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철골 구조

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목차

1. 개요

철골 구조는 강철을 사용하여 건물을 지지하는 건축 공법이다. 18세기 말에 처음 사용되었지만, 1855년 베서머 법 개발 이후 강철 생산이 효율적으로 이루어지면서 본격적으로 발전했다. 한국은 일제강점기에 철골 구조가 도입되었고, 한국전쟁 이후 복구 과정과 1980년대 경제 성장기를 거치며 고층 건물과 대형 공장 건설에 널리 사용되었다. 철골 구조는 강도가 높고, 라멘 구조의 경우 평면 계획의 자유도가 높으며, 공사 기간이 짧다는 장점이 있지만, 화재에 취약하고 부식에 약하며 열교가 발생하기 쉽다는 단점도 있다. 철골 구조는 두께, 제강 공정, 단면 형상, 규격에 따라 다양한 종류로 분류되며, 시공 시 내화 및 방청 처리가 중요하며, 냉간 성형 강재 또는 열간 성형 강재 골조를 사용하기도 한다.

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철골 구조
개요
정의수직 강철 기둥의 골격 프레임을 사용하는 건축 기술
특징수직 강철 기둥을 사용하여 건물 하중을 지탱하는 구조 시스템
역사고층 건물을 짓는 데 중요한 역할을 한 건축 기술
구조적 특징
주요 구성 요소수직 강철 기둥
수평 보
바닥 시스템
내력벽 (필요한 경우)
하중 지지 방법수직 하중: 기둥을 통해 기초로 전달
수평 하중: 보 및 연결부를 통해 전달
사용 재료주요 재료: 강철
추가 재료: 콘크리트, 벽돌, 유리 등
장점높은 강도 및 내구성
빠른 건설 속도
유연한 디자인 가능
넓은 개방 공간 확보
설계 및 시공
설계 고려 사항하중 분석
구조 안정성
내진 설계
내화 설계
시공 절차기초 공사
기둥 설치
보 설치
바닥 시스템 설치
외벽 및 내부 마감
주의 사항강철 부식 방지
정밀한 시공
안전 관리
적용 분야
건물 유형고층 건물
상업용 건물
산업용 건물
주거용 건물
기타 구조물교량
경기장
공장
기타 정보
관련 용어철골 구조
철근 콘크리트 구조
모듈러 건축
추가 정보초기에는 리벳으로 연결되었지만 현재는 용접 및 고강도 볼트 연결 사용
건축 역사에서 혁신적인 기술로 평가

2. 역사

철골 구조의 발전은 느리게 진행되었다. 1797년 영국에서 아마포 생산 공장인 디터링튼 플랙스밀이 최초의 철골 구조 건물로 지어졌지만, 1855년 베서머 법이 개발되기 전까지 효율적인 강철 생산은 어려웠다. 1870년경부터 인장 강도와 압축 강도가 높고 연성이 좋은 저렴한 강철을 구할 수 있었으나, 철광석의 알칼리성 함유물 문제로 연철과 주철이 주로 사용되었다. 이 문제는 1879년 시드니 길크리스트 토머스에 의해 해결되었다.[8]

1880년대에 들어 강철 품질이 안정화되면서 연강 기반 건축이 시작되었다. 1885년 완공된 홈 인슈어런스 빌딩은 철골 구조에 하중이 실린 최초의 건물이지만, 측하중은 여전히 석재가 부담했다. 미국 최초의 강철 철골 구조 건물은 1890년 시카고의 랜드 맥널리 빌딩이었다. 영국 최초의 완전한 강철 철골 구조 건물은 1895년 제임스 프랜시스 도일이 설계하여 1903년 완공된 로열 인슈어런스 빌딩이다.[9]

저출산으로 인해 도쿄도 다마 신도시에서 철거되는 조립식 건물. 남아있는 외벽 조각 안쪽에 사용된 철골 구조가 보인다.

2. 1. 초기 역사

강철을 구조 지지를 위한 건축 재료로 사용하는 공법의 발달은 느리게 진행되었다. 최초의 철골 구조 건물은 1797년 영국의 아마포 생산 공장인 디터링튼 플랙스밀이었지만, 1855년 베서머 법이 개발되기 전까지 건축에 사용될 만큼 효율적인 강철 생산은 충분하지 않았다. 인장강도와 압축강도가 높고 연성이 좋은 값싼 강철은 1870년 무렵부터 구할 수 있었지만 여전히 연철과 주철이 보다 일반적인 건축 자재로 사용되었는데, 철광석이 주로 알칼리성 함유물을 포함하고 있었기 때문에 원하는 특성을 만족시키려면 많은 비용이 들었기 때문이다. 이러한 문제는 1879년 영국의 시드니 길크리스트 토머스에 의해 해결되었다.[8]

이후 1880년대에 들어 강철의 품질이 안정화되자, 신뢰할 수 있는 연강을 기반으로 한 건축이 시작되었다.

1885년에 완공된 홈 인슈어런스 빌딩은 석조 외장재가 하중 부담을 전혀 지지 않고 오로지 철골 구조에 하중이 실린 최초의 건물이다. 그러나 이 건물의 철 기둥은 단지 벽에 박혀 있을 뿐이며, 특히 바람에 의한 측하중은 여전히 석재가 부담하는 구조였다. 미국 최초의 강철 철골 구조 건물은 1890년에 세워진 시카고의 랜드 맥널리 빌딩이었다.

영국에서 온전히 강철 철골 구조로 지어진 건물은 1895년 제임스 프랜시스 도일이 설계하여 1903년 완공한 로열 인슈어런스 빌딩이다.[9]

2. 2. 한국 도입과 발전

1855년 베서머 법이 개발되기 전까지는 건축에 사용될 만큼 효율적인 강철 생산이 충분하지 않았다. 1870년 무렵부터 인장강도와 압축강도가 높고 연성이 좋은 값싼 강철을 구할 수 있었지만, 철광석에 주로 알칼리성 함유물이 포함되어 있어 원하는 특성을 만족시키려면 많은 비용이 들었기 때문에 여전히 연철과 주철이 보다 일반적인 건축 자재로 사용되었다. 이러한 문제는 1879년 영국의 시드니 길크리스트 토머스에 의해 해결되었다.[8]

1880년대에 들어 강철의 품질이 안정화되면서, 신뢰할 수 있는 연강을 기반으로 한 건축이 시작되었다.[8]

1885년에 완공된 홈 인슈어런스 빌딩은 석조 외장재가 하중 부담을 전혀 지지 않고 오로지 철골 구조에 하중이 실린 최초의 건물이다. 그러나 이 건물의 철 기둥은 단지 벽에 박혀 있을 뿐이며, 특히 바람에 의한 측하중은 여전히 석재가 부담하는 구조였다. 미국 최초의 강철 철골 구조 건물은 1890년에 세워진 시카고의 랜드 맥널리 빌딩이었다.

영국에서 온전히 강철 철골 구조로 지어진 건물은 1895년 제임스 프랜시스 도일이 설계하여 1903년 완공한 로열 인슈어런스 빌딩이다.[9]

3. 강재의 종류

강철은 압연을 통해 "프로파일"이라고 불리는 빔으로 만들어진다. 이 빔의 단면은 로마자 "I"와 비슷하여 보통 I-빔이라고 부른다. I-빔은 기둥과 보에 모두 사용되는데, 기둥으로 쓰이는 것은 플랜지가 더 두껍고 넓어 구조의 압축 응력을 잘 견딜 수 있다. 정사각형이나 원통형 관을 사용하기도 하며, 이 경우에는 대개 속을 콘크리트로 채운다. 강철 빔은 볼트와 나사산 패스너로 연결되며, 도입 초기에는 리벳으로 연결하였다. 보로 쓰이는 I-빔은 더 높은 굽힘 모멘트를 받기 때문에 기둥으로 쓰이는 것보다 중앙의 "웹"을 더 넓게 제작한다.

I-빔


건물 각 층의 바닥과 천장을 이루는 "데크"의 넓은 판 위로 거푸집을 짜 넣고 콘크리트를 타설할 수 있다. 콘크리트는 철골로 강도를 보강한다.

열간 성형 프레임(Hot Formed frames)은 열간 압연 강재 프레임이라고도 불리며, 재결정 온도(1700˚F) 이상으로 가열하는 열간 압연 공정을 거친 강재로 제작된다.[3] 열간 성형 프레임은 보(beam) 두께가 상당하고 큰 치수를 가져 냉간 압연 프레임에 비해 더욱 견고하며, 큰 하중이 가해져도 변형이 최소화되어 대형 구조물에 적합하다. 열간 압연 강재 부재의 초기 단위 비용은 냉간 압연 강재에 비해 더 높지만, 대형 구조물 건설 시 동일한 거리를 지지하는 데 필요한 부재 수가 적어 비용 효율성이 높아진다.[3]

3. 1. 두께에 따른 분류

; 중량철골

: 두께가 6mm를 초과하는 강재로, 제강소에서 열간압연가공으로 제조된다.[3] 주로 라멘 구조와 트러스 구조에 사용된다.

; 경량철골

: 두께가 6mm 이하인 강재이다. 중량철골처럼 열간압연가공으로 제조되기도 하지만, 대부분 강판을 냉간압연가공하여 제조된다.[3] 주로 브레이스 구조에 사용된다.

3. 2. 제강 공정에 따른 분류

; 고로재(高炉材): 철광석을 원료로 제강된 재료이다. 고로를 사용하는 공정으로 만들어지기 때문에 이러한 이름이 붙었다. 고로재는 불순물 혼입 제어가 쉬워 용접성 및 소성 변형 능력이 우수한 강재를 만들기 용이하다. 따라서 철골 구조의 주요 골조에는 고로재가 주로 사용된다.[1]

; 전로재(電炉材): 철 스크랩을 원료로 제강된 재료이다. 철 스크랩을 전기로를 사용하여 녹이는 공정을 거치므로 이러한 이름이 붙었다. 고로재에 비해 제강에 필요한 에너지가 적고, 비용도 저렴하다는 장점이 있다. 최근에는 기술 개발로 철골 구조의 주요 부위(대형 보와 기둥)에도 전로재가 사용되고 있다. 소형 형강이나 형강 철근의 대부분은 전로재로 만들어진다.[1]

3. 3. 단면 형상에 따른 분류

강재는 인장 강도는 높지만, 굽힘이나 압축 강도는 그에 비해 낮으므로, 다양한 단면 형상으로 가공되어 강도를 높이는 노력이 이루어지고 있다. 중앙에서 최대한 먼 위치에 단면을 집중시켜, 예상하는 방향의 굽힘에 대해 단면이차모멘트가 커지도록 설계된다.[2]

단면 형상설명
H형강단면이 알파벳 H와 비슷한 형상의 강재. 인장, 굽힘, 압축 어떤 응력에도 잘 견디고, 매우 균형 잡힌 강재이므로 가장 많이 사용된다.
각형강관단면이 상자 모양(박스형)이 된 강재. X-Y 방향으로 동등한 단면 성능을 나타내므로, 기둥재로 자주 사용된다. 폐쇄 단면이므로, 굽힘 비틀림 변형(횡좌굴)이나 국부 좌굴에 강한 특징이 있다.
원형강관단면이 원형이 된 강재. 방향에 관계없이 단면 성능이 일정하므로, 각형강관과 마찬가지로 기둥재로 자주 사용된다.
山形강(앵글)알파벳 L과 비슷한 단면의 강재.
구조강(채널)단면이 片仮名의 コ자와 비슷한 형상의 강재.
립구조강(립드채널, C형강)구조강의 개구부를 안쪽으로 약간 접어 알파벳 C를 네모나게 눌러 찌그러뜨린 듯한 형상의 단면을 가진 강재. 판두께가 얇으므로 경량 철골에 많이 사용된다.


3. 4. 규격에 따른 분류

종류설명
일반 구조용 압연강재(SS재)건축뿐 아니라 널리 사용되는 강재로, 일반적으로 용접을 하지 않고, 응력 레벨에서는 탄성 범위에서 사용한다.[1]
용접 구조용 압연강재(SM재)용접하는 부재에 적합한 강재로, SS재보다 화학 성분 규정이 더 엄격하다.[1] A종, B종, C종이 있으며, A종은 주로 탄성 범위, B종은 소성 변형을 받는 부재, C종은 다이어프램 등 판두께 방향으로 응력을 받는 부재에 적합하다.[1] B종과 C종에는 샤르피 충격 시험 규정이 있다.[1]
건축 구조용 압연강재(SN재)소성 변형 능력에 기대하는 건축 구조물용 강재로, 강도의 차이에 따라 SN400 시리즈와 SN490 시리즈가 있다.[1] 기존의 SS재보다 화학 성분 규정이 엄격해지고, 항복점의 편차도 억제하는 규정이 있다.[1] 항복점의 편차를 억제하는 목적은 2차 설계(대지진 시)에서 상정한 붕괴 형태를 실제에 가깝게 하기 위함이다.[1]
일반 구조용 탄소강관(STK재)건축 구조뿐 아니라 폭넓은 구조재로 사용되는 원형 강관이다.[1]
건축 구조용 탄소강관(STKN재)건축 구조에 적합한 원형 강관으로, STK재와 비교하여 소성 변형 능력이 우수하다.[1]
일반 구조용 각형 강관(STKR재)건축뿐 아니라 폭넓게 사용되는 각형 강관이다.[1] 단, 롤 성형의 STKR재는 용융 아연 도금을 하면 균열이 생기기 쉽다.[1]
냉간 성형 롤 컬럼(BCR295 시리즈)강재 클럽(현: (사)일본철강연맹)에서 규정한 건축 구조용 냉간 성형 각형 강관이다.[1] 열연 강판을 소재로 한 전접 강관으로, STKR재보다 소성 변형 능력을 기대할 수 있다.[1] 제조 공정상 전 영역에서 냉간 소성 가공의 영향을 받으므로, 응력-변형률 관계는 명료한 항복점을 나타내지 않는 Round House 형태가 된다.[1] 두께 22mm까지 제품화되어 있다.[1]
냉간 성형 프레스 컬럼(BCP 시리즈)BCR 시리즈와 마찬가지로, 강재 클럽(현: (사)일본철강연맹)에서 규정한 건축 구조용 냉간 성형 각형 강관이다.[1] 두꺼운 판을 코너에서 구부려(프레스 가공) 제조되므로, 평부는 일반적인 두꺼운 판과 같은 소재 특성을 나타낸다.[1] 소재의 두꺼운 판은 SN재에 상당한다.[1] 두께 40mm까지 제품화되어 있다.[1]


4. 철골 구조의 특징

철골 구조는 강철을 주재료로 사용하여 건물의 뼈대를 만드는 건축 방식이다. 강철은 압연 과정을 거쳐 다양한 형태로 만들어지는데, 그중 가장 대표적인 것이 I-빔이다. I-빔은 알파벳 "I"자 모양을 닮았으며, 기둥과 보로 널리 사용된다.

I-빔은 기둥으로 사용될 때 압축 응력을 잘 견딜 수 있도록 플랜지(날개 부분)가 더 두껍고 넓게 제작된다. 보로 사용될 때는 굽힘 모멘트에 잘 견디도록 중앙의 "웹" 부분이 더 넓게 제작된다. 때로는 정사각형이나 원통형 강관을 사용하기도 하는데, 이 경우 속을 콘크리트로 채우는 경우가 많다.[7]

철골 구조는 화재에 취약하여, 고온에서 철골이 녹으면 강도가 급격히 약해져 건물이 붕괴될 수 있다. 따라서 기둥을 벽돌, 콘크리트, 석고보드와 같은 내화성 재료로 감싸 화재를 예방해야 한다. 과거에는 석면이 내화재로 널리 사용되었으나, 인체 유해성 때문에 현재는 사용되지 않는다.[2]

건물의 외장재는 철골 구조를 외부 환경으로부터 보호하고, 건물의 외관을 결정한다. 외장재로는 벽돌, 석재, 철근 콘크리트, 건축용 유리, 판금 등 다양한 재료가 사용된다.[7]

철골 구조는 얇은 강판을 상온에서 가공하는 냉간 성형 강재 골조와 고온에서 강철을 가공하는 열간 성형(열간 압연)으로 나뉜다. 냉간 성형은 주로 주택이나 소규모 건물, 열간 성형은 대형 건물에 쓰인다.

철골 구조는 다른 건축 구조와 비교했을 때 다음과 같은 특징을 가진다.

구분철골 구조목구조철근 콘크리트 구조
장점
단점


4. 1. 장점

I-빔을 사용한 철골 구조는 강도가 높고 무게가 가벼워 긴 경간(span)을 확보할 수 있다. 따라서 기둥의 간격을 넓게 배치하고 기둥 수를 줄일 수 있다. 라멘 구조에서는 내력벽이 필요 없어 평면 계획의 자유도가 높고, 리모델링도 쉽다. 다만, H형강 기둥은 약축 방향에 보강재(브레이싱)를 설치해야 한다.[7] 트러스 구조는 구조적 안정성이 매우 높아 체육관 지붕이나 철교처럼 다른 구조로는 불가능한 긴 경간을 만들 수 있다.

철골은 공장에서 생산하고 현장에서는 조립만 하므로, 현장 접합부 관리만으로 건축물의 구조적 품질을 일정하게 유지하기 쉽다. 또한, 재료가 균일하고 공사 기간이 짧으며, 건축물 해체 시 철재를 재활용하여 해체 비용을 절감할 수 있다는 장점이 있다.

4. 2. 단점


  • 구조재가 불연재이므로 화재에 강하다고 오해되지만, 철골은 550°C 정도에서 강도가 급격히 저하되므로, 소화에 시간이 걸리면 건물이 순식간에 붕괴될 위험성이 있다.[4] 9.11 테러 당시 월드 트레이드 센터는 화재로 인해 철골의 강도가 저하되어 좌굴에 의한 하중이 하층으로 연쇄 작용하여 붕괴되었다. 목조는 화재에 약하다고 생각되지만, 불에 타더라도 기둥 표면이 탄화될 뿐 내부까지 완전히 타는 데는 오랜 시간이 걸리므로, 단시간에 건물 전체가 붕괴되는 경우는 적다. 따라서 강재에는 내화 피복을 시공하는 것이 일반적이다.
  • 재료 강도가 높기 때문에 콘크리트나 목질 재료와 비교하면 단면을 작게 할 수 있지만, 좌굴 현상을 무시할 수 없게 된다.
  • 수분에 접촉하면 녹슬기 쉬우므로, 외부나 수변에 사용하는 경우에는 방청 처리를 하는 것이 일반적이다.
  • 목조에 비해 약 350배 단열성이 낮기 때문에 열교가 발생하기 쉽다. 따라서 외벽을 두껍게 하는 외단열 공법이 좋다고 여겨진다.
  • 구조재는 강하지만, 지진 시 변형이 커서 패널이나 커튼 월의 파괴나 탈락을 일으키기 쉽다.

5. 시공 및 설계

강철을 압연하여 만든 I-빔은 기둥과 보로 사용된다. 기둥으로 쓰이는 I-빔은 압축 응력을 잘 견디도록 플랜지가 더 두껍고 넓다. 속을 콘크리트로 채운 정사각형이나 원통형 관도 사용된다. 강철 빔은 볼트, 나사산 패스너로 연결되며, 과거에는 리벳으로 연결했다. 보로 쓰이는 I-빔은 굽힘 모멘트를 더 잘 견디도록 중앙의 "웹"을 넓게 제작한다.

건물 각 층의 바닥과 천장은 넓은 판 형태의 "데크" 위에 거푸집을 설치하고 콘크리트를 타설하여 만든다. 콘크리트는 철근으로 보강한다.

외장재는 철골 구조를 외부 환경으로부터 보호하며, 벽돌, 석재, 철근 콘크리트, 건축용 유리, 판금 등 다양한 재료가 사용된다.[7]

日本建築学会일본어의 철골 구조 설계 관련 자료를 참고하며, 한국의 철골 구조 설계 기준 및 관련 자료는 다음과 같다.

자료명관련 기관
철골구조 설계기준 - 허용응력도 설계법日本建築学会일본어
철골구조 접합부 설계지침日本建築学会일본어
철골구조 소성설계지침日本建築学会일본어
철골구조 한계상태 설계지침 및 해설日本建築学会일본어
철골구조 좌굴설계지침日本建築学会일본어
강관트러스 구조 설계시공지침 및 해설日本建築学会일본어
냉간성형 각형강관 설계·시공 매뉴얼건축연구소
고력볼트 접합 설계시공 가이드북日本建築学会일본어
용접접합 설계시공 가이드북日本建築学会일본어
철골구조 건축 용접부의 초음파탐상검사 기준 및 해설日本建築学会일본어



추가적으로, 한국건축구조기술사회 및 대한건축학회 등 관련 기관 자료를 참고할 수 있다.

5. 1. 시공

압연하여 만든 I-빔은 기둥과 보로 사용된다. 기둥으로 쓰이는 I-빔은 압축 응력을 잘 견디도록 플랜지가 더 두껍고 넓다. 속을 콘크리트로 채운 정사각형이나 원통형 관도 사용된다. 강철 빔은 볼트, 나사산 패스너로 연결되며, 과거에는 리벳으로 연결했다. 보로 쓰이는 I-빔은 굽힘 모멘트를 더 잘 견디도록 중앙의 "웹"을 넓게 제작한다.

넓은 판 형태의 "데크" 위에 거푸집을 설치하고 콘크리트를 타설하여 바닥과 천장을 만든다. 콘크리트는 철근으로 보강한다. 바닥면은 콘크리트, 천장은 다른 외장재로 마감하여 층 사이에 공간을 만드는 이중바닥 공법(raised flooring system)도 많이 사용된다. 이 공간에는 전선, 배관 등을 배치할 수 있다.

철골 구조는 화재에 취약하므로, 고온에서 강철이 약해져 건물이 붕괴되는 것을 막기 위해 내화 처리가 필요하다. 기둥은 벽돌, 콘크리트, 석고보드 등으로 감싸고, 보는 콘크리트나 석고보드로 감싸거나 단열 코팅을 분사하거나 내화성 천장 구조로 보호한다. 1970년대 초까지 석면이 널리 사용되었으나, 건강 문제로 인해 더는 사용되지 않는다.[2]

5. 2. 내화 및 방청

철골 구조는 화재에 취약하다. 고온에서 철이 녹으면 강도가 약해져 건물이 붕괴될 수 있기 때문이다. 이를 방지하기 위해 기둥은 벽돌, 콘크리트, 석고보드와 같은 내화성 구조물로 둘러싼다.[7][2] 보는 콘크리트나 석고보드로 감싸거나, 단열 코팅을 분사하거나, 내화성 천장 구조로 보호할 수 있다.[2]

1970년대까지 석면이 화재 예방 및 단열을 위해 널리 사용되었으나, 인체에 유해하다는 사실이 밝혀지면서 더 이상 사용되지 않는다.[7][2]

외장재는 철골 구조를 외부 환경으로부터 보호한다. 벽돌, 석재, 철근 콘크리트, 건축용 유리, 판금 등 다양한 재료가 외장재로 사용된다.[7][2]

5. 3. 냉간 성형 강재 골조 (Cold-formed steel frames)

냉간 성형 강재 골조는 경량 강철 골조(LSF)라고도 불린다.

아연 도금된 얇은 강판을 냉간 성형하여 강철 스터드로 만들 수 있으며, 주택, 상업 및 산업 건축 프로젝트의 외부 및 칸막이 벽 모두에 구조용 또는 비구조용 건축 자재로 사용된다. 방의 크기는 바닥과 천장에 고정된 수평 트랙으로 각 방의 윤곽을 정하여 결정한다. 수직 스터드는 트랙에 배열되며, 일반적으로 약 40.64cm 간격으로 배치되고 상단과 하단에 고정된다.

주거용 건축에 일반적으로 사용되는 프로파일은 C자형 스터드와 U자형 트랙이며, 다양한 다른 프로파일도 있다. 골조 부재는 일반적으로 12~25 게이지의 두께로 생산된다. 12게이지 및 14게이지와 같은 두꺼운 게이지는 하중을 지지하는 건축과 같이 축하중(부재 길이와 평행)이 높을 때 일반적으로 사용된다. 16게이지 및 18게이지와 같은 중간 두께의 게이지는 축하중은 없지만 해안가의 허리케인 강풍 하중에 견딜 수 있어야 하는 외벽 스터드와 같이 큰 횡하중(부재에 수직)이 있는 경우 일반적으로 사용된다. 25게이지와 같은 얇은 게이지는 방 사이의 벽을 구획하는 골조 역할을 하는 실내 건축과 같이 축하중이 없고 매우 작은 횡하중이 있는 경우 일반적으로 사용된다. 벽 마감재는 약 3.17cm에서 약 7.62cm 두께의 스터드의 두 플랜지 측면에 고정되며, 웹의 너비는 약 4.13cm에서 약 35.56cm이다. 전기 배선을 위한 접근을 제공하기 위해 웹에서 직사각형 단면이 제거된다.

제철소는 냉간 성형 강철 프로파일 제조의 기본 재료인 아연 도금 강판을 생산한다. 그런 다음 강판을 롤 성형하여 골조에 사용되는 최종 프로파일로 만든다. 강판은 아연 도금(galvanized)되어 산화 및 부식에 대한 보호력을 높인다. 강철 골조는 강철의 높은 강도 대 중량비로 인해 설계 유연성이 뛰어나므로 장거리에 걸쳐 경간을 확보하고 풍하중과 지진 하중에도 견딜 수 있다.

강철 골조 벽은 우수한 단열 및 방음 특성을 제공하도록 설계할 수 있다. 냉간 성형 강철을 사용하여 건축할 때 고려해야 할 특정 사항 중 하나는 외부 환경과 내부 조절 공간 사이의 벽 시스템을 가로지르는 열 브리징이 발생할 수 있다는 것이다. 열 브리징은 일반적으로 '열 차단'이라고 하는 강철 골조를 따라 외부에 고정된 단열재 층을 설치하여 방지할 수 있다.

스터드 간 간격은 설계 하중 요구 사항에 따라 주택의 외부 및 내부 벽에 대해 일반적으로 중심 간격이 16인치이다. 사무실에서는 엘리베이터 및 계단 우물을 제외한 모든 벽에 대해 중심 간격이 약 60.96cm이다.

5. 4. 열간 성형 강재 골조 (Hot-formed steel frames)

I-빔은 강철을 압연하여 만든 "프로파일"이라 불리는 빔의 한 종류이다. I-빔은 곧게 뻗은 강철 기둥 옆으로 "플랜지"가 튀어나와 있는 형태로, 기둥과 보에 모두 사용된다. 기둥으로 쓰이는 I-빔은 압축 응력을 잘 견딜 수 있도록 플랜지가 더 두껍고 넓다. 정사각형이나 원통형 관을 사용하기도 하며, 이 경우엔 대개 속을 콘크리트로 채운다. 강철 빔은 볼트와 나사산 패스너로 연결되며, 도입 초기엔 리벳으로 연결했다. 보로 쓰이는 I-빔은 더 높은 굽힘 모멘트를 받기 때문에 기둥으로 쓰이는 것보다 중앙의 "웹"을 더 넓게 제작한다.[7]

열간 성형 프레임(Hot Formed frames) 또는 열간 압연(Hot-rolled) 강재 프레임은 강재를 재결정 온도(1700˚F) 이상으로 가열하는 열간 압연 공정을 거쳐 제작된다. 이 공정은 강재의 결정립 구조를 미세하게 하고 결정 격자를 정렬하며, 정밀 롤러를 통과시켜 원하는 프레임 단면을 만든다.[3]

열간 성형 프레임은 냉간 압연 프레임에 비해 보(beam) 두께와 치수가 커서 더욱 견고하다. 큰 하중에도 변형이 적어 대형 구조물에 적합하다. 냉간 압연 강재보다 초기 비용은 높지만, 대형 구조물에서는 필요한 부재 수가 적어 경제적이다.

5. 5. 설계 규준

日本建築学会일본어의 철골 구조 설계 관련 자료를 참고하며, 한국의 철골 구조 설계 기준 및 관련 자료는 다음과 같다.

자료명관련 기관
철골구조 설계기준 - 허용응력도 설계법日本建築学会일본어
철골구조 접합부 설계지침日本建築学会일본어
철골구조 소성설계지침日本建築学会일본어
철골구조 한계상태 설계지침 및 해설日本建築学会일본어
철골구조 좌굴설계지침日本建築学会일본어
강관트러스 구조 설계시공지침 및 해설日本建築学会일본어
냉간성형 각형강관 설계·시공 매뉴얼건축연구소
고력볼트 접합 설계시공 가이드북日本建築学会일본어
용접접합 설계시공 가이드북日本建築学会일본어
철골구조 건축 용접부의 초음파탐상검사 기준 및 해설日本建築学会일본어



추가적으로, 한국건축구조기술사회 및 대한건축학회 등 관련 기관 자료를 참고할 수 있다.

참조

[1] 웹사이트 Early steel-frame high-rises https://www.britanni[...] 2022-01-01
[2] 웹사이트 Light Gauge Steel Framing Shop Drawings https://www.testerne[...] 2022-10-10
[3] 웹사이트 Hot Rolled Steel Buildings Deep Dive https://www.springfi[...] 2023-08-20
[4] 웹사이트 The properties of cast iron, wrought iron and steel http://www.tatasteel[...] 2014-03-24
[5] 논문 The Development of Steel Framed Buildings in Britain 1880–1905 http://www.arct.cam.[...] 1998
[6] 웹인용 Early steel-frame high-rises https://www.britanni[...] 2022-01-01
[7] 웹인용 Light Gauge Steel Framing Shop Drawings https://www.testerne[...] 2022-10-10
[8] 웹사이트 The properties of cast iron, wrought iron and steel http://www.tatasteel[...] 2014-03-24
[9] 논문 The Development of Steel Framed Buildings in Britain 1880–1905 http://www.arct.cam.[...] 1998

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