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강재

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1. 개요

강재는 높은 강도와 비강도를 가져 철근 콘크리트보다 가볍고 세장한 구조물 제작에 유리하며, 공장에서 제작되어 현장에서 조립하므로 공사 기간을 단축할 수 있다. 부식에 약하고 화재 시 강도가 감소하는 단점이 있지만, 재활용이 가능하고 페인팅 등의 방법으로 내구성을 높일 수 있다. 건축 구조물, 특히 마천루 건설에 널리 사용되며, KS, ASTM, EN 등 다양한 국제 표준에 따라 분류된다. 강재는 구조용 강철, 철근 콘크리트와 조합되어 사용되기도 하며, 건설 재료 선택 시 비용, 강도, 시공성, 지속 가능성 등을 고려한다.

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강재
개요
다양한 모양의 구조용 강철 단면
다양한 모양의 구조용 강철 단면
종류강철
용도건축 및 기타 구조물
특징
설명구조용 강철은 특정 모양과 화학적 조성을 가진 강철의 한 종류로, 건설 프로젝트에 사용하기 적합함
형태일반적으로 열간 압연을 통해 다양한 단면 형태로 제작됨
판, 강판, 봉강 형태로도 제공됨
활용구조용 강철은 건물의 뼈대를 만드는 데 광범위하게 사용됨
고층 건물, 산업 건물, 교량, 공항, 기타 구조물 등 다양한 건축물에 사용됨
장점높은 항복 강도와 인장 강도로 인해 큰 하중을 지탱할 수 있음
추가 정보미국에서는 구조용 강철의 모양과 크기를 American Institute of Steel Construction (AISC)에서 문서화함
일반적인 구조용 강철의 종류는 I형강 (I-빔), H형강, 앵글, 채널 등이 있음
강재 일반
정의강재는 제강 공정을 거쳐 생산된 강을 다양한 형상으로 만든 제품을 의미함
건축, 토목, 기계, 조선 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용됨
제조 방법주로 압연 과정을 통해 제조되지만, 단조, 주조, 인발 등의 방법도 사용됨
종류형강: H형강, I형강, C형강, L형강, T형강 등 다양한 단면 모양을 가진 강재
강판: 판 형태의 강재
강관: 관 형태의 강재
철근: 콘크리트 보강에 사용되는 강재
기타: 특수 목적에 사용되는 다양한 형태의 강재
형강
정의일정한 모양으로 압연하여 만든 긴 강재
단면의 모양에 따라 다양한 종류가 있음
종류별 특징H형강:
단면이 "H"자 모양인 강재
휨에 대한 저항력이 우수하여 건축물의 기둥이나 보에 주로 사용됨
I형강:
단면이 "I"자 모양인 강재
H형강과 유사한 용도로 사용되지만, H형강에 비해 폭이 좁음
C형강:
단면이 "C"자 모양인 강재
경량 구조물이나 지붕 등에 사용됨
L형강:
단면이 "L"자 모양인 강재
구조물의 모서리나 연결 부위에 사용됨
T형강:
단면이 "T"자 모양인 강재
특수한 용도로 사용됨
참고 자료
관련 협회한국강구조학회

2. 특징

강재는 사용 목적과 환경에 따라 적절한 종류와 처리 방법을 선택해야 한다. 강재는 크게 중량 형강과 경량 형강으로 나뉜다. 중량 형강에는 H형, I형, 앵글, 채널, Z형 등이 있으며, 판 두께가 부위에 따라 다르다. I형강이나 채널강의 플랜지는 두께가 일정하지 않고 안쪽으로 경사(테이퍼)가 있다. 또한, 돌출 모서리는 각이 져 있지만, 안쪽 모서리는 둥글게 처리되어 있다. 경량 형강에는 앵글, 채널, Z형, 핫트형 등이 있으며, 판 두께가 균일하고 모서리가 둥글다.[1]

2. 1. 장점

강재는 다음과 같은 장점을 가진다.

  • 강도가 높다.
  • 연성이 좋아 파괴 조짐을 조기에 예측할 수 있다.
  • 인성이 높아 파단 시까지 변형 에너지를 많이 흡수할 수 있다. 고강도 강일수록 인성이 더 높다.
  • 공장에서 제작해서 조립하는 것이므로 공사 기간이 단축된다.
  • 건축물의 조립과 해체가 철근 콘크리트에 비해 유리하다.
  • 재료가 균질하여 철근 콘크리트에 비해 설계 가정에 가깝게 구조물이 거동하여 거동을 예측하기 쉽다.
  • 철근 콘크리트에 비해 세장한 구조물에 유리하다.
  • 철근 콘크리트에 비해 단위 중량은 더 크지만, 비강도가 더 크므로 구조물에 들어가는 물량이 상대적으로 작아 경제적이다.
  • 재료의 재활용이 가능하여 친환경적이다.
  • 도장을 잘 할 경우 철근 콘크리트에 비해 내구성이 좋다.

2. 2. 단점


  • 부식에 취약하여 주기적인 관리가 필요하다.[1]
  • 열에 의한 강도 저하가 크므로 화재에 약하다.[1]
  • 저온에서 충격하중이 작용하면 취성 파괴가 일어난다.[1]
  • 좌굴에 약하다.[1]
  • 반복 하중에 의한 강도 감소에 유의해야 한다.[1]

철 제품은 최종적으로 도장되는 경우가 많지만, 많은 경우 무도장 상태, 이른바 "압연 상태(흑피)"로 유통된다(산화 피막인 흑피가 내식성이 뛰어나기 때문). 절단 가공 등이 이루어진 후 방청 도장 후 마감 도장으로 색상을 입히는 경우가 많다. 건축 구조체에 사용되는 것 중에는 미리 방청 도장을 한 상태로 유통되는 것도 있다.

아연도금이 적용된 것도 있다. 이 경우, 가공 후 단면 처리가 필요하므로, 가공 후에 아연 도금하는 것이 효과적인 방청 처리가 가능하다.

또한, 교량 등에는 표면 처리를 필요로 하지 않는 내후성 강재가 사용되기도 하며, 녹슨 색깔 그대로 사용되는 것을 볼 수 있다.

3. 종류

강재 종류별 응력-변형률 선도


강재는 제조 방식과 화학 성분에 따라 다양하게 분류된다.

  • 열처리 강: 구조용 합금강 및 탄소강에 비해 거의 두 배 높은 강도를 가지지만, 파단이 일어나는 변형도가 작고 항복점이 명확하지 않다.[19]
  • 구조용 합금강: 열처리 강에 비해 절반 정도의 강도를 가지며, 탄소강에 비해서는 약간 더 높은 강도를 가진다. 열처리 강에 비해 파단 변형도가 크지만, 탄소강보다는 약간 작다. 항복점은 명확하지 않다.[19]
  • 탄소강: 구조용 합금강보다 약간 낮은 강도를 가지지만, 파단까지 변형도가 가장 크며, 항복점이 명확하다.[19]


형강은 열간 압연으로 제작되는 중량 형강과 얇은 강판을 냉간으로 굽힘 가공하는 경량 형강으로 나뉜다. 일반적으로 형강이라고 하면 중량 형강을 의미한다. 중량 형강에는 H형강, I형강, 앵글, 채널, Z형강 등이 있으며, 판 두께는 부위에 따라 다르다. I형강이나 채널강의 플랜지는 두께가 일정하지 않고 내면에 외측으로 테이퍼가 있다. 돌출 모서리 코너부는 엣지가 있지만, 안쪽 모서리 코너부는 아치(원호 모양)가 있다.[1] 경량 형강에는 앵글, 채널, Z형강, 핫트형강 등이 있으며, 판 두께는 부위에 관계없이 일정하고 코너부는 아치를 주어 구부러져 있다.[1]

3. 1. 제조 방식에 따른 분류

열간 압연 강재는 고온에서 압연하여 만든 강재로, 일반적인 구조용으로 널리 사용된다. 중량 형강에는 H형강, I형강, 앵글, 채널, Z형강 등이 있다. 중량 형강의 판 두께는 부위에 따라 다르다. I형강이나 채널강의 플랜지 부분은 두께가 일정하지 않고, 내면에 외측을 향해 테이퍼가 붙어 있다. 또한, 돌출 모서리 코너부에는 엣지가 있지만, 안쪽 모서리 코너부에는 아치(원호 모양)가 붙어 있다.[1]

냉간 성형 강재는 상온에서 얇은 강판을 가공하여 만든 강재로, 경량 구조물에 사용된다. 경량 형강에는 앵글, 채널, Z형강, 핫트형강 등이 있다. 경량 형강의 판 두께는 부위에 관계없이 일정하며, 코너부는 아치를 주어 구부러져 있다.[1]

3. 2. 화학 성분에 따른 분류

탄소강은 탄소를 주요 합금 원소로 하며, 구조용으로 가장 널리 사용되는 강재이다. 구조용 합금강은 탄소강에 다른 합금 원소를 첨가하여 강도를 높인 강재이다. 열처리 강은 열처리를 통해 강도를 더욱 향상시킨 강재이다.

  • 탄소강: 구조용 합금강보다 약간 낮은 강도를 가지지만, 파단까지 변형도는 가장 크다. 항복점이 명확하다.[19]
  • 구조용 합금강: 열처리 강에 비해 절반 정도의 강도, 탄소강에 비해 약간 더 높은 강도를 가진다. 열처리 강에 비해 파단이 일어나는 변형도가 크고, 탄소강에 비해서는 약간 작은 변형도에서 파단이 일어난다. 항복점이 명확하지 않다.
  • 열처리 강: 구조용 합금강, 탄소강에 비해 거의 두 배 높은 강도를 가지며, 상대적으로 파단이 일어나는 변형도가 작다. 항복점이 명확하지 않은 특징이 있다.

3. 3. 구조용 강재 (KS 기준)

대한민국에서 생산되는 구조용 강재는 한국산업표준(KS)에 의해 분류된다.

KS 번호명칭
KS D 3503일반 구조용 압연 강재
(SS 275)
KS D 3515용접 구조용 압연 강재
(SM 275A, B, C, SM 355A, B, C, TMC, SM 420B, C, TMC, SM 460B, TMC)
KS D 3529용접 구조용 내후성 열간 압연 강재
(SMA 275AW, BW, CW, SMA 275AP, BP, CP, SMA 355AW, BW, CW, SMA 355AP, BP, CP)


  • SS (일반 구조용 압연 강재): 주로 일반적인 건축 구조물에 사용된다.[26] (예: SS 275)
  • SM (용접 구조용 압연 강재): 용접성이 우수한 강재로, 교량, 선박 등 용접이 필요한 구조물에 사용된다.[26] (예: SM 275A, SM 355B)
  • SMA (용접 구조용 내후성 열간 압연 강재): 내후성이 우수한 강재로, 해양 구조물 등 부식 환경에 노출되는 구조물에 사용된다.[26] (예: SMA 275AW, SMA 355AP)


강종 기호에서 첫 번째 문자 S는 Steel(강철)을, 두 번째 문자(SS, SWS 등)는 제품의 형상, 용도 및 강종을 나타낸다.[26] 숫자는 강종의 항복강도(N/mm², MPa)를 나타내는데, 2016년 KS 개정을 통해 인장강도 기준에서 항복강도 기준으로 변경되었다.[27] 2017년 1월 1일부터 2017년 12월 31일까지는 표기 변경에 따른 업계 혼란을 방지하기 위해 이전 표기(인장강도 기준)와 변경된 표기(항복강도 기준)가 함께 사용되었다.[27] 마지막 알파벳은 강재의 충격흡수 에너지에 의한 품질을 나타내며, D로 갈수록 충격 특성이 향상된다.

2016년 11차 KS 개정에 따른 강종 기호 변경
일반 구조용 압연강재(SS)용접 구조용 압연강재(SM)용접구조용 내후성 열간 압연강재(SMA)
구 기호변경 기호구 기호변경 기호구 기호변경 기호
SS 330SS 235SM 400ASM 275ASMA 400AWSMA 275AW
SS 400SS 275SM 400BSM 275BSMA 400APSMA 275AP
SS 490SS 315SM 400CSM 275CSMA 400BWSMA 275BW
SS 540SS 410SM 490ASM 355ASMA 400BPSMA 275BP
SS 590SS 450SM 490BSM 355BSMA 400CWSMA 275CW
SM 490CSM 355CSMA 400CPSMA 275CP
SM 520BSM 420BSMA 490AWSMA 355AW
SM 520CSM 420CSMA 490APSMA 355AP
SM 570SM 460BSMA 490BWSMA 355BW
SMA 490BPSMA 355BP
SMA 490CWSMA 355CW
SMA 490CPSMA 355CP
SMA 570WSMA 460W
SMA 570PSMA 460P



몇 가지 강재의 항복 강도와 극한 강도는 다음과 같다.

일반 구조용 압연강재(SS)
강도(N/mm2)판 두께(mm)SS 275SS 315*
최소16 이하275315
16 초과 40 이하265305
40 초과 100 이하245295
100 초과235275
인장 강도(Fu)410 - 550490 - 630


  • SS 315 적용두께는 60mm 이하


용접 구조용 압연강재(SM)
강도(N/mm2)판 두께(mm)SM 275SM 355
SMA 275SMA 355
최소16 이하275355
16 초과 40 이하265345
40 초과 75 이하255335
75 초과 100 이하245325
100 초과 200 이하235305
인장 강도(Fu)410 - 550490 - 630


4. 항복 조건

강재는 일반적으로 수직 응력(σ)과 전단 응력(v)을 동시에 받는다. 따라서 이런 경우 강재가 항복할 때를 '항복 조건'이라고 한다. 폰 미세스(Von Mises)가 제안한 다음 식에 항복강도를 결정 및 계산할 수 있다. 이 식은 접합부의 조합응력 검토에 사용된다.

:F_y=\sqrt{\sigma ^2+3v^2}

필릿 용접의 경우는 F_y=\sqrt{\sigma ^2+v^2} 식을 사용한다.

5. 형태와 치수

강재는 형태에 따라 치수 표시 방법이 다르며, 일반적으로 mm 단위를 사용한다.

종류설명치수 표시
H형강주로 기둥, 보에 사용.H-H×B×t1×t2 (H-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)
I형강플랜지 두께가 안쪽에서 바깥쪽으로 갈수록 줄어듦.I-H×B×t1×t2 (I-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)
ㄱ형강 (앵글강)가새 등에 쓰임.ㄴ-A×B×t (장축 길이 × 단축 길이 × 두께)
ㄷ형강 (channel)가새 등에 쓰임.ㄷ-H×B×t1×t2 (ㄷ-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)
T형강T-H×B×t1×t2 (T-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)
강관
강봉 및 강판
냉간성형강



이 외에도 다양한 형태의 강재가 전 세계적으로 사용되며, 여러 표준에 의해 설명된다.


  • I-빔
  • Z-형강
  • 중공 구조 단면 (Hollow structural section)
  • 앵글강 (L자형 단면)
  • 채널형강
  • T형강
  • 레일 단면
  • 바(Bar)
  • 로드(Rod)
  • 플레이트(Plate)
  • 개방형 웹 강철 장선


"앵글 아이언", "채널 아이언", "시트 아이언"과 같은 용어는 단강이 상업적으로 강철로 대체되기 전부터 사용되었으며, 오늘날에도 비공식적으로 사용되지만 잘못된 명칭이다.[2]

5. 1. 주요 형태

보에 사용된 H형강


H형강과 I형강

  • H형강(H-beam): 주로 기둥, 보 등에 사용되며, 단면 효율이 우수하다. 치수 표시는 H-H×B×t1×t2 (H-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)로 한다. (예: H-200x100x5.5x8)
  • I형강(I-beam): H형강과 유사하지만, 플랜지 두께가 안쪽에서 바깥쪽으로 갈수록 줄어든다. 치수 표시는 I-H×B×t1×t2 (I-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)로 한다.
  • ㄱ형강(Angle): 가새 등에 쓰이며, 치수 표시는 ㄴ-A×B×t (장축 길이 × 단축 길이 × 두께)로 한다. 두 변의 길이가 같으면 등변 ㄱ형강, 다르면 부등변 ㄱ형강이다. (예: ㄴ-50x50x6)
  • ㄷ형강(Channel): 단면 성능은 떨어지나 접합 시공이 용이하여 가새 등에 쓰인다. 치수 표시는 ㄷ-H×B×t1×t2 (ㄷ-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)로 한다. (예: ㄷ-100x50x5x7.5)
  • T형강(T-beam): H형강을 절단하여 만들며, CT형강 또는 컷T라고도 한다. 치수 표시는 T-H×B×t1×t2 (T-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)로 한다.
  • 강관
  • 강봉 및 강판
  • 냉간성형강


6. 러멜러 테어링 (Lamellar Tearing)

열간 압연으로 강재가 생산될 때, 압연 방향과 수직인 단면에 집중 하중이 작용하면 변형의 집중 현상과 작은 연성 능력으로 인해 취성 파괴가 일어나는 것을 러멜러 테어링이라고 한다.[1] 압연 방향과 이와 교차하는 단면은 서로 다른 기계적 성질을 보이기 때문에 이런 현상이 일어난다. 주된 원인은 용접 후 부재에서 일어나는 수축 현상 때문이다. 러멜러 테어링을 방지하기 위한 방법은 용접 상세를 합리적으로 계획하는 것이다. 용접되는 부분이 압연 방향과 일치하게 하면 러멜러 테어링을 줄일 수 있다.[2]

7. 강교량의 도장

중방식
계열우레탄계 마감TypeⅠSSPC-SP10무기질
아연말 도료미스트코트고고형분
에폭시계 도료우레탄계 도료우레탄계 도료TypeⅡSSPC-SP10무기질
아연말 도료미스트코트고고형분
에폭시계 도료우레탄계 도료우레탄계 도료Type ⅢSSPC-SP10아연알루미늄용사미스트코트고고형분
에폭시계 도료우레탄계 도료우레탄계 도료세라믹계 우레탄 마감TypeⅠSSPC-SP10무기질
아연말 도료미스트코트세라믹계
방식도료세라믹계
우레탄 도료세라믹계
우레탄 도료TypeⅡSSPC-SP10무기질
아연말 도료미스트코트세라믹계
방식도료세라믹계
우레탄 도료세라믹계
우레탄 도료Type ⅢSSPC-SP10아연알루미늄용사미스트코트세라믹계
방식도료세라믹계
우레탄 도료세라믹계
우레탄 도료실록산계 마감TypeⅠSSPC-SP10무기질
아연말 도료미스트코트고고형분
에폭시계 도료실록산계
도료실록산계
도료TypeⅡSSPC-SP10무기질
아연말 도료미스트코트고고형분
에폭시계 도료실록산계
도료실록산계
도료Type ⅢSSPC-SP10아연알루미늄용사미스트코트고고형분
에폭시계 도료실록산계
도료실록산계
도료불소수지계 마감TypeⅠSSPC-SP10무기질
아연말 도료미스트코트고고형분
에폭시계 도료불소수지계
도료불소수지계
도료TypeⅡSSPC-SP10아연알루미늄용사미스트코트고고형분
에폭시계 도료불소수지계
도료불소수지계
도료친환경
중방식수용성 우레탄계 마감TypeⅠSSPC-SP10수용성무기질
아연말
도료미스트코트수용성
에폭시계 도료수용성
우레탄계 도료수용성
우레탄계 도료TypeⅡSSPC-SP10수용성무기질
아연말
도료미스트코트수용성
에폭시계 도료수용성
우레탄계 도료수용성
우레탄계 도료TypeⅢSSPC-SP10아연알루미늄용사미스트코트수용성
에폭시계 도료수용성
우레탄계 도료수용성
우레탄계 도료TypeⅣSSPC-SP10무용제 에폭시계 도료무용제
에폭시계 도료수용성
우레탄계 도료수용성
우레탄계 도료


8. 국제 표준

유럽 표준 EN 10025는 유럽 전역에서 사용되는 대부분의 강재에 적용되는 규격이다.[3] 일반적인 등급은 'S275J2' 또는 'S355K2W'와 같이 표시된다. 여기서 'S'는 구조용 강재를 의미하며, 275 또는 355는 제곱 밀리미터당 뉴턴(N/mm²) 또는 메가파스칼(MPa) 단위의 항복 강도를 나타낸다. J2 또는 K2는 샤르피 충격 시험 값으로 재료의 인성을 나타내고, 'W'는 내후성 강재를 의미한다. 미세 입자 강재는 'N' 또는 'NL', 담금질 및 템퍼링 강재는 'Q' 또는 'QL', 열간 성형 강재는 'M' 또는 'ML'로 추가 표시할 수 있다.

ASTM International에서 식별하고 규정하는 표준 합금을 사용하는 건축 구조물용 강재는 'A'로 시작하고 두, 세 또는 네 개의 숫자가 뒤따르는 합금 식별 번호를 갖는다.[5] 일반적으로 사용되는 표준 구조용 강재는 다음과 같다.

강종설명
A36구조 형강 및 강판
A53구조용 파이프 및 튜빙
A500구조용 파이프 및 튜빙
A501구조용 파이프 및 튜빙
A529구조 형강 및 강판
A1085구조용 파이프 및 튜빙
A441구조 형강 및 강판 (A572에 의해 대체됨)
A572구조 형강 및 강판
A618구조 파이프 및 튜브
A992W 또는 S I-빔에 사용 가능
A913담금질 및 자기 템퍼링(QST) W 형강
A270구조 형강 및 강판
A243구조형강 및 강판
A588구조형강 및 강판
A514구조 형강 및 판재
A517보일러 및 압력 용기
Eglin강저렴한 항공우주 및 무기 품목


8. 1. 유럽 표준 (EN)

유럽 표준 EN 10025는 유럽 전역에서 사용되는 대부분의 강재에 적용되는 규격이다.[3]

일반적인 등급은 'S275J2' 또는 'S355K2W'와 같이 표시된다. 여기서 'S'는 구조용 강재를 의미하며, 275 또는 355는 제곱 밀리미터당 뉴턴(N/mm²) 또는 메가파스칼(MPa) 단위의 항복 강도를 나타낸다. J2 또는 K2는 샤르피 충격 시험 값으로 재료의 인성을 나타내고, 'W'는 내후성 강재를 의미한다. 미세 입자 강재는 'N' 또는 'NL', 담금질 및 템퍼링 강재는 'Q' 또는 'QL', 열간 성형 강재는 'M' 또는 'ML'로 추가 표시할 수 있다.

S275JOH는 EN 10219 규격 및 EN 10210 표준의 강종이다. 가장 널리 사용되는 규격은 비합금 및 미세 입자 강재의 냉간 성형 용접 구조 중공 단면에 대한 EN 10219 표준이다.[4] EN 10219-1은 원형, 사각형 또는 직사각형 형태의 냉간 성형 용접 구조 중공 단면에 대한 기술적 납품 조건을 명시하며, 후속 열처리 없이 냉간 성형된 구조 중공 단면에 적용된다. S275JOH 파이프의 공차, 치수 및 단면 특성 요구 사항은 EN 10219-2에 포함되어 있다.[4] S275JOH 탄소강관은 ERW, SAW 또는 무계목 공정으로 제작될 수 있으며, 모든 S275JOH 강철 재료 및 파이프는 EN 10219 표준을 준수해야 한다.[4]

일반적으로 사용 가능한 항복 강도 등급은 195, 235, 275, 355, 420 및 460이지만, 일부 등급이 더 자주 사용된다. 예를 들어 영국에서는 거의 모든 구조용 강재가 S275 및 S355 등급이다. 더 높은 등급은 담금질 및 템퍼링 재료(500, 550, 620, 690, 890 및 960)로 제공되지만, 현재 건설 분야에서는 690 이상 등급은 거의 사용되지 않는다.

표준 구조 프로파일의 모양은 다음과 같은 유로놈에 의해 정의된다.

8. 2. 미국 표준 (ASTM)

ASTM International에서 식별하고 규정하는 표준 합금을 사용하는 건축 구조물용 강재는 'A'로 시작하고 두, 세 또는 네 개의 숫자가 뒤따르는 합금 식별 번호를 갖는다.[5]

일반적으로 사용되는 표준 구조용 강재는 다음과 같다.[5]

강종설명
A36구조 형강 및 강판
A53구조용 파이프 및 튜빙
A500구조용 파이프 및 튜빙
A501구조용 파이프 및 튜빙
A529구조 형강 및 강판
A1085구조용 파이프 및 튜빙
A441구조 형강 및 강판 (A572에 의해 대체됨)
A572구조 형강 및 강판
A618구조 파이프 및 튜브
A992W 또는 S I-빔에 사용 가능
A913담금질 및 자기 템퍼링(QST) W 형강
A270구조 형강 및 강판
A243구조형강 및 강판
A588구조형강 및 강판
A514구조 형강 및 판재
A517보일러 및 압력 용기
Eglin강저렴한 항공우주 및 무기 품목


9. CE 마킹

CE 마킹은 유럽 연합 내에서 모든 건설 제품 및 강재 제품의 자유로운 이동을 보장하기 위해 건설 제품 지침(CPD)에 의해 도입된 제도이다.[6] 유럽 지침인 CPD에 따라, 강철 부품은 "안전 필수" 부품으로 간주되므로, 공장 생산 관리(FPC) 시스템이 유럽 위원회에 승인된 인증 기관에 의해 평가받지 않으면 CE 마킹이 허용되지 않는다.

형강, 볼트 및 제작된 강철 구조물과 같은 강철 제품의 경우, CE 마킹은 해당 제품이 관련 조화 표준을 준수함을 나타낸다.[7]

강철 구조물의 주요 조화 표준은 다음과 같다.

종류표준
형강 및 강판EN 10025-1
중공 단면EN 10219-1 및 EN 10210-1
사전 인장 볼트EN 14399-1
비사전 인장 볼트EN 15048-1
제작 강철EN 1090-1



구조용 강철 구조물의 CE 마킹을 다루는 표준은 EN 1090-1이며, 2010년 말에 발효되었다. 2년간의 전환 기간을 거쳐 2012년 초에 대부분의 유럽 국가에서 CE 마킹이 의무화되었으며,[8] 전환 기간의 공식 종료일은 2014년 7월 1일이다.

10. 강재와 콘크리트

강재와 철근 콘크리트는 구조물 설계에 상호 보완적으로 사용될 수 있다. 엔지니어는 구조물을 설계할 때 각 재료의 장단점을 고려하여 최적의 재료를 선택해야 한다.

강재와 철근 콘크리트를 함께 사용하는 것은 각 재료의 장점을 활용하는 방법이다. 철근 콘크리트에서는 강철 보강재(철근)가 콘크리트 부재의 인장 강도를 보완한다. 흔히 볼 수 있는 예로 주차장이 있다. 주차장은 강철 기둥과 철근 콘크리트 슬래브를 함께 사용하여 건설된다. 콘크리트는 기초 지반에 부어 주차장 표면을 만들고, 강철 기둥은 볼트 체결 및/또는 콘크리트 슬래브 표면에서 돌출된 강철 스터드에 용접하여 슬래브에 연결된다. 프리캐스트 콘크리트 보를 현장으로 운반하여 2층에 설치할 수 있으며, 그 후에 포장 구역에 콘크리트 슬래브를 부을 수 있다. 이러한 방식은 여러 층에 걸쳐 적용할 수 있으며, 강구조와 철근 콘크리트의 장점을 모두 활용하는 대표적인 예시이다.[17]

10. 1. 이상적인 구조 재료 선택

구조물을 설계할 때 엔지니어는 구조용 강철, 철근 콘크리트, 조적조, 목재 등 다양한 재료 중 가장 적합한 것을 선택해야 한다. 이 결정을 내릴 때는 비용, 강도/무게 비율, 지속 가능성, 내화성, 부식 등 여러 요소를 고려해야 한다.[9]

고려 요소설명
비용건설 재료의 비용은 프로젝트 위치와 재료의 가용성에 따라 크게 달라진다. 휘발유 가격처럼 시멘트, 골재, 강철 등의 가격도 변동한다. 철근 콘크리트의 경우 거푸집 공사 비용이 상당 부분을 차지하는데, 프리캐스트 콘크리트를 사용하면 비용과 시간을 절약할 수 있다.[9] 강철은 무게로 판매되므로, 구조 설계자는 안전을 유지하면서 가능한 가장 가벼운 부재를 사용해야 한다. 또한, 다양한 크기나 모양의 부재 대신 동일한 강철 부재를 여러 개 사용하면 비용을 절감할 수 있다.[10]
강도/무게 비율재료의 비강도는 강도를 밀도로 나눈 값으로, 무게 대비 얼마나 유용한지를 나타낸다. 이는 비용과 시공 용이성에 영향을 미친다. 콘크리트는 일반적으로 인장 강도보다 압축 강도가 10배 더 강하므로 압축 강도 대 무게 비율이 더 높다.[11]
지속 가능성최근 환경 친화성에 대한 관심이 높아지면서 지속 가능한 재료 사용이 중요해졌다. 지속 가능한 재료는 설치 및 수명 주기 동안 환경에 미치는 영향이 적다. 철근 콘크리트와 구조용 강철은 적절히 사용하면 지속 가능하다.[12] 재활용 금속으로 만들어지는 A992 강철은 기존 강철보다 저렴하고 강도 대 무게 비율이 높다.[13] 콘크리트는 자연 발생 재료로 구성되며, 투과성 콘크리트를 사용하면 배수 시설 필요성을 줄일 수 있다. 또한, 콘크리트는 분쇄하여 재활용할 수 있다.[14]
내화성화재는 건물에 큰 위험 요소이며, 특히 건조하고 바람이 많이 부는 지역이나 목조 건물에서 더욱 그렇다. 구조용 강철은 화재에 취약하므로 내화 처리가 필요하다. 철근 콘크리트는 화재에 강하고 온도 변화와 화재 확산을 막아 주변 건물의 지속 가능성을 높인다.[11]
부식일부 재료는 물, 열, 습도, 염분 등에 의해 부식될 수 있다. 구조용 강철은 습기나 물에 노출되면 산화되어 구조적 무결성을 손상시킬 수 있으므로 주의해야 한다.[11]



회사는 이윤을 창출해야 하므로, 원자재 가격 변동과 프로젝트 위치에 따른 운송 비용 등도 재료 선택에 영향을 미친다.[11]

10. 2. 철근 콘크리트

철근 콘크리트는 일반적으로 포틀랜드 시멘트, 물, 골재(굵은 골재 및 잔골재), 강철 보강근(철근)으로 구성되며, 구조용 강철에 비해 저렴하다.[11] 콘크리트는 압축 강도가 상대적으로 높지만, 인장 강도/연성이 부족하여 강철 철근으로 보강하여 인장 능력, 연성, 탄성을 증가시킨다.[11]

철근 콘크리트는 타설 후 굳히거나(경화) 양생해야 한다. 타설 후 1~2일 뒤 양생(시멘트 입자와 물의 화학 반응)이 시작되며, 28일 후 완료되지만, 구조물 특성에 따라 1~2주 후 공사를 계속할 수 있다. 콘크리트는 거의 모든 모양과 크기로 시공 가능하며, 철근 콘크리트 사용 비용의 약 절반은 거푸집 공사에 기인한다. 시간 및 비용 절감을 위해 구조용 콘크리트 부재(보, 거더, 기둥)를 사전 제작(현장 외 타설 및 양생 후 현장 배송 및 설치)하여 공사 기간을 단축할 수 있다.[11]

콘크리트는 뛰어난 내화성을 가져 국제 건축 법규(IBC) 방화 기준 준수를 위한 추가 비용이 필요하지 않다. 그러나 내화성이 없는 재료 사용 가능성이 있으므로, 설계자는 콘크리트 사용 및 화재 위험 물질 위치를 고려해야 한다.[11]

철근 콘크리트는 적절한 시공 시 뛰어난 내식성을 갖는다. 콘크리트는 물에 강하며, 양생 및 강도 발휘에 물이 필요하다. 그러나 콘크리트 내 강철 보강재는 부식 방지를 위해 노출되면 안 되며, 이는 구조물 강도를 감소시킬 수 있다. 미국 콘크리트 학회는 강철 보강재를 충분히 덮는 설계 사양을 제공하여 물 노출을 방지한다. 덮개 거리는 콘크리트 균열(인장력 발생 위치)을 통해 물이 보강근으로 이동하는 경로를 차단하기 위해 지정된다.[11] 일부 보강근은 에폭시 코팅으로 부식을 방지하지만, 비용이 비싸고 마찰력이 적어 더 크고 강하게 설계해야 한다. 접착 강도는 철근 콘크리트 부재의 구조적 완전성에 중요하다.[9]

10. 3. 구조용 강철

강재는 높은 강도, 강성, 인성, 연성 특성을 가지고 있어 상업 및 산업용 건물 건설에 널리 사용된다.[15] 시공 시 볼트나 용접으로 연결되며, 자재가 현장에 배송되는 즉시 설치할 수 있다. 반면 콘크리트는 타설 후 최소 1~2주 동안 양생해야 하므로, 강재는 일정을 맞추기 쉬운 시공 재료이다.[11]

그러나 강철은 불연성 재료이지만, 화재 시 온도에 의해 강도와 강성이 현저하게 감소한다. 따라서 국제 건축 규정에 따라 충분한 내화성 재료로 감싸야 하며, 이는 건물 전체 비용을 증가시킨다.[15] 또한 물과 접촉하면 부식되어 위험할 수 있으므로, 부식 방지 조치가 필요하다. 강철은 페인팅하거나 내화성 재료로 감싸 방수성을 확보할 수 있다.[11]

강재는 곰팡이가 성장하기에 덜 적합한 표면 환경을 제공하여 나무보다 유리하다.[16]

10. 4. 강재와 철근 콘크리트의 조합

구조물에 강재와 철근 콘크리트를 모두 사용하는 것은 강구조와 철근 콘크리트의 장점을 활용하는 것이다. 이는 철근 콘크리트에서 이미 흔히 사용되는 방식으로, 강재 보강재는 구조 콘크리트 부재에 강재의 인장 강도를 제공하는 데 사용된다. 흔히 볼 수 있는 예로는 주차장이 있다. 일부 주차장은 강철 기둥과 철근 콘크리트 슬래브를 사용하여 건설된다. 콘크리트는 기초 지반에 부어져 주차장을 건설할 표면을 제공한다. 강철 기둥은 볼트 체결 및/또는 콘크리트 슬래브 표면에서 돌출된 강철 스터드에 용접하여 슬래브에 연결된다. 프리캐스트 콘크리트 보를 현장으로 운반하여 2층에 설치할 수 있으며, 그 후에 포장 구역에 콘크리트 슬래브를 부을 수 있다. 이는 여러 층에 걸쳐 수행할 수 있다.[17] 이러한 유형의 주차장은 철근 콘크리트와 강재를 모두 사용할 수 있는 많은 구조물 중 하나의 예일 뿐이다.

참조

[1] 서적 Design-Tech 2014-03-21
[2] 웹사이트 Steel structure workshop http://www.xgz1996.c[...] 2017-03-02
[3] 웹사이트 Structurals | Structure Steel | Structural Steel by JSP Structurals https://jsplstructur[...] 2023-03-17
[4] 웹사이트 EN10219 S275JOH Carbon Steel Pipe http://www.hysteelpi[...] 2014-10-25
[5] 서적 Manual of Steel Construction American Institute of Steel Construction
[6] 웹사이트 SteelConstruction.org:CE-Marking 2011-02-08
[7] 간행물 Guide to the CE Marking of Structural Steelwork BCSA
[8] 웹사이트 Manufacturer Certification in Compliance with EN 1090 http://www.tuv.com/e[...] 2011-08-09
[9] 서적 Precast Concrete Taylor & Francis 1982-03-01
[10] 서적 Estimating Building Costs
[11] 서적 Handbook of Structural Engineering CRC Press
[12] 웹사이트 The Environmental Impact of Steel https://www.metsec.c[...] voelstapine Metsec 2020-12-15
[13] 서적 Designing Steel Structures for Fire Safety Taylor & Francis 2009-05-06
[14] 서적 Sustainability and Design Ethics Taylor & Francis 2010-03-25
[15] 서적 Principles of Structural Design Taylor & Francis
[16] 웹사이트 Properties and Prevention of Household Mold http://www.absoluter[...] Absolute Steel 2014-03-07
[17] 서적 Reinforced Concrete Design of Tall Buildings Taylor & Francis 2009-12-14
[18] 웹사이트 A complicated graph without a title http://www.msm.cam.a[...]
[19] 서적 Industrial fire protection engineering
[20] 문서
[21] 학술 FIRE RATING PROCEDURE IN JAPAN https://publications[...]
[22] 문서
[23] 간행물 Best Practice Guidelines for Structural Fire Resistance Design of Concrete and Steel Buildings https://dx.doi.org/1[...] NIST
[24] 서적 International directory of company histories https://books.google[...] St. James Press
[25] 서적 강구조 공학 구미서관 2019
[26] 서적 토목기사 과년도 - 철근 콘크리트 공학 성안당 2015
[27] 문서 KS D 3503 : 2018 해설



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