강구조의 특성과 재료

핵심 정리

강구조는 강재를 주재료로 하여 보, 기둥, 트러스 같은 부재를 만들고 이를 접합해 건축물의 골격을 이루는 구조 방식이다. 구조물이 커지고 길어지면서 철근 콘크리트만으로는 한계가 드러났고, 이를 보완하려고 강재를 쓰는 건축물이 늘었다. 강구조의 의의는 재료의 균질성과 고강도에서 찾는다. 강재는 공장에서 생산되어 재료 물성이 균질하다.

강재는 단위중량당 강도가 높아 단면 효율이 좋고 고층 건물에 적합하다. 강구조는 공사기간을 단축할 수 있으며 기존 건축물의 증축, 보수, 보강이 용이하다. 강구조는 해체가 용이하고 부재를 재사용할 수 있다.

강구조의 한계는 반복 하중에 의한 피로, 고열, 부식, 좌굴로 나뉜다. 피로는 반복 하중이 누적되어 생기는 한계이므로 설계 단계에서 따로 검토해야 한다. 강재는 내화성이 낮아 화재 시 강도가 떨어지므로 내화 대책이 필요하다. 좌굴은 압축을 받는 부재에서 주로 문제가 된다.

강구조는 내화성능 향상과 부식 방지를 위한 유지관리 대책이 필요하다. 철골구조는 녹슬기 쉬우므로 녹막이 시공이 필요하다. 건축구조 기준에서 강구조 설계는 한계상태설계법을 사용한다.

정리하면 강재는 균질하고 강도가 커서 단면과 공기를 줄이는 장점을 주며, 그 대가로 피로, 고열, 부식, 좌굴에 대한 검토와 대책을 함께 갖춰야 하는 재료다. 강구조는 재료의 성질이 설계 가정과 잘 맞아 해석의 신뢰도가 높지만, 설계자는 부재가 압축과 반복을 받는 조건을 따로 확인해야 한다. 이 두 가지를 구분하는 것이 강구조 개념을 묻는 선지를 가르는 기준이 된다.

자세히

내화와 녹막이

강재의 고열 문제와 부식 문제는 목적과 시점이 다른 두 대책으로 나뉜다. 내화는 화재 시 강도 저하 대책이며 설계 단계에서 검토한다. 녹막이와 방식은 평상시 공기와 습기에 노출되어 진행되는 부식을 막는 대책이다. 녹막이는 강재 표면에 막을 씌워 부식 환경과 강재를 떼어 놓는 방식으로 이해하면 된다. 일반 강재는 녹슬기 쉬워 부식에 따른 유지관리가 필요하다. 따라서 방식 사양은 설계 도서에 명확히 적어 시공 단계에서 빠지지 않도록 해야 한다.

내화 대책은 화재가 나는 상황을 가정하므로 평상시 사용 중의 유지관리와는 구분된다. 두 개념을 섞으면 준공 후 점검과 화재 대비를 혼동하게 된다. 두 대책을 바꿔 쓰면 틀린 선지가 된다.

좌굴

좌굴은 압축을 받는 부재가 재료 강도에 도달하기 전에 휘어지며 내력을 잃는 현상이다. 재료의 강도가 남아 있어도 부재가 먼저 휘면 내력을 잃으므로, 강재의 강도가 크다는 사실만으로 안전이 확보되지는 않는다. 세장비는 좌굴 저항의 지표로 쓰이며 유효좌굴길이를 최소 회전반경으로 나눈 값으로 가늠한다. 철골 부재는 단면에 비해 길이가 길고 두께가 얇아 압축 시 좌굴을 고려해야 한다. 좌굴 저항은 세장비뿐 아니라 단면 형상과 부재의 지지 조건에 따라서도 달라진다. 검토 순서는 부재가 얼마나 길고 얇은지를 먼저 보고, 그다음 지지 조건과 단면을 함께 보는 것으로 이해하면 편하다.

강도와 단면 효율

강재의 단위중량은 철근 콘크리트보다 크지만 비강도가 더 커서 같은 강도를 얻는 데 드는 재료량이 상대적으로 작다. 이 때문에 강구조는 물량 측면에서 경제적으로 평가된다. 강재는 재료가 균질하며 단위면적당 강도가 커서 부재 단면을 작게 할 수 있다. 단면이 작아지면 자중이 줄어 구조 전체의 물량도 함께 줄어드는 효과가 생긴다. 다만 단면이 작아지면 좌굴과 국부 변형의 검토 비중이 커지므로, 강도가 크다는 장점만으로 단면을 무작정 줄일 수는 없다.