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형강

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목차

1. 개요

형강은 단면의 형태에 따라 다양한 종류로 나뉘며, 건설 산업에서 널리 사용되는 구조용 강철 제품이다. 1849년 벨기에에서 I-빔 생산 방법이 특허를 받았으며, 20세기 중반 미국에서 교량 및 고층 건물 건설에 널리 사용되었다. 형강은 H형강, I형강, ㄷ형강, ㄱ형강, T형강 등으로 구분되며, 각기 다른 용도로 사용된다. H형강은 굽힘 설계, 좌굴, 전단 파괴 등의 요소를 고려하여 설계되며, 다양한 국가 및 기관에서 규정한 표준 규격에 따라 생산된다. 셀룰러 빔은 기존 H형강을 가공하여 만들어진 더 깊고 강한 빔으로, 대형 경간 구조에 활용된다.

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형강

2. 역사

1849년, 벨기에 마르시엔오퐁의 포르제 드 라 프로비던스의 알퐁스 할보가 단일 덩어리의 연철로 압연하여 I-빔을 생산하는 방법을 특허받았다.[2]

베들레헴 철강은 펜실베이니아주 베들레헴에 본사를 둔 20세기 중반 미국의 교량 및 고층 건물 작업에 사용되는 다양한 단면의 압연 구조 강철의 주요 공급 업체였다.[3] 현재는 이러한 작업에서 압연 단면보다 제작된 단면이 부분적으로 사용되고 있다.

3. 형태와 치수

치수 단위는 mm를 사용한다.


  • H형강 또는 I형강: 주로 기둥, 보에 사용된다. H 형강의 치수 표시는 H-H×B×t1×t2(H-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)로 표시한다. I형강의 치수 표시는 I-H×B×t1×t2(I-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)로 표시한다. H형강은 단면이 일정하나, I형강은 플랜지 두께가 안쪽에서 바깥쪽으로 갈수록 줄어드는 차이점이 있다.
  • ㄷ형강(channel): 단면 성능이 떨어지나 접합 시공이 좋아 가새 등에 쓰인다. 치수 표시는 ㄷ-H×B×t1×t2(ㄷ-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)로 표시한다.
  • ㄱ형강(Angle): 치수 표시는 ㄴ-A×B×t (장축 길이 × 단축 길이 × 두께)로 한다.
  • T형강: T 형강의 치수 표시는 T-H×B×t1×t2(T-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)로 표시한다.


전형적인 H형강 단면

4. 설계

H형강은 건설 산업에서 널리 사용되며, 보와 기둥으로 모두 사용될 수 있다. H형강은 단독으로 사용하거나, 콘크리트와 같은 다른 재료와 복합 재료로 작용할 수 있다. H형강 설계는 다음 기준 중 하나 이상에 의해 결정될 수 있다.


  • '''처짐''': H형강의 강성은 변형을 최소화하도록 선택된다.
  • '''진동''': 강성과 질량은 사무실이나 도서관과 같이 진동에 민감한 환경에서 허용할 수 없는 진동을 방지하도록 선택된다.
  • '''항복에 의한 휨 파괴''': 단면의 응력이 항복 강도를 초과하는 경우
  • '''가로 비틀림 좌굴에 의한 휨 파괴''': 압축 상태의 플랜지가 옆으로 좌굴되거나 전체 단면이 비틀림적으로 좌굴되는 경우
  • '''국부 좌굴에 의한 휨 파괴''': 플랜지 또는 웹이 국부적으로 좌굴될 정도로 가늘 때
  • '''국부 항복''': 빔 지점과 같이 집중 하중에 의해 발생
  • '''전단 파괴''': 웹이 파괴되는 경우. 가늘고 긴 웹은 '''인장 필드 작용'''이라는 현상으로 좌굴되어 잔물결이 생기지만, 전단 파괴는 플랜지의 강성에 의해 저항된다.
  • '''부재의 좌굴 또는 항복''': H형강의 웹에 안정성을 제공하는 데 사용되는 보강재와 관련됨.

4. 1. 굽힘 설계

굽힘을 받는 H형강은 중립 축에서 가장 먼 축 방향 섬유를 따라 높은 응력을 받는다. 따라서 H형강은 중립 축에서 멀리 떨어진 곳에 재료를 집중시켜 휨 강성을 높인다.[4] 이상적인 빔은 주어진 단면 계수를 달성하는 데 필요한 최소 단면적을 가진 빔이다. 효율적인 빔은 재료의 대부분이 중립 축에서 최대한 멀리 떨어져 있어야 하므로, H형강은 이러한 조건을 만족하는 효율적인 단면 형태이다.

대칭 빔의 양축 굽힘 시 굽힘 모멘트와 그에 따른 응력. 복잡한 굽힘은 ''y''축과 ''z''축을 중심으로 하는 두 개의 단순 굽힘의 중첩이다(작은 변형, 선형 거동). 굽힘을 받는 빔에서 가장 큰 응력은 중립 축에서 가장 먼 위치에 있다.


굽힘으로 인한 응력에 저항하도록 대칭 I-빔을 설계할 때, 일반적인 시작점은 필요한 단면 계수이다. 허용 응력이 이고 예상 최대 굽힘 모멘트가 이면 필요한 단면 계수는 다음 식으로 주어진다.[4]

:

여기서 는 빔 단면의 단면 2차 모멘트이고 는 빔 상단에서 중립 축까지의 거리이다. (보 이론에서 자세한 내용을 참조).

단면적 와 높이 인 빔의 경우 이상적인 단면은 단면 위 의 거리에 면적의 절반을, 단면 아래 의 거리에 면적의 나머지 절반을 갖는다.[4] 이 단면에 대해,

:

그러나 좌굴에 저항하는 것을 포함하여 물리적 이유로 웹에 재료가 필요하므로 이러한 이상적인 조건은 결코 달성될 수 없다. 광폭 플랜지 빔의 경우 단면 계수는 대략적으로

:

이며, 이는 직사각형 빔과 원형 빔에서 달성되는 것보다 우수하다.

5. 종류 및 규격

H형강은 다양한 국가 및 기관에서 제정한 표준 규격에 따라 생산된다. 미국에서 가장 흔히 언급되는 I-빔은 광폭 플랜지(W) 형강이다. 광폭 플랜지 형강은 ASTM A992[5] 등급으로 제공되며, 이는 일반적으로 기존의 ASTM 등급 A572 및 A36을 대체했다. 대부분의 강철 제품과 마찬가지로 I-빔도 종종 재활용된 재료를 포함한다.

미국 강구조 협회(AISC)는 다양한 형태의 구조물을 설계하기 위한 ''강구조 설계 매뉴얼''(Steel Construction Manual)을 발행한다.

형강 강재 단면의 형상과 공차를 정의하는 표준들은 다음과 같다.


  • DIN 1025-5
  • ASTM A6, 미국 표준 빔[5]
  • BS 4-1
  • IS 808
  • AS/NZS 3679.1[6]

5. 1. 대한민국

다음은 형강 강재 단면의 형상과 공차를 정의하는 표준들이다.[1]

표준 번호표준명
KS D 3502열간 압연 형강의 모양, 치수, 무게 및 그 허용차
KS D 3866건축 구조용 고성능 압연 강재


5. 2. 국제 표준

형강의 국제 표준은 다음과 같다.

국가/지역표준
유럽EN 10024 (열간 압연 테이퍼 플랜지 I형강 - 형상 및 치수 공차), EN 10034 (구조용 강철 I형강 및 H형강 - 형상 및 치수 공차), EN 10162 (냉간 압연 강철 형강 - 기술 인도 조건 - 치수 및 단면 공차)
미국ASTM A6 (미국 표준 빔), A992[5]
영국BS 4-1
인도IS 808 (열간 압연 강철 빔, 기둥, 채널 및 앵글 단면 치수)
호주 및 뉴질랜드AS/NZS 3679.1[6]


5. 3. 명칭 및 용어

국가명칭 및 표기 방법
미국빔의 깊이와 무게 (예: W10x22)[7]
캐나다빔의 깊이와 무게 (미터법) (예: W250x33)[8]
멕시코IR + 빔의 깊이와 무게 (미터법) (예: IR250x33)[9]
인도ISMB, ISJB, ISLB, ISWB + 단면 깊이 (예: ISMB 450)
영국주요 치수-x-작은 치수-x-미터당 질량 (예: 152x152x23UC)[10]
호주범용 빔(UB) 또는 기둥(UC) + 대략적인 높이, 유형, 미터당 단위 비율 (예: 460UB67.1)[6]


6. 셀룰러 빔

셀룰러 빔은 캐스텔 빔의 현대적인 버전으로, 기존 부재보다 약 40~60% 더 깊어진 빔이다. 정확한 최종 깊이, 셀 직경 및 셀 간격은 유연하게 조정 가능하다. 셀룰러 빔은 기존 부재보다 최대 1.5배 강하며, 따라서 효율적인 대형 경간 구조를 만드는 데 사용된다.[11]

참조

[1] 서적 Structures and Construction in Historic Building Conservation
[2] 서적 International directory of company histories https://books.google[...] St. James Press
[3] 간행물 Forging America: The History of Bethlehem Steel http://www.mcall.com[...] The Morning Call 2010-09-24
[4] 기타 Mechanics of Materials PWS Publishing Company
[5] 서적 ASTM A992?A992M Standard Specification for Structural Steel Shapes http://www.astm.org/[...] American Society for Testing and Materials
[6] 웹사이트 Hot rolled and structural steel products – Fifth edition http://www.onesteel.[...] Onesteel 2015-12-18
[7] 기타 AISC Manual of Steel Construction 14th Edition
[8] 서적 Handbook of Steel Construction Canadian Institute of Steel Construction
[9] 기타 IMCA Manual of Steel Construction
[10] 웹사이트 Structural sections http://www.coruscons[...] Corus Construction & Industrial
[11] 웹사이트 Cellular Beams - Kloeckner Metals UK https://www.kloeckne[...] 2017-05-13


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