1. 서    론

철근콘크리트 구조물에서 철근 이음은 겹침이음을 기본으로 용접이음과 기계적이음이 사용되고 있다. 철근이음 방법은 구조물의 종류, 철근과 콘크리트의 강도, 철근 지름, 그리고 철근가격을 근거로 가장 효율적인 방법이 선정된다.

용접이음은 KS B ISO 17660-1 용접-철근 용접- 제1부 : 하중을 받는 용접 이음(KSA 2007)에 용접방법과 시험방법이 규정되어 있다. 용접방법은 크게 맞대기이음, 겹침이음, 그리고 띠이음으로 구분된다. 또한 용접이음은 KS D3504(KSA 2016)에 규정된 용접용 철근 SD400W, SD500W와 SD300에 대해 허용된다. 용접이 가능한 철근을 별도 규정한 이유는 일반 철근은 용접용 강재에 비해 탄소당량(Carbon equivalent)이 높아 용접성이 저하되기 때문이다. 또한 열처리에 의해 강도를 향상시킨 철근의 경우, 용접 후 공기 중에서 서냉(徐冷)되면 풀림(annealing)에 의해 강도가 저하될 가능성이 있다. 그러므로 콘크리트구조기준(KCI 2012)에서는 SD300과 용접용 철근에 대해서만 용접이음을 허용하고 있다. 또한 철근 겹침이음에 비해 용접이음은 용접과 검사 작업에서 비용이 많이 소요되므로, 일반적인 신축공사에서는 겹침이음이 주로 사용된다.

그러나 기존 구조물의 증측 또는 보수보강에서 기존 철근에 철근을 잇기 위해서는 많은 부위의 콘크리트를 제거해야한다. 이 과정에서 기존 구조물의 안전성이 저하될 우려가 있고 콘크리트 제거 작업에 과도한 비용이 발생된다. 이러한 부위에 용접 겹침이음으로 신구 철근을 이으면 기존 구조물의 콘크리트 제거를 최소화할 수 있어, 안전성과 경제성 향상에 도움이 된다. 그러나 용접용 철근은 2001년 KS D 3504(KSA 2001)에 신설되었기 때문에, 증축 또는 보강이 필요한 기존 구조물에 사용된 철근은 대부분 일반 철근이다.

이 연구에서는 D19, D29 일반 철근에 대하여 KS B ISO 17660-1(KSA 2007)에 규정된 용접이음길이 및 이보다 짧은 이음길이를 갖는 용접 겹침이음의 강도를 실험적으로 평가하였다.

2. 용접 겹침이음에 대한 문헌연구

우리나라와 미국의 설계기준과 산업표준에서 규정한 용접 겹침이음에 대한 허용 여부와 제한조건을 정리하였으며, 철근 용접 겹침이음에 대한 선행 연구를 조사하였다.

2.1 콘크리트구조기준(KCI 2012)

용접이음의 강도는 철근 설계기준항복강도의 125 % 이상 발휘되어야한다. 그러나 KS D3504(KSA 2016)에서는 인장강도/항복강도의 비율을 SD300, SD400, SD400W와 SD500W에 대해서는 1.15배 이상, SD500과 SD600에 대해서는 1.08배 이상으로 규정하고 있다. 따라서 설계기준항복강도의 125 %에 도달하기 전에 철근 모재가 파단될 수 있다. 이런 경우도 용접이음 성능을 만족한 것으로 본다.

2.2 KS B ISO 17660-1(KSA 2007)

철근을 Fig. 1과 같이 플레어V글루브(flare-V-groove) 용접이음하도록 규정하고 있다. 전체 용접길이는 철근지름()의 8배 이상이며, 용접 목두께(s)는 철근지름의 0.3배 이상으로 규정하고 있다. 단속 용접이 연속 용접에 비해 불리하기 때문에 씩 2곳에 단속 용접된 상세를 채택하고 있다. 1면 용접대신 씩 2곳 양면용접도 허용하고 있으나, 실제 건설 현장에서는 상향 용접이 불가능하기 때문에 1면 용접이 적합하다.

Fig. 1 형태의 시험체를 만능시험기(UTM)로 인장시험하기 위해서는 이음된 2가닥 철근의 중심선을 일치시키기 위해 철근을 휘어야한다.

2.3 KS D 3504(KSA 2016)

KS D 3504 (KSA 2016)에서는 철근 용접에 대한 규정은 없으며, 철근 강종별 화학성분과 탄소당량을 각각 Table 1 및 식 (1)과 같이 규정하고 있다.

 (1)

2.4 KEPIC SNC 철근콘크리트 구조(KEPIC 2015)

원자력 발전소 구조물 건설에 사용되는 KEPIC SNC(KEPIC 2015)는 ACI 349(ACI Committee 349 2013)를 참고하여 작성되었다. 철근 용접은 ACI 318(ACI Committee 318 2014)과 동일하게 AWS D1.4(AWS 2011)을 따라 탄소당량과 철근지름에 따른 예열을 요구하고 있다. 만일 철근의 탄소당량을 확인할 수 없는 경우에는 19 mm 이하철근에는 150 °C로, 22 mm 이상 철근에서는 200 °C로 예열한 후 용접이음할 수 있다. 원자력 구조물에 사용되는 ASTM A706(ASTM 2016)철근은 일반 철근(ASTM A615(ASTM 2016))보다 탄소당량이 낮기 때문에 낮은 예열온도가 규정되어 있다.

2.5 ACI 318-14(ACI Committee 318 2014)

ACI 318(ACI Committee 318 2014)에서는 일반 철근의 용접이음을 허용하고 있으나, AWS D1.4(AWS 2011)와 동일하게 탄소당량과 철근지름에 따른 예열온도를 규정하고 있다. 만일 기존 구조물의 증축 또는 보강에서 기존 구조물에 사용된 철근의 탄소당량을 확인할 수 없는 경우에는 19 mm 이하 철근에는 150 °C로, 22 mm 이상 철근에서는 260 °C로 예열한 후 용접이음 할 수 있다.

2.6 AWS D1.4(AWS 2011)

미국 용접 협회(American Welding Society, AWS)에서는 철근 용접을 허용하고 있으며, 탄소당량과 철근 지름에 따라 예열온도를 규정하고 있다. 철근의 탄소당량이 확인가능한 경우에는 Table 2에 따라 예열한 후 용접해야 한다. 만일 기존 구조물의 증축 또는 보강에서 기존 구조물에 사용된 철근의 탄소당량을 확인할 수 없는 경우에는 19 mm 이하철근에는 150 °C로 22 mm 이상 철근에서는 260 °C로 예열한 후 용접이음할 수 있다. ASTM A615(ASTM 2016)와 A706(ASTM 2016)에서는 철근의 탄소당량을 각각 식 (2), (3)과 같이 산정한다. 단 A706(ASTM 2016)에서 철근의 탄소당량은 0.55 %를 넘을 수 없다.

 (2)

 (3)

2.7 Kim et al.(2011)

강판과 주철근의 용접, 주철근과 띠철근의 용접, 가용접 등 철근선조립 과정에서 발생할 수 있는 용접부에 대한 인장시험을 실시하였다. 시험결과, SD500 용접용 철근과 일반 철근을 용접하는 경우, 용접량에 관계없이 항복강도 및 인장강도는 KS D3504의 기준을 만족하였다.

2.8 Nikolaou and Papadimitriou(2004)

RB400, RB500W 철근을 이용하여 예열 온도에 따른 용접의 유효성을 평가하였다. 실험결과, 예열 온도는 최대 강도에 큰 영향을 미치지 않았다.

3. 시험계획

3.1 시험 변수

철근 지름에 따른 이음 성능을 평가하기 위하여, D19, D29의 2종류를 선정하였다.

현장에서 기시공된 철근의 화학성분과 강종을 구분하기 어렵기 때문에, AWS D1.4(AWS 2011)의 예열조건 중 가장 불리한 조건인 D19, D29 철근에 각각 150 °C와 260 °C로 예열하였다. 예열 유무에 따른 이음 성능을 평가하기 위하여 비예열 시험도 실시하였다.

철근 종류는 기존 구조물에 많이 사용된 SD400을 기본으로 하여, 최근 사용이 증가하고 있는 SD500과 SD600을 추가하였다.

용접길이에 따른 용접강도를 알아보기 위하여, 용접 길이를 변수로 설정하였다. 용접길이() 변수는 , , , 를 선정하였다. 각 시험변수별로 동일 시험체를 3개씩 제작하여 총 132개 시험을 실시하였다.

3.2 시험체 설계

인장시험을 위해서는 시험체의 중심축이 일직선상에 있어야 하므로, Fig. 2와 같이 철근 3개를 이용하여 시험체를 제작하였다. Table 3에 시험체별 상세를 나타내었다. 이러한 시험체 형상으로 인해, 하중가력 시 편심이 발생되어 용접면에 전단력과 함께 인장력도 작용하게 된다. 이 응력상태는 실제 상황보다 불리하기 때문에, 이 시험 하중은 보수적인 결과를 제시한다.

3.3 시험체 제작

시험체 제작에 사용된 철근은 인장강도 시험을 실시하여 강종의 KS D350 4(KSA 2016) 적합성을 검토하였다. 용접 전에 산소-아세틸렌 토치로 철근을 가열하였으며, 적외선 온도계로 예열온도를 확인하였다. 목표 예열온도에서 10 °C 정도 상회하도록 가열한 후 목표 온도에 도달하면 FCAW(Flux Cored Arc Welding)으로 용접하였다. 용접재료는 KS D7104 (KSA 2012) YFW-C50DR이고, 연강 및 490 mPa급 고장력강 선으로 루틸(TiO₂)을 주성분으로 하는 플러스타입이며, 실드가드는 CO₂이다. 제조사에서 제공한 용접재료 사양은 선지름 1.4 mm, 항복강도 562 mPa, 인장강도 612 mPa, 연신율 26.8 %, 충격값 94J이다. 용접 후 전문기관에서 자분탐상법(Magnetic Particle Examination)으로 용접부 전수 검사를 실시하였으며, 모든 시험체가 합격하였다.

4. 시험 결과

4.1 재료시험 결과

6가지 철근 종류에 대해 각각 3개씩 인장시험을 실시하여 Table 4에 항복강도와 인장강도를 나타내었다. 2016년 KS D3504(KSA 2016)의 개정으로 강종별 항복강도의 상한값이 신설되었으며, 인장강도는 실제 항복강도에 대한 일정 비율 이상으로 규정 되었다. 시험에 사용된 6종류 모두 개정된 KS D3504(KSA 2016)의 강도 조건을 만족하였다.

시험에 사용된 철근의 화학성분은 Table 5와 같다. KS D3504(KSA 2016)에서는 일반 철근에 대한 탄소당량을 SD600철근에 대해서만 0.63 %이하로 규정하고 있는데, 시험에 사용한 SD600철근은 모두 이 규정을 만족하고 있다. KS D3504(KSA 2016)에 따른 최대 탄소당량은 SD600 D29철근으로 0.570 %이다. ASTM A706(ASTM 2016)에서는 7가지 성분을 모두 이용하여 탄소당량을 산정하며 최대 0.55 % 이하로 규정하고 있다. 이 시험에 사용한 철근은 모두 ASTM A706(ASTM 2016)규정을 만족하고 있으며, ASTM A706 (ASTM 2016)에 따른 최대 탄소당량은 SD600 D29철근으로 0.487 %이다.

시험에 사용한 철근은 일반 철근이므로 예열온도 산정을 위해서는 AWS D1.4(AWS 2011)에 규정된 일반 철근 탄소당량 산정식 식 (2)를 사용하는 것이 타당하다. 식 (2)에 따른 탄소당량은 최소 0.360 %에서 최대 0.460 %이다. AWS D1. 4 (AWS 2011)에 따르면, 탄소당량 0.45 % 이하에서는 D36철근까지 예열이 불필요하며, 이를 초과하는 철근도 10 °C로 규정하고 있다. 또한 탄소당량 0.45 % 초과 0.55 % 이하에서는 D19까지 예열이 불필요하며, D22 이상 D35까지는 10 °C의 예열온도를 규정하고 있다.

4.2 파괴유형과 최대강도

Fig. 3과 같이 용접이음길이 , , 시험체는 총 108개 중 96개에서 용접부파괴가 발생되었으며, 용접이음길이 에서는 총 24개 중 22개에서 철근 모재가 파단되었다. 시험체별 강도와 파괴유형을 Table 6에 나타내었다.

5. 이음강도 평가

용접 겹침이음방법으로 이음된 일반 철근의 이음 성능을 각각의 영향인자별로 평가하였다.

5.1 용접길이 및 예열유무의 영향

용접길이에 대한 시험결과를 Fig. 4에 나타내었다. 용접부 파괴가 발생된 경우 용접길이에 거의 선형적으로 비례하여 이음강도가 증가하였다. 철근 모재 강도의 변화와 거의 무관하게 동일 용접길이에서는 유사한 강도가 발현되었다. 용접부 파괴가 발생된 경우 이음강도는 용접재료(용접봉) 강도에 지배를 받기 때문에 이음강도는 철근 강종과 무관하였다.

SD400철근은 용접길이 4에서 설계기준항복강도가 발현되었으며, 용접길이 6에서 설계기준항복강도의 125 %가 발현되어 콘크리트구조기준(KCI 2012)의 요구성능을 만족하였다. 그러나 SD500으로 철근강도가 증가하면 용접길이 6에서 설계기준항복강도의 125 %가 발현되지 않았다. SD600 철근에서는 용접길이 6에서 설계기준항복강도를 간신히 상회하였다.

Fig. 4에 시험결과 값을 예열 유무에 따라 구분하여 나타내었다. 철근 지름과 강도에 관계없이 예열 유무에 따른 차이가 거의 없음을 알 수 있다. 시험에 사용된 철근의 탄소당량을 ASTM A615(ASTM 2016) 방법으로 산정하면, 최소 0.360 %에서 최대 0.460 %이다. 이러한 탄소당량을 갖는 철근의 용접을 위해 AWS D1.4(AWS 2011)에서 요구되는 예열온도는 최고 10 °C에 불과하므로, 예열 유무에 따른 시험결과 차이가 없는 것으로 판단된다.

5.2 강종의 영향

대부분의 시험체들이 용접부 파괴가 발생되어, 이음강도는 용접재료 강도에 지배되었다. 따라서 [시험강도]/[설계기준항복강도]의 비율은 철근의 강도가 증가할수록 감소하는 경향이 나타났다. 용접 이음 강도에 대한 강종의 영향을 알아보기 위해 강종별 시험결과에 대한 T-검정을 실시하였다. T-검정의 유의수준(P-value)을 0.05로 설정하였으며, T-검정 결과를 Table 7에 나타내었다. 각 강종별 P값이 0.05 이상으로 이음강도에 대한 강종의 영향이 없는 것으로 나타났다. 강종이 용접부 파괴가 발생되었기 때문에, 철근의 강종은 이음강도에 거의 영향이 없는 것으로 판단된다.

5.3 철근 지름의 영향

철근 지름의 영향을 알아보기 위해 D19와 D29 철근의 시험결과에 대한 T-검정을 실시하였다. T-검정 결과 P값이 0.23으로 용접 이음 강도에 대한 철근 지름의 영향은 없는 것으로 나타났다. 미만의 용접길이를 가지고, 용접부 파괴가 발생한 96개의 시험결과를 Fig. 5에 철근 지름별로 나타내었다. D19철근의 시험값이 D29에 비해 약간 높지만, T-검정 결과 철근지름에 큰 차이 없이 용접길이에 선형적으로 비례함을 알 수 있다.

5.4 설계기준에 따른 용접강도와 비교

KBC 2016(AIK 2016)에 따른 용접부 강도는 식 (4)로 산정할 수 있다.

 (4)

여기서, 은 용접부 강도이고 는 용접재의 공칭강도이다.

시험값과 비교를 위하여 식 (4)에서 에 용접재 인장강도를 대입하고, 는 목두께 를 사용하였다. 식 (4)에 의한 계산값과 시험값을 비교하여 Fig. 6에 나타내었다. 용접길이 이하 중 용접부 파괴가 발생한 96개 시험체 모두 식 (4)에 의한 계산값보다 높은 강도가 발현되었다. 일반 철근 용접 겹침이음부는 설계기준에 의한 계산값보다 높은 강도를 지니는 것으로 평가된다.

5.5 용접이음의 안전율 평가

시험 결과, 예열과 비예열의 차이가 없었고 강종 및 지름의 영향이 없는 것으로 나타났다. 용접부 파괴가 발생한 시험결과를 용접길이를 변수로 회귀분석하여 용접 이음강도 예측식을 식 (5)와 같이 도출하였다.

 (5)

여기서, 는 용접이음 예측강도이다.

용접길이 를 갖는 시험체는 대부분 철근 모재에서 파단이 발생되어, 실제 이음강도를 예측할 수 없다. 식 (5)를 이용해 용접길이 의 예상강도를 평가함으로써, 용접 겹침이음의 이음강도 안전율을 산정하였다. KS B ISO 17660-1 (KSA 2007)에 따른 의 표준 용접 겹침이음의 이음강도를 식 (5)를 통해 예측하면 84.1×(8)+92.9=765.7 mPa이다. 이 값으로 SD600 철근에 대한 안전율을 산정하면 765.5/600=1.28이다.

6. 결    론

일반 철근 용접 겹침이음에 대한 인장시험 결과 다음의 결론을 얻었다.

1)KS B ISO 17660-1(KSA 2007)에 따른 용접이음의 이음강도는 예열 유무에 무관하게 모두 콘크리트구조기준에서 요구하는 설계기준항복강도의 125 %를 상회하였다. 시험에 사용된 철근의 탄소당량이 낮았기 때문에 예열 유무가 시험결과에 영향을 주지 않은 것으로 판단된다.

2)용접길이 2, 4, 6를 시험변수로 갖는 SD400, SD500, SD600 강종의 D19와 D29 이음은 대부분(108개 중 96개) 용접재에서 파단이 발생되었다. 용접부 파괴가 발생된 경우 이음강도는 용접길이에 선형적으로 비례하여 증가하였다.

3)일반 철근을 KS B ISO 17660-1(KSA 2007)의 용접치수와 AWS D1.4(AWS 2011)의 예열조건에 적합하게 용접이음하면, 콘크리트구조기준에서 요구하는 설계기준항복강도의 125 %를 발현할 수 있는 것으로 평가된다.