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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철근 콘크리트는 콘크리트의 압축 강도와 철근의 인장 강도를 결합하여 구조적 효율성을 높인 건축 재료이며, 콘크리트의 알칼리성이 철근 부식을 방지하여 내구성을 확보한다. - 건축재료 - 스테인리스강
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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
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.- 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.
몇 가지 강재의 항복 강도와 극한 강도는 다음과 같다.
- SS 315 적용두께는 60mm 이하
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.
:
필릿 용접의 경우는 식을 사용한다.
5. 형태와 치수
강재는 형태에 따라 치수 표시 방법이 다르며, 일반적으로 mm 단위를 사용한다.
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
- 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
계열
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