜 배우는가: 강종 선정은 강교량과 강구조물의 안전성, 시공성, 유지관리 비용을 결정하는 설계 단계의 핵심 판단이다. 강도, 인성, 용접성, 내식성이 서로 얽혀 있어 한 가지 성질만 보고 고르면 감점이 생기므로 시험에서 반복해 출제된다.

출제 이력: 제129회 1교시 2번, 제122회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의: 강종 선정은 하중·환경·시공 조건에 맞춰 강도, 인성, 용접성, 내식성, 피로 성능을 만족하는 강재의 종류와 등급을 고르는 설계 행위이다.

핵심 키워드

• 항복강도(yield strength): 부재 설계의 기준이 되는 강도 값
• 인장강도(tensile strength): 파단에 이르는 최대 응력
• 인성(toughness): 취성파괴에 저항하는 에너지 흡수 능력
• 탄소당량(Ceq): 합금원소가 용접성에 미치는 영향을 하나의 값으로 환산한 지표
• 용접성(weldability): 용접 후 균열 없이 이음부 성능을 확보할 수 있는 정도
• 내후성강(weathering steel): 녹층으로 부식 진행을 억제하는 저합금강
• 판두께 방향 특성(through-thickness property): 두꺼운 판에서 두께 방향 인장 성능
• 취성파괴(brittle fracture): 소성변형 없이 급격히 일어나는 파괴

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 강종은 "어떤 강을 쓸 것인가"의 답이다. 같은 치수의 부재라도 강종이 다르면 버티는 힘, 깨지지 않는 성질, 용접으로 붙일 수 있는 정도, 녹스는 속도가 달라진다. 강종 선정은 이 네 가지를 설계 조건에 맞게 저울질하는 일이다.

정식 정의는 다음과 같다. 강종은 강재의 화학성분과 기계적 성질 조합으로 구분되는 규격상의 종류이며, 강종 선정은 구조 형식, 하중 조건, 사용 환경, 제작·시공 조건을 고려해 필요한 성능을 가진 강종과 등급을 정하는 절차다.

• 항복강도는 부재의 허용응력과 저항력 산정의 기준이다. 고장력강을 쓰면 같은 단면에서 더 큰 힘을 견디므로 부재를 얇게 만들 수 있다.
• 인성은 충격이나 저온에서 갑자기 깨지지 않게 하는 성질이다. 강도와 인성은 함께 확인해야 하며, 요구 성능을 모두 만족하는지 검토한다.
• 용접성은 탄소와 합금원소 함량이 높을수록 나빠진다. 용접 열영향부가 경화되면 수소 유기 저온균열이 생기기 쉽다.
• 내후성강은 Cu, Cr, P, Ni 등을 소량 첨가해 대기 중에서 안정된 녹층을 만들게 한 강재다. 도장을 줄여 유지관리 비용을 낮출 수 있다.
• 판두께 방향 특성은 두꺼운 판의 두께 방향으로 인장력이 작용할 때 라멜라 찢김이 생기지 않는지를 보는 성질이다.
• 취성파괴는 저온, 두꺼운 판, 높은 구속, 빠른 변형률 조건이 겹칠 때 발생한다. 저온에서 연성-취성 천이온도(DBTT)를 넘으면 흡수에너지가 급격히 줄어든다.

3. 등장 배경과 필요성

강은 연성이 좋아 구조용 재료로 널리 쓰이지만 부식과 취성파괴라는 약점이 있다. 강교량은 대기와 제빙제, 해풍에 노출되므로 부식 방지가 항상 문제였다. 이에 미국과 영국의 철강사들이 부식을 줄이기 위한 내후성강 연구를 본격화했다. 일반강보다 4~8배 내식성을 가진 강재가 등장하면서 무도장으로 쓰는 방식이 가능해졌다.

장대교와 대형 강구조물이 늘면서 고장력강의 필요성도 커졌다. 강도를 높이면 부재 단면과 중량을 줄일 수 있지만, 강도만으로 강재를 평가할 수 없으므로 인성과 용접성을 함께 고려해야 한다. 그래서 강도만 올리는 방법에는 한계가 있고, 성분과 열처리를 조절해 인성과 용접성을 함께 확보하는 강재가 요구되었다.

용접 이음이 많은 구조에서는 용접성 평가가 특히 중요해졌다. 탄소당량(Ceq)은 용접 시 수소 유기 저온균열 가능성을 가늠하는 지표로 도입되었다. 미국용접학회(AWS)식과 국제용접학회(IIW)식 두 가지가 널리 쓰이며, 적용 기준에 맞는 식을 선택해야 한다. 강종 선정을 위한 계산과 시험 절차가 이 배경에서 체계화되었다.

SM 계열 고장력 용접구조용 압연강재는 60kgf/mm² 급까지 규정 되어 있으며, 그 이상의 강은 규정이 부족하다는 점을 함께 확인할 필요가 있다.

4. 구성요소·원리·절차

강종 선정은 강도, 인성, 용접성, 피로 성능, 내식성, 경제성을 동시에 만족하는 강재를 고르는 일이다. 한 가지 성질만 보고 고르면 다른 성질에서 문제가 생긴다. 예를 들어 강도가 높은 강재는 단면을 줄여 자중을 낮추지만, 두께가 커지면 인성이 떨어지고 용접 난이도가 올라간다.

고강도 강재는 항복강도가 높다고 무조건 유리하지 않으며 인성·용접성과 함께 판단해야 한다.

위 표의 항목은 서로 얽혀 있다. 인성은 두께와 사용온도에 좌우되고, 용접성은 화학 성분인 탄소당량에 좌우된다. 따라서 항목별로 따로 확인한 뒤 마지막에 종합 판단한다.

강재의 취성파괴는 저온, 두께, 높은 변형률 속도, 노치가 겹칠 때 일어난다. 판 두께가 커지면 판 중앙부의 구속이 커져 평면 변형률 상태가 되고, 같은 강종이라도 파괴인성이 낮아진다. 따라서 두꺼운 판에는 얇은 판보다 높은 인성 요구를 적용한다.

용접성은 탄소당량(CE) 으로 판단한다. 국제용접학회(IIW) 식은 탄소와 합금원소의 함량을 기준식에 따라 환산해 탄소당량을 산정한다.

여기서 C는 탄소 함량(%), Mn은 망간 함량(%), Cr·Mo·V는 각 원소 함량의 합(%), Ni·Cu는 각 원소 함량의 합(%)이다. 탄소당량이 높을수록 용접부가 경화되어 수소 유기 저온균열 위험이 커진다.

가상 성분 예의 탄소당량은 각 원소 함량을 산정식에 대입해 구한다. 이 값은 강재의 용접성을 검토하는 데 활용한다. 예열 여부는 강종 시방과 판 두께에 따라 별도로 정한다.

강종 선정 절차는 다음과 같다.

• 사용 환경을 파악한다. 최저 사용온도, 염분, 습도, 도장 가능 여부를 확인한다.
• 부재의 응력과 단면을 산정하고 요구 항복강도를 정한다.
• 판 두께와 사용온도에 따른 인성 요구 수준을 정한다.
• 탄소당량으로 용접성과 예열 조건을 검토한다.
• 피로 세부 등급과 응력범위를 검토한다. 상세부 형식이 피로 강도를 지배하는 경우가 많다.
• 내식 방식을 정한다. 도장할지, 내후성강을 무도장으로 쓸지 결정한다.
• 조달성과 경제성을 비교하고 강종과 규격을 시방서에 명기한다.

5. 관련 법령·기준·표준

강교량의 강재는 도로교설계기준(한계상태설계법)과 도로교 표준시방서에 따라 선정한다. 강재의 화학 성분과 기계적 성질은 KS 규격으로 정해진다. 일반 구조용 용접 압연강재는 KS D 3515의 SM재이고, 내후성 열간압연강재는 SMA재다. 도로교 표준시방서는 인장강도 60kgf/mm² 급 고장력강으로 SWS570과 SMA58을 규정한다. 60kgf/mm²는 약 588MPa에 해당한다(60×9.807). 무도장 내후성강은 SMA41W, SMA50W, SMA58W가 쓰이며, 기계적 성질은 도장용 SM재와 큰 차이가 없다.

아래 표는 강종별 대표 기준값이다. 값은 두께와 시험 조건에 따라 달라지므로 현행 KS 규격과 도로교 표준시방서의 두께 구간별 값으로 최종 확인한다.

위 표의 항복강도와 인장강도는 기준 범위를 확인하는 용도다. 설계 단계에서는 해당 두께 구간의 최소 항복강도를 시방서에서 직접 읽어 사용한다. 유럽 규격에서는 강종 이름이 최소 항복강도를 나타낸다. 예를 들어 S355는 EN 10025 기준으로 최소 항복강도 355MPa 이상을 뜻한다.

내후성강은 표면에 안정된 녹층이 생겨 도장과 같은 역할을 한다. 일반강보다 내식성이 4~8배 높다고 알려져 있다. 다만 염분이 많은 해안이나 물이 고이는 구조 상세에서는 녹층이 안정되지 않으므로 사용 환경을 먼저 확인한다.