경량 철골 주택과 농막을 올용접(줄용접)으로 해야 하는 학술적 근거

경량 철골 주택은 4t 미만의 경량철골의 골조로 하는 주택/농막/창고입니다. 우리나라는 고품질 철자재를 저렴한 금액에 구입이 가능하기 때문에 한국형 가설비 주택으로 현재 인기몰이 중이죠. 
 
 과거에는 단순 창고나 공장용으로 제작하거나 주차장, 우사 등으로 사용되었기 때문에 마땅한 규정과 내진골조, 난연 단열자재, 이동 수단들이 없었습니다. 
 
 현재는 급속도로 발전해 이제는 난연 자재뿐 아니라  내진 골조와 모듈러 공법으로 10층 이상의 고층 빌딩도 건설이 가능한 수준입니다. 
 
 그럼 경량 철골 주택을 왜 올 용접 해야 하는지 알아보겠습니다. 

" 관련 내용은 오상훈, 박해용, 박재한. (2020). 외장재 부착용 경량철골 서포트의 내진성능향상을 위한 접합 상세. 한국강구조학회 논문집 , 32(5), 285-295, 10.7781/kjoss.2020.32.5.285을 참고하였음을 알려 드립니다. (이런 좋은 연구 실험을 해주셔서 다시 한번 감사드립니다. )

 

 강성

 강성은 재료의 강도를 나타내는 용어로 사용됩니다. 건축 분야에서 강성은 주로 건물의 구조물에 적용되는데, 강도가 높은 재료를 사용하여 건물의 안전성과 내구성을 보장하는 데 중요한 역할을 합니다.
 
 경량철골주택 및 소형 건축물을 다루는 분야에서 강성은 건축물의 특성과 안정성을 결정짓는 중요한 요소 중 하나입니다. 철골 구조물에서 사용되는 철은 고강도이며, 건축물의 무게를 지탱하고 외부의 부하에도 강하게 대응할 수 있도록 설계됩니다.
 
 특히 강성은 재료의 탄력성과 연관이 있습니다. 높은 강성을 가진 재료는 변형이 적으며, 건축물이 변형되지 않고 안정적으로 유지될 수 있도록 도와줍니다. 이는 건물이 다양한 환경 조건에 강하게 대응할 수 있게 만들어줍니다.
 
 강성을 증가시키기 위해서는 적절한 재료 선택과 구조적인 설계가 필요합니다. 또한, 건물의 사용 목적과 환경 조건을 고려하여 적절한 강성을 확보하는 것이 중요합니다.

좋은 구조의 건물

강성을 높이기 위한 경량철골주택의 구조적인 설계 방법은 여러 측면에서 고려되어야 합니다. 아래는 몇 가지 주요한 설계 방법입니다

1. 재료 선택: 고강도의 철재를 사용하여 구조물의 강성을 향상할 수 있습니다. 특히, 경량철골주택에서는 강도가 높고 동시에 가벼운 재료를 선택해야 건물의 안정성을 보장할 수 있습니다. 하지만 그런 철 자재는 단가가 높고 구하기 힘들기 때문에 가성비 자재로 보편적인 각관이나 c형강, 소형 h빔, ㄷ찬넬을 주로 사용합니다. 
2. 적절한 단면 설계: 구조물의 단면이 적절하게 설계되어야 합니다. 단면이 충분히 강건하면 건물이 외부의 하중에 대응할 수 있게 됩니다. 이를 위해 공학적인 계산과 분석을 통해 적절한 단면을 결정하는 것이 중요합니다. 대표적인 구조는 트러스 구조입니다. 주로 지붕에 많이 사용하지만 지붕뿐 아니라 벽과 천장 전체에 적용하는 것이 좋습니다. 
3. 크로스브레이싱 및 보강: 건축물의 특정 부분에 크로스브레이싱, 일명 대각재라는 사선으로 보강을 추가하여 강성을 향상할 수 있습니다. 이는 구조물이 지진이나 다른 외부 충격에 대비할 때 특히 유용합니다. 현장에서 사용하는 용어는 ' '라고 많이 합니다. 비슷하지만 약간 다른 개념입니다.
4. 토목 지원: 건물의 기초와 지지체를 강화하여 지반의 안정성을 확보하는 것도 강성을 향상하는 중요한 부분입니다. 그래서 베이스판을 이용해 별도의 철 기초를 만들고 용접하는 방식이 가장 일반적이 입니다. 별도로 기초에 시멘트 타설 전 베이스판용접이 가능하도록 철근을 설치하거나, 모듈러 주택을 설치 후 2차 매립 기초를 하기도 합니다. 
5. 좋은 연결 설계: 부재와 부재, 부재와 기초 사이의 연결 부위를 강화하여 전체 구조물이 하나로 통합되어 동작하도록 하는 연결 설계가 필요합니다. 오늘 다룰 내용으로 왜 올용접(줄용접)을 해야 하는지에 대한 내용입니다. 

실험

실험 1. 방식 선정

1. 사용하는 철자재는 1.6t, 2.0t 각관을 사용합니다.
2. 총 4개의 모델로 진행합니다. 1) 점용접(스폿용접) 상부 3곳, 하부 1곳을 용접합니다. 2) 올용접(줄용접) 상부와 하부 모두 용접합니다. 3) 꺽쇠를 이용한 피스결합, 상/하부를 5t 정도의 100x50 꺽쇠를 이용해 피스 결착 합니다. 4) 3번과 같은 고정 꺽쇠로 각관을 타공해 상/하부에 볼트결합합니다. 
3. 실험은 방식은 10mm 진폭으로(상하 좌우 운동) 3사이클로 점차 증가하는 방식입니다. 그래서 모델이 떨어져 기능을 상실하거나 장비의 최대 능력에 도달하면 종료합니다.

결과

1번 모델  점용접 상부 3점, 하부 1점 1.6t의 경우 50 mm 가력단계에서 하부 1점 용접부가 탈락되며 급격한 내력저하가 발생하였습니다.
 
90 mm(0.20 rad) 가력단계에서 상부 3점 용접부가 탈락되어 실험을 종료하였습니다.
 
 2.0t의 경우 40mm(0.09 rad) 가력 시 하부 용접부가 탈락된 이후 정방향 60 mm(0.13 rad) 가력단계에서 상부 용접부가 파단되어 실험을 종료하였습니다.

 

이 결과로 보면 점용접은 자재에 충분한 열융합을 이루지 못하기 때문에 오히려 자재가 두꺼운 경우 최대하중은 떨어진다고 예상해 볼 수 있습니다. 또한 상부와 하부 모두 탈락되었습니다.
 
 2번 모델 줄용접 1.6t의 경우 40 mm(0.09 rad) 가력 시 하부 용접부의 균열이 발생하였으며 이후  80 mm(0.18 rad) 가력 시 수평부재 하부가 탈락되어 실험을 종료하였습니다.
 
 반면 2.0t의 경우 부방향 30 mm(0.07 rad) 가력 시 하부 수직부재(기둥)에 균열(찢어져)이 발생하였으며 가력 시 지속적인 수직부재변형(용접이 떨어지지 않고 움직임)이 발생하며 내력이 상승하였습니다.
 
 이후  70 mm (0.16 rad) 가력 시 수직부재의 변형과다(많이 찢어짐)로 인해 급격한 내력저하가 발생하여 실험을 종료하였습니다.(결국 떨어지지 않음)
 
 이 결과 줄용접의 경우 점용접과는 비교도 안 되는 하중 내구성을 보여주고 특히 2.0t 각관에서는 수직 부재(기둥)가 찢어져도 떨어지는 거나 탈락되는 일은 발생하지 않았습니다. 
 
3번 모델 직결피스접합을 적용한 1.6t의 경우 40 mm(0.09 rad) 가력 이후 피스의 소성변형이 발생하였으며 100mm(0.22 rad) 3 cyc. 에서 상부 피스가 탈락하며 더 이상 저항하지 못하여 실험을 종료하였습니다.
 
반면 2.0t의 경우 50 mm(0.11 rad) 가력 이후 피스의 소성변형이 발생하였고 50 mm(0.11 rad) 가력 이후 하부 피스가 손으로 움직여질 정도로 느슨해지는 피해가 발생하였다. 이후  70 mm(0.16 rad) 2 cyc. 에서 하부 피스가 탈락하여 실험을 종료하였습니다.
 
 이 결과 피스접합의 경우 1.6t와 2.0t의 큰 차이는 없었으며 오히려 1.6t에서 탈락 지점이 30mm 높았던 걸 감안하면 경량철골에서 피스접합은 점용접과 비슷하거나 조금 나은 수준입니다. 
 
4번 모델 타공각관에 볼트접합 1.6t의 1.6t 경우 80 mm(0.18 rad) 가력 이후 볼트가 소성변형됨에 따라 내력이 저하되었으나 최대 제어 변위(120 mm)까지 접합부의 탈락이 발생하지 않았습니다.
 
 2.0t의 경우 1.6t와 유사하게 거동하였으며 90 mm (0.20 rad) 가력 이후 볼트가 소성변형됨에 따라 내력이 저하되었으나 최대 제어 변위 (120 mm)까지 접합부의 파단이 발생하지 않았습니다.
 
이 결과 타공각관에 볼트 접합은 상당한 유동성을 보여줍니다. 다시 말해 유동성이 강하기 때문에 내진에 유리합니다. 즉 고층 건물의 상부층에 적합하고 경량철골 골조에도 아주 적합한 방식입니다. 
 
5번째 프로파일 각관과 볼트 접합 방식이 있지만 경량철골 주택에서 적용하기에는 단가상승이 높아 임의로 배제했습니다. 

마지막 실험

종국 파괴 모드

 1~4번 모델을 결국 떨어질 때까지 진폭을 가해 최종 상태를 확인하는 방법입니다. 사실 이 마지막 실험은 현실에서 극히 발생하기 힘든 상황으로 모델들의 탈락 방식을 확인하고자 진행한 방식으로 보입니다. 
 

점용접

 

사실 예상되는 바와 같이 얼마 버티지 못하고 모두 탈락되었습니다.

 
 
 
 
 
 
 
 

줄용접

최종적으로 1.6t는 모두 탈락되었지만 2.0t의 경우 옆 사진처럼 수직부재(기둥)가 오히려 찢어져서 떨어 저 버렸습니다. 

피스접합

 
 
 
 
 
 
 
 피스접합의 경우 부재의 두께와 상관없이 점용접과 크게 다르지 않은 결과를 보였습니다. 

타공볼트접합

  
 
 
 
 
 

 타공 볼트접합의 경우 약 6mm 정도의 수직 부재와 이격이 발생하고 타공 부위가 배부름 현상이 발생해 실험이 종료되었습니다. 
 
 이 결과 하중을 버티지는 못해도 탈락이 발생하지는 않았습니다.
 
 하지만 볼트와 타공 접합 부위가 배부름 현상으로 작은 하중에도 탈락이 발생할 것으로 예상됩니다. 
 
 
 
 

결론

변형 능력 : 용접접합 및 피스접합 특성상 접합부의 불균일성, 접합성능의 불확실성에 따른 상이한 강도저항과 변형능력을 보였습니다. 볼트접합은 충분한 강도저항을 하였고, 전반적으로 균일한 변형 능력을 보였습니다.
 
접합부 강도 : 최대하중을 제외한 4가지 모델 모두 각관의 두께가 두꺼울수록 최대하중이 1.06배 - 1.7배가량 증가함을 확인할 수 있었습니다. 대부분 파괴모드는 부재의 찢김 혹은 피스/볼트의 소성변형이며 각관 성능 이 직접적인 원인은 아닌 것으로 판단됩니다. 줄용접 모델의 경우 가력 시 용접부의 탈락이 아닌 수직부재(기둥) 자체의 인장변형(늘어남)으로 인해 내력이 상승하여 타 실험체에 비하여 최대하중이 높게 나타났습니다.
결과적으로 용접방식은 하중 강도가 높지만 변형에 약하고 볼트방식은 하중은 상대적으로 낮지만 변형에 강하다고 예상할 수 있습니다.
 
총평
 줄용접 방식의 경우 각관의 두께가 2.0 mm일 때 최대하중이 다른 실험체에 대비하여 1.7배 - 2배 이상 높은 최대하중 값을 가지는 것으로 나타났습니다. 이는 용접부의 균열이 아닌 수직부재(기둥) 자체의 인장거동(늘어남)으로 인한 결과로 판단됩니다.
 
 무용접 접합방식 중 볼트접합방식은 온도계 모양의 홀, 프로파일 등 볼트접합방식을 적용하기 위한 각관의 형태와 무관하게 최대제어변위(120 mm)까지 버텼습니다.
 
 볼트접합방식은 용접접합방식 및 직결피스접합방식에 대비하여 최대하중은 낮으나 변위수용능력이 우수하며 누적에너지양이 더 높은 결과를 얻을 수 있었습니다. 
 
 그래서 하부에 맞은 하중을 받는 부분은 올용접(줄용접) 접합방식으로 최대하중을 높이고 높이가 높아지는 경우 상부는 볼트접합방식을 채택해 내진과 거동성을 확보하면 좋을 것 같습니다.

경량철골 주택을 생각하시나요? 그럼 경량철골 주택의 치명적 단점먼저 확인해 보세요!

경량 철골 주택 치명적인 단점!!