단층 철골조 구조평면도

왜 배우는가: 단층 철골조 공장은 구조계획에서 기둥 배치, 큰보·작은보, 퍼린·거스 방향, 횡력 저항 시스템을 한 장의 구조평면도로 정리하는 능력을 묻는다. 실무에서 평면 계획이 접합부 상세와 골조 안정성을 결정하므로 기초 개념을 먼저 잡아야 한다. 시험에서도 구조평면도 작도와 횡력 흐름 설명이 반복해 출제된다.

출제 이력: 제135회 3교시 6번, 제91회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

단층 철골조 구조평면도는 기둥·큰보·작은보·퍼린·가새의 위치와 방향을 평면에 표시해 골조 전체의 하중 전달 경로를 나타낸 도면이다.

• 구조평면도
• 주기둥·보조기둥
• 큰보·작은보
• 퍼린·거스
• 횡력저항시스템(가새골조)
• 기둥 주축

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 구조평면도는 건물을 위에서 내려다보고 뼈대의 자리를 그린 그림이다. 기둥이 어디에 서고, 보가 어느 방향으로 걸리며, 지붕과 벽의 얇은 부재가 어느 방향으로 놓이는지를 한눈에 보여준다.

정식으로는 구조평면도를 층별(지상 1층, 지붕층)로 작성하여 부재의 배치, 치수, 방향, 접합 형식을 표시한 구조 도면이라고 정의한다. 단층 철골 공장에서는 지붕층 평면도와 지상 1층 평면도를 나눠 그리는 것이 일반적이다.

주기둥은 골조의 주된 하중을 받는 기둥이고, 보조기둥은 외벽이나 중간 부분에서 하중을 나누어 받는 기둥이다. 두 기둥을 구분하여 표기해야 베이스 플레이트 상세의 대상이 명확해진다.

큰보는 기둥 사이를 직접 잇는 주거더로 기둥 주축 방향 힘을 전달한다. 작은보는 큰보 사이에 걸려 지붕 하중을 큰보로 넘기는 부재다. 두 보의 접합 형식(핀 또는 강접)을 평면에 함께 적는다.

퍼린은 지붕 패널 아래에서 지붕 하중을 받아 라프터(또는 큰보)에 전달하는 부재다. 거스는 외벽 패널을 지지하는 횡방향 부재다. 퍼린과 거스는 경량 C형강을 쓰고, 패널 방향을 따라 배치한다. 퍼린은 지붕면 경사 방향과 직교하는 방향으로 놓이며, 거스는 외벽면에서 수평으로 놓인다.

3. 등장 배경과 필요성

철골구조는 공장에서 제작한 H형강 등 강재 부재를 현장에서 볼트나 용접으로 접합해 뼈대를 만든다. 이 방식은 부재 단면이 작아도 큰 스팬을 덮을 수 있어 단층 대공간 공장에 널리 쓰인다. 그러나 부재가 가늘고 길어 횡방향 안정성이 부족하므로, 평면에서 가새와 퍼린으로 3차원 강성을 확보하는 계획이 필요해졌다.

과거에는 골조 각 방향을 개별 강도로만 검토했다. 그러나 풍하중과 지진하중이 건물 전체에 방향을 바꿔 작용하면서, 기둥 주축과 두 방향 횡력저항 체계를 평면에서 함께 계획하는 방식이 정착했다. 구조평면도는 이 계획을 도면으로 확정하는 수단이다.

단층 공장은 천장이 높고 기둥 간격이 넓어 횡력을 받는 면적이 크다. 기둥 간격 7.5m 내외 같은 주기둥 배치는 큰보 스팬과 퍼린 간격을 함께 결정하므로, 평면 계획 단계에서 미리 정해야 한다. 이런 이유로 평면도는 설계 초기에 작성하는 핵심 도면이 된다.

평면도는 시공성에도 영향을 준다. 부재 방향과 접합부 위치를 명확히 표기해야 공작도 작성과 현장 설치가 정확해진다. 따라서 구조평面도의 표기 누락은 제작 오류와 공사비 증가로 이어질 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

단층 철골조 구조평면도는 기둥, 큰보, 작은보, 지붕 2차부재(퍼린·거스), 가새로 구성된다. 수직하중은 지붕재에서 퍼린을 거쳐 큰보로, 다시 기둥과 베이스 플레이트를 거쳐 기초로 전달된다. 횡력은 지붕면 수평 가새와 벽면 수직 가새를 통해 주기둥으로 모이고 기초로 내려간다. 구조평면도는 이 힘의 경로가 한눈에 보이도록 부재 배치와 접합 방향을 표시한 도면이다.

표 설명: 구성요소는 주부재와 2차부재로 나뉜다. 주부재는 골조의 강도와 강성을 담당하고, 2차부재는 외장재 하중을 주부재로 옮긴다. 가새는 횡력 전용 부재이므로 한 베이 안에서 대각선으로 배치하여 인장과 압축을 나눠 받게 한다.

원리는 두 가지다. 첫째, 수직하중은 하중 전달 경로를 따라 단계적으로 내려간다. 둘째, 횡력은 강성 있는 면(diaphragm)과 가새 골조를 통해 기초로 모인다. 구조평면도에서 가새가 있는 베이는 횡강성이 크므로 그 위치를 평면에 명확히 표시해야 한다.

퍼린은 지붕 경사 방향에 직각으로 배치하고, 큰보 위에 접합한다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 건물 규모와 장·단방향을 정하고 기둥 간격을 결정한다.
• 주기둥과 큰보의 배치를 정하고 스팬 방향을 표기한다.
• 작은보를 큰보 사이에 배치하고 지붕 하중 경로를 확인한다.
• 퍼린과 거스의 방향과 간격을 정하여 외장재 하중을 전달하게 한다.
• 지붕면과 벽면에 가새를 배치하고 횡력 저항 골조를 구성한다.
• 기둥 주축 방향과 접합부 형식(강접·핀접)을 표기한다.
• 기둥 하부는 베이스 플레이트와 앵커볼트로 기초에 정착시킨다.

구조해석에서 부재의 기본 관계는 다음과 같다. 수직하중에 의한 큰보의 최대 휨모멘트는 등분포하중의 단순보 식을 따른다.

$M_{max}=\frac{wL^2}{8}$

여기서 w는 단위 길이당 하중(kN/m), L은 스팬(m), M_{max}는 최대 휨모멘트(kN·m)다. 기둥에는 축력 N과 휨모멘트가 동시에 작용하므로 축력과 휨의 상호작용으로 검토한다.

횡력 검토의 기본식은 전단력의 분배다. 한 방향 횡력 V를 같은 강성의 가새 n개가 나눠 받는다고 보면, 한 가새가 받는 전단력은 다음과 같다.

$V_i=\frac{V}{n}$

여기서 V는 층 전단력(kN), n은 같은 방향 가새 수다. 실제 설계에서는 강성 비율로 분배하므로 이 식은 개념 이해용이다.

5. 관련 법령·기준·표준

단층 철골 공장의 구조설계는 건축구조기준(KDS)과 강구조 설계기준을 따른다. 하중은 건축구조기준의 풍하중·적설하중·활하중 규정으로 산정하고, 강재와 접합은 강구조 설계기준의 강도 규정으로 검토한다. 건축법상 구조 안전 확인은 「건축법」과 「건설기술 진흥법」에 따른다. 아래 표는 본 절에서 다룬 기준 수치를 모은 것이다.

표 설명: 풍하중 관련 값은 KBC2016의 산정 체계를 따른다. 개방형 구조물은 실내압이 없으므로 정압과 부압의 외압계수를 합산한다. 기둥 간격과 스팬은 문항이 정한 계획 값이다.

기준 체계는 다음과 같이 정리된다. 강구조 설계는 허용응력설계와 한계상태설계 방식으로 검토하며, 현행 설계기준의 방식을 따른다. 2차부재의 처짐과 접합부 강도는 해당 기준의 한계상태 식으로 확인한다.

KBC2016 풍하중 산정 체계를 적용한다. 개방형 구조물에서는 실내압이 생기지 않으므로 이 조건을 먼저 확인한다.

6. 유형과 비교

단층 철골조 구조평면도는 골조 형식, 지붕 가구 방식, 가새 배치 방식에 따라 구분한다. 먼저 주골조 형식을 비교하고, 이어 지붕 부재 체계와 횡력 저항 체계를 비교한다.