현재 국내에도 건물의 특성에 알맞은 가변적이며 대공간 확보가 가능하고 사용부재의 두께가 수mm에서 100mm에 이르는 극후판 두께의 건축 철골구조의 건축물 및 Box형 강재교량으로 구축되는 사례가 증가하면서 철골부재의 제작 및 가공기술이 예전보다 더욱 향상되고 구조물로서의 품질관리에 대한 신뢰성의 요구도 증가되고 있는 실정이다, 그러나 국내의 철골조 건축부재의 구조설계는 설계사대로 각기 이루어지고 해당 부재는 공장별로 제작진행되어 그 기술수준에는 보이지 않는 상당한 격차가 있다고 보여지며 업체별로 경제성 등을 고려하여 기본적이며 일반적 철골제작기법을 간결하게 적용하는 것에 머물러 고도한 선진적인 기술의 채용은 대부분 주저할 수 밖에 없는 상황이다 또한, 중소규모의 빌딩 건축물들의 철골조 설계적용을 고려해볼 때 수많은 접합부의 표준화를 비롯하여 구조체 전체의 표준화 및 내$\cdot$외장재까지 포함된 시스템건축의 건축물설계와 부재의 제작 및 설치기술 개발경향도 엿보이고 있는 가운데 특히, 철골부재의 공장제작과 현장설치의 보다 경제적이고 짧은 공기내에 완전한 품질을 확보할 수 있는 부재간의 접합부 설계에 대한 연구검토는 철골분야에 종사하는 업계는 물론 현장 관계자에게도 의미있는 일일 것이다. 본 논문에서는 철골조 건축물의 특성을 알아보고 철골구조물 공장제작 및 현장설치공기를 최대한 단축할 수 있는 철골기둥과 기둥, 기둥과 큰보부재 접합부 변경사례 및 Box Column의 용접자동화, 로봇화에 의한 철골기둥 부재제작사례와 금후 철골구조물 제작상의 문제점과 대응방안에 대하여 서술하고자 한다.
현재 국내에도 건물의 특성에 알맞은 가변적이며 대공간 확보가 가능하고 사용부재의 두께가 수mm에서 100mm에 이르는 극후판 두께의 건축 철골구조의 건축물 및 Box형 강재교량으로 구축되는 사례가 증가하면서 철골부재의 제작 및 가공기술이 예전보다 더욱 향상되고 구조물로서의 품질관리에 대한 신뢰성의 요구도 증가되고 있는 실정이다, 그러나 국내의 철골조 건축부재의 구조설계는 설계사대로 각기 이루어지고 해당 부재는 공장별로 제작진행되어 그 기술수준에는 보이지 않는 상당한 격차가 있다고 보여지며 업체별로 경제성 등을 고려하여 기본적이며 일반적 철골제작기법을 간결하게 적용하는 것에 머물러 고도한 선진적인 기술의 채용은 대부분 주저할 수 밖에 없는 상황이다 또한, 중소규모의 빌딩 건축물들의 철골조 설계적용을 고려해볼 때 수많은 접합부의 표준화를 비롯하여 구조체 전체의 표준화 및 내$\cdot$외장재까지 포함된 시스템건축의 건축물설계와 부재의 제작 및 설치기술 개발경향도 엿보이고 있는 가운데 특히, 철골부재의 공장제작과 현장설치의 보다 경제적이고 짧은 공기내에 완전한 품질을 확보할 수 있는 부재간의 접합부 설계에 대한 연구검토는 철골분야에 종사하는 업계는 물론 현장 관계자에게도 의미있는 일일 것이다. 본 논문에서는 철골조 건축물의 특성을 알아보고 철골구조물 공장제작 및 현장설치공기를 최대한 단축할 수 있는 철골기둥과 기둥, 기둥과 큰보부재 접합부 변경사례 및 Box Column의 용접자동화, 로봇화에 의한 철골기둥 부재제작사례와 금후 철골구조물 제작상의 문제점과 대응방안에 대하여 서술하고자 한다.
Even in Korea the number of steel structure buildings that allow internal space and easy change of their layouts in accordance with the purpose of buildings and box-type steel bridges constructed with thick plates with thickness in a rage just from a few $\beta$AE to \$100...
Even in Korea the number of steel structure buildings that allow internal space and easy change of their layouts in accordance with the purpose of buildings and box-type steel bridges constructed with thick plates with thickness in a rage just from a few $\beta$AE to \$100\beta$AE is increasing these days and therefore, domestic fabrication and processing technology of members for steel structures is being improved at a pace faster than in the past to meet the growing requirements of consumers for high reliability on quality control on the related steel structures. However, most domestic fabricators os steel structures who are turning out their steel products in accordance with the designs prepared by engineering companies in their respective works for the sake of cost cut more than anything else, hesitating to introduce any advanced new technology into themselves. In the case of the steel structure design application for small and mid-size buildings in particular, it is quite meaningful not only for those who are involved in steel structure business, but also for the people working at construction work fields to review the result of the study on the connections of steel structure members deigned to obtain superb quality of steel structures within short period for steel fabrication and erection at fields in economical ways, as there is a glowing tendency seeking standardization of connection of steel structure members as well as whole structure together with the development on design of construction system of buildings including their exterior and interior decoration materials, manufacture of the related members and fabrication technique structure. This paper has been prepared with the aim to review the peculiar characteristics of buildings constructed with the main frames of steel structures and actual cases of the change made ing the connections between steel structure columns and between columns and girder members in order to reduce the work period necessary for fabrication and erection of steel structures at the maximum as well as the some examples of steel structures fabricated through automatic welding by robots for box-type columns in addition to the description of the problems found in the course of fabricating those steel structures, suggesting possible counter-measures to solve them.
Even in Korea the number of steel structure buildings that allow internal space and easy change of their layouts in accordance with the purpose of buildings and box-type steel bridges constructed with thick plates with thickness in a rage just from a few $\beta$AE to \$100\beta$AE is increasing these days and therefore, domestic fabrication and processing technology of members for steel structures is being improved at a pace faster than in the past to meet the growing requirements of consumers for high reliability on quality control on the related steel structures. However, most domestic fabricators os steel structures who are turning out their steel products in accordance with the designs prepared by engineering companies in their respective works for the sake of cost cut more than anything else, hesitating to introduce any advanced new technology into themselves. In the case of the steel structure design application for small and mid-size buildings in particular, it is quite meaningful not only for those who are involved in steel structure business, but also for the people working at construction work fields to review the result of the study on the connections of steel structure members deigned to obtain superb quality of steel structures within short period for steel fabrication and erection at fields in economical ways, as there is a glowing tendency seeking standardization of connection of steel structure members as well as whole structure together with the development on design of construction system of buildings including their exterior and interior decoration materials, manufacture of the related members and fabrication technique structure. This paper has been prepared with the aim to review the peculiar characteristics of buildings constructed with the main frames of steel structures and actual cases of the change made ing the connections between steel structure columns and between columns and girder members in order to reduce the work period necessary for fabrication and erection of steel structures at the maximum as well as the some examples of steel structures fabricated through automatic welding by robots for box-type columns in addition to the description of the problems found in the course of fabricating those steel structures, suggesting possible counter-measures to solve them.
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문제 정의
본 연구에서 철골조 건축물의 구조설계와 철골 부재 간의 접합 부상세 및 접합부 개선사례 등을 통해 구조적으로 안정되며 보다 효률적이고 경제적이며 품질확보가 우수한 시공사례을 들어 보았다. 본인의 경험으로 볼 때 플랜트, 체육관, Office, 초고층 Apt, 교량, 대규모 창고 등과 관련된 국내의 철골구조설계에 반영된 각종 철골 부재의 제작 시 수백 개에 이르는 철골 제작 공장별로 해당 기술 수준(부재 절단, 부재 제작 용접 기량 용접후열처리 (PWHT), 현장 설치과정 등에는 보이지 않는 상당한 기술격차가 있다고 보여지며, 그 이전에 철골구조 설계 결과물에서도 흔히 볼 수 있듯이 다종다양한 접합부 중에서도 같은 재질, 같은 부재 크기와 두께, 동일한 접합 조건인 가운데서도 용접 및 고장력볼트를 이용한 접합부 상세가 Project 별로 상이하게 진행되고 있음을 알 수 있다.
이러한 열악한 환경하에서 경쟁력 있는 생산체제를 정비하고 철골공장 제작. 설치의 비용 절감을 위한 노력은 현재의 어려운 시대를 극복하기 위한 필요 불가결한 문제라고 생각하며 사례를 통한 철골구조 접합부 설계 시 咨차원의 효과적인 표준화 설계 제안과 용접 자동화 및 로봇화에 의한 과감한 무인제작 기술개발 제안을 통해 철골 관련업 계에 효과적인 성력화를 가져다주기 위한 목적으로 연구를 시작하였다.
기등과 기둥, 보와 거더, 보와 보와의 접합부) 작업의 신속성과 경제성을 고려한 강구조 설계는 보다 작업 시간을 단축시켜줄 것으로 예측된다. 이에 대해 철골조 건축물에서의 일반적인 기둥, 큰보 및 작은 보와의 접합부 상세사례를 들어 보기로 한다.
국내의 철골조 건축물 가운데 대표적인 철골 접합부 사례를 비교. 확인해본 결과 구조설계자의 의도에 치중되어 접합 방법이 나 용접법이 제각각 다르다는 것을 알 수 있고 또한 용접작업에 소요되는 노무비와 재료비 역시 설계 별로 차이를 보이고 있으므로 이에 대해 용접개선 부 용착량, 시간당 작업량계산을 통한 부 재두께, 개선 각에 따른 용착량과 용접작업 소요 시간을 알아보고 이어서 철골 부재 접합부 개선사례, 경제적인 부재 접합부와 부재 제작 개발사례 및 자동화된 부재 제작사례에 대해 연구해 보고자 한다
가설 설정
철근콘크리트에 비해 약 7배 정도의 강도를 가지고 있어 그만큼 내진성 능이나 안전성이 탁월하다. 둘째, 다양한 구조로 변화가 자유롭다. 강도에 비해 가벼운 재료의 성질을 이용해 외관 디자인을 자 유롭게 구사할 수 있어, 다양한 용도의 건물을 짓는데 유리하다.
제안 방법
국내의 철골조 건축물 가운데 대표적인 철골 접합부 사례를 비교. 확인해본 결과 구조설계자의 의도에 치중되어 접합 방법이 나 용접법이 제각각 다르다는 것을 알 수 있고 또한 용접작업에 소요되는 노무비와 재료비 역시 설계 별로 차이를 보이고 있으므로 이에 대해 용접개선 부 용착량, 시간당 작업량계산을 통한 부 재두께, 개선 각에 따른 용착량과 용접작업 소요 시간을 알아보고 이어서 철골 부재 접합부 개선사례, 경제적인 부재 접합부와 부재 제작 개발사례 및 자동화된 부재 제작사례에 대해 연구해 보고자 한다
본 연구를 위해 참조한 여러 가지 대형철골조 건축물의 용접접합부 Detail을 분석해본 결과 대부분의 접합부 개선 각은 45°를 적용. 설계한 것으로 확인되었고 이에 대해 대형 철골 제작사가 기준하는 용접작업에 소요되는 시간당 작업량을 알아보고자 한 다, 아래 내용은 철골 부재의 용접접합부에 대한 용접용착량과 시간당 용접작업량을 공식으로 접근하여 용접사 1인 1일당 용접봉 소모량과 시간당 작업량을 알아보았다.
모든 모멘트접합부를 공장 용접하고 현장에서 값비싼 볼트 이 음을 하는 전통적 관행에서 탈피하여, 횡력 저항 골조에만 RBS 접합부를 도입하고 나머지 접합부는 저렴한 전단 접합으로 시공한다면, 도리어 내진 신뢰성의 향상과 비용의 절감을 기할 수도 있다고 본다. 설령 기존의 공장 용접 방식을 고수한다. 해도 Perimeter moment frame system과 깉은 골조 시스템을 선택하면 RBS 접합부를 도입하는데 따른 구조 비용의 증가는 거의 없을 것으로 사료된다.
우선 구조계산을 거친 건축물의 철골구조설계가 완료되어 건축도면화(Basic Dwawing)된 내용을 시공과정에서 제작. 설치상세도(Shop Drawing)로 작성한 후 현장감리단의 검토 과정에서 해당 부재의 경제적 제작 여부, 작업성 및 용접성 확보 등의 일련의 VE차원의 행위가 이루어지는데 검토과정에서 효과적인 비용 절감을 추구할 수 있는 해박한 철골 분야의 Engineer가 부족한 실정이며 시공성, 경제성 및 우수한 용접 성확보 등의 변경사례 또한 미미하고 대부분의 구조설계된 부재는 기본도면을 근거로 공장 제작 작업을 위한 세부상세도면 화 되어 여러 과정의 공장제작품 질 검수 및 설치 검사 검측을 거쳐 완공에 이르게 된다.
그러나 IMF 체제를 거치면서 국내의 건설경기는 상당히 위축되어 있고 좀처럼 회복의 기미가 보이지 않고 있는 가운데 토목 교량 및 건축 철골 산업 시장 전체가 축소될 경향이 있다는 것을 부정할 수는 없으며 수요 저하 및 원자재 가격의 상승 우려에 대한 조속한 대응이 필요한 실정이다. 이러한 열악한 환경하에서 경쟁력 있는 생산체제를 정비하고 철골공장 제작. 설치의 비용 절감을 위한 노력은 현재의 어려운 시대를 극복하기 위한 필요 불가결한 문제라고 생각하며 사례를 통한 철골구조 접합부 설계 시 咨차원의 효과적인 표준화 설계 제안과 용접 자동화 및 로봇화에 의한 과감한 무인제작 기술개발 제안을 통해 철골 관련업 계에 효과적인 성력화를 가져다주기 위한 목적으로 연구를 시작하였다.
철골조 건축구조물 혹은 용접구조물을 설계. 제작.
성능/효과
TSC 보는 RC 구조와 PC 구조와의 비교는 제외하더라도 기존 철골 보 구조와 비교하여 보면 압축 측 플랜지에 해당하는 강 재단 면을 대폭 감소 시켜 강재 단면의 이용이 상당히 효율적이며 부재의 접합 방법 또한 공장 및 현장 용접을 최소화하여 Bolt 접합 화하여여 설치 시간, 소요 강재를 절약할 수 있다. 또한 U형 웨브가 콘크리트로 채워져 휨 강성과 전단 내력이 커서 층고를 절감할 수 있으며 콘크리트 중성화 염려가 없어 구조물 수명이 반영구적이다.
위의 표 내용을 살펴보면 부재 두께 40T, 30°의 개선 각을 가진 부재의 용접 시간과 60° 개선 각의 용접 시간은 무려 3배의 시간이 소요됨을 알 수 있고, Flange 부재 폭 700mm, 두께 60T, 45° 개선 완전용입 (full penetration) 용접부와 Web 폭 450mm, 두께 30T, 양면 45° 개선 부분용입 (partial penetration) 부의 용접 접합을 할 경우 현장 기능공의 1일(8시간 기준) 완료가능한 부재 접합 Point 수는 1개소 정도에 불과하다고 사료된다. 개선 각 30° 와 45°와의 용접작업 소요 시간이 1.5배 이상 소요되는 것을 감안 할 때 철골 부재의 접합부 설계에 있어서 공장 또는 현장 용접 작업에 소요되는 시간이 최소화될 수 있도록 구조설계 시에 감안 하여 반영, 적용하는 것이 합리적이며 30°-35° 개 선각으로 설계하여도 양질의 용접으로 시공되게만 관리하면 인적, 물적 차원의 많은 경제적인 도움이 될 것이다.
철골 구조물은 공장에서는 주로 제작 생산만 하고 현장에서는 조립설치를 하는 방식으로 공사를 진행하기 때문에 공사 기간을 철근콘크리트조보다 20-30% 단축시킬 수 있어 경제적이다. 다섯째, 변경과 보수가 용이하며 상업공간의 경우는 유행의 변화를 빠르게 소화시켜야 하므로 가변성이 있는 재료로 짓는 것이 유용하다. 여섯째, 환경친화적이다, 건축물은 장기간 사용 후 철거를 하게 되는데 다른 건축자재의 경우 철거 후 80~85%가량 폐기 처리되나 철은 대부분 재활용이나 재사용이 가능하다는 점 때문이다.
본 연구를 위해 참조한 여러 가지 대형철골조 건축물의 용접접합부 Detail을 분석해본 결과 대부분의 접합부 개선 각은 45°를 적용. 설계한 것으로 확인되었고 이에 대해 대형 철골 제작사가 기준하는 용접작업에 소요되는 시간당 작업량을 알아보고자 한 다, 아래 내용은 철골 부재의 용접접합부에 대한 용접용착량과 시간당 용접작업량을 공식으로 접근하여 용접사 1인 1일당 용접봉 소모량과 시간당 작업량을 알아보았다.
본 연구에서 철골조 건축물의 구조설계와 철골 부재 간의 접합 부상세 및 접합부 개선사례 등을 통해 구조적으로 안정되며 보다 효률적이고 경제적이며 품질확보가 우수한 시공사례을 들어 보았다. 본인의 경험으로 볼 때 플랜트, 체육관, Office, 초고층 Apt, 교량, 대규모 창고 등과 관련된 국내의 철골구조설계에 반영된 각종 철골 부재의 제작 시 수백 개에 이르는 철골 제작 공장별로 해당 기술 수준(부재 절단, 부재 제작 용접 기량 용접후열처리 (PWHT), 현장 설치과정 등에는 보이지 않는 상당한 기술격차가 있다고 보여지며, 그 이전에 철골구조 설계 결과물에서도 흔히 볼 수 있듯이 다종다양한 접합부 중에서도 같은 재질, 같은 부재 크기와 두께, 동일한 접합 조건인 가운데서도 용접 및 고장력볼트를 이용한 접합부 상세가 Project 별로 상이하게 진행되고 있음을 알 수 있다.
강도에 비해 가벼운 재료의 성질을 이용해 외관 디자인을 자 유롭게 구사할 수 있어, 다양한 용도의 건물을 짓는데 유리하다. 셋째, 내부공간 면적을 극대화할 수 있다. 철근콘크리트조에 비해 기등과 기둥 간격(스팬:Span)을 넓게 할 수 있어 실제 내부 사용면적을 늘릴 수 있다.
다섯째, 변경과 보수가 용이하며 상업공간의 경우는 유행의 변화를 빠르게 소화시켜야 하므로 가변성이 있는 재료로 짓는 것이 유용하다. 여섯째, 환경친화적이다, 건축물은 장기간 사용 후 철거를 하게 되는데 다른 건축자재의 경우 철거 후 80~85%가량 폐기 처리되나 철은 대부분 재활용이나 재사용이 가능하다는 점 때문이다.。
위의 표 내용을 살펴보면 부재 두께 40T, 30°의 개선 각을 가진 부재의 용접 시간과 60° 개선 각의 용접 시간은 무려 3배의 시간이 소요됨을 알 수 있고, Flange 부재 폭 700mm, 두께 60T, 45° 개선 완전용입 (full penetration) 용접부와 Web 폭 450mm, 두께 30T, 양면 45° 개선 부분용입 (partial penetration) 부의 용접 접합을 할 경우 현장 기능공의 1일(8시간 기준) 완료가능한 부재 접합 Point 수는 1개소 정도에 불과하다고 사료된다. 개선 각 30° 와 45°와의 용접작업 소요 시간이 1.
작업능률 역시 1인당 대 기둥 조립 대수는 2.5개로서 종래의 반자동 CO2용접 0.75개보다 약 3.3배의 작업능률을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 아래 그림은 조립용접 로봇 이용 시 용접조건(전류, 전압) 및 층간 온도의 측정 예를 나타내는데 온도측정은 방사 온도 계에 의해 용접부 근방을 연속적으로 계측하고 이런 데이터로부터 다음 Pass 용접 직전의 온도로 환산해 층간 온도로 이용한다.
후속연구
RBS 접합부는 용접부의 취성파괴를 방지하고 뛰어난 연성능력을 확보하는 접합부라는 점에서 중진 대에 속하는 국내에서도 주목할 필요가 있다고 보여지며 RBS 접합부가 가지는 여러 가지 장점 때문에 향후 국제적으로도 대표적 내진 접합부로 자리매김할 것으로 사료되며 국내의 상황에도 잘 활용할 수 있는 접합부로 사료된다.
나아가 인력 면에서 축소되고 있는 용접기능공들의 기능화 (non-skill)와 국내 중소규모 건축물의 철골구조 적용을 위한 대중적인 시장 잠재력 확보와 건설 폐자재 처리 시 재사용이 가능한 철강재의 환경친화적 특성 및 공기단축, 내구수명을 고려한 경제적인 인식도 증가를 위해서라도 설계단계, 제작단계와 설치 단계에서 참여기술자(건축설계자, 제작 기술자, 설치 기술자, 구조설계자)들의 감각적인 V空차원의 효과적인 접합부 표준화 설계 와 용접 자동화 및 로봇화에 의한 과감한 무인제작 기술개발을 위해 노력한다면 현재의 철골 제작업계에 상당히 효과적인 성력 화를 가져다줄 것으로 생각한다.
철골조에 있어서 제작 및 설치는 공정상 주 공정(critical path)에 속하고 있고 후속 공정인 바닥 판 작업에도 직접적인 영향을 미치는 공종이며 사용 목적, 사용조건이 다를지라도 수천 개 에 이르는 부재 접합부 용접개선 단면을 양질의 용접기능이 발휘되도록 관리하는 것을 전제로 최대한 용접량을 줄여 설계되는 방향으로 진행된다면 열악한 경쟁계약 체계에 놓여 있는 철골산 업분야의 제작 생산 공기나 비용 절감 면에서 다소나마 도움이 되 리라 생각한다.
참고문헌 (8)
건설경영자료집, 건축분야 틈새시장 (Niche Market) 에 관한 조사연구, 대한건설협회 서울특별시회, 2003.03.30
이철호, 전상우, 김진호, RBS 철골모멘트 접합부의 내 진 거동평가를 위한 반복재하 실물대 실험, 한국강구조학회논문집 제14권 4호(통권 59호) , 2,002.08
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