기말2] 철골 구조

철골구조

철골구조는, 건물의 주요 구조부인 기둥, 보, 계단, 지붕, 바닥 등의 골조에 형강 및 강관을 사용하고,
리벳, 볼트, 용접 방식으로 접합하거나 단일 형강으로 구조물을 구성한다.

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 1. 철골구조

• 철골 구조의 장단점
  
  • 장점
    - 재질이 균등하다
    - 자중이 가볍다
    - 강도가 높아 스팬이 큰 구조나 고층 건축물에 유리하다.
    - 공장에서 가공하고 현장에서 조립하므로 공기가 단축된다.
    - 해체 후 재사용이 가능하다.
    
    
  • 단점
    - 열에 취약해 내화피복에 주의해야한다.
    - 세장(가늘고 긴)기둥의 경우 좌굴변형(횡방향 변형) 될 수 있다.
    - 접합 과정이 어렵다.
    - 강재가 고가이고, 가공 및 조립에 세심한 주의가 필요하다.
    
    
• 철골 접합 방식
  • 리벳 접합
    - 두 장 이상의 강판에 리벳을 고열로 가열하여 삽입하고 두들겨 조이는 방법
    - 접합부가 확실하나, 전단접합이고 시공시 소음이 발생한다.
    - 최소 4명 이상이 필요하므로 인건비가 비싸다.
    
    
  • 볼트 접합
    - 임시용도나 가설 건물용으로, 주요 부분에는 볼트를 사용할 수 없다.
    - 조이고 풀기 용이한만큼, 너트가 느슨해지기 쉬우며, 설치 시 소음이 없다.
    
    
  • 고력 볼트 접합
    - 너트를 강하게 조여, 부재와 부재 사이 면에서 발생하는 강한 마찰력에 의해 접합된다.
      1차 조임에서 먼저 70퍼 정도 조인 뒤, 본 조임에서 목표 토크까지 조인다.
      금을 그어서, 회전 각도를 검사한다.
    - 변형이 적고, 설치 시 소음이 없으며, 설비가 간단하고, 공기단축과 노동력 절감의 효과가 있다.
    - 그러나 비싸다.
    
    
  • 용접 접합
    - 금속재에 열과 압력을 가하여 두 부재를 접합한다.
    - 위의 방법들과 달리 구멍에 의한 재단면의 결손이 없다.
    - 일체성과 강성 확보가 가능하고, 강재를 절약할 수 있으며, 가볍다.
    - 품질검사가 어렵고, 열에 의한 변형이 쉬우며, 용접공의 숙련도에 따라 완성도가 결정된다.
    
    불완전 용접
    - 언더 컷(under cut) : 홈의 가장자리에 빈틈이 있다.
    - 슬래그 섞임(slag inclusion) : 용접 금속 내부에 슬래그가 섞였다.
    - 블로홀(blow hole) : 용접부분 내에 기포가 생겼다.
    - 오버랩(over lap) : 용접금속이 모재에 완전히 붙지 않고 겹침
    - 피트(pit) : 표면에 홈이 생겼다.
    - Fish Eye : 수소의 영향으로 생기는 은색 원점으로, 100도로 가열 후 24시간 방치시 해결된다.
    - 용착부족(incomplete penetration) : 모재가 녹지 않았다.
    
    
• 라멘구조 (Rahmen, = frame)
  • 기둥 세우기
    - 단일부재 기둥
      H형강 : 높이 30cm, 길이 10cm 내외의 기둥
      I형강 : 힘을 받지 않는 곳에 사용되는 소형 기둥
      강관 : 경량구조에 많이 사용되며, 각형 강관과 원형 강관이 있다.
    
    - 조립 기둥
      리벳, 고력볼트 기둥 : 대형 단일부재의 생산이 어려웠을 때 사용되던 방법
      용접조립 기둥 : H형강, I형강, 채널, 앵글 등을 용접조립한 기둥
      박스형 기둥 : 초고층 건물에 주로 사용되는 네모낳고 두꺼운 기둥
    
    
  • 보 (Beam, girder)
    - H형강보 : 보의 높이는 스팬의 5~10%로, 더 많은 힘을 받아야 할경우 커버 플레이트를 붙임
    - 허니콤보 : H형강을 육각형 모양으로 잘라서 두개를 이어 붙임. 사이의 구멍을 덕트 통로로 이용
    - 조립판보 : 철판을 잘라 플랜지와 웨브를 만들고, 이음부위는 용접이나 리베팅한다.
    - 기타 조립보 : 격자보, 라티스보(Lattice beam), 트러스보(Truss beam)
    ※ 플랜지(Flange) : H,I형강의 날개부분, 웨브(Web) : H,I형강의 가운데 기둥 부분
    
    
  • 접합부 구조
    - 이음 위치는 가능한 응력이 작은 곳에 위치하여야 한다.
    - 브래킷형 접합(고력볼트 사용), 현장용접 접합(브래킷 없음, 용접만 사용)
    
    
  • 방풍가새(Wind bracing)
    - 고층 건물에서, 지진 및 바람 등의 수평하중에 대해 저항하기 위해 설치하는 부재
    
    
• 바닥, 벽체
  • 바닥
    - 데크 플레이트(deck plate) : 골함석 모양으로 형성된 철판 바닥판으로,
      철골구조물의 보 위에 데크플레이트를 깔고 콘크리트를 타설하면 공기가 빨라진다.
    
    - PC슬래브 : PC판 또는 ALC판을 철골구조물 보 위에 깔고, 시멘트 모르타르를 3cm 이상 바른다.
      이 때, PC판 사이의 줄눈에는 철근으로 보강하고, 시어 커넥터를 설치한다.
    ※시어 커넥터 (Shear connector) : 전단력에 저항하기 위해 설치하는 것
    
    - 커버 플레이트는 플렌지플레이트의 위아래의 바깥쪽에 붙이는 강판 (최대 4장)
      베이스 플레이트는 기둥의 하중을 지지하고 분산하며, 스티프너로 보강한다.
     ※스티프너(Stiffener) : 웨브의 좌굴을 방지하는 보강재
    
    
  • 벽체
    - 금속 커튼월 : 알루미늄 등의 경량 금속재를 이용한 건식구조
    ※멀리온(mullion) : 커튼월을 위한 보 같은 것
    
    - PC 커튼월 : 외장재로 공장에서 제작된 PC판을 사용,
      외장타일이 이미 부착된 것을 반입하여 사용하는 경우가 많다.
    
    - 내벽 : 내화구조로 해야 하며, 경량화와 건식구조를 위해 석고보드 칸막이병이 사용된다.
    
    
  • 내화피복
    - 철 강재는 섭씨 538도에서 탄성이 반감되므로 내화피복은 필수적이다.
    - 일반적으로 주요 구조부는 3~4시간의 내화성능을 가지도록 피복을 입혀야한다.
    
    내화피복구법
    - 뿜칠 : 스프레이건으로 뿌린다. 쉽지만 관리가 어렵고, 공기 오염의 원인이 된다.
    - 도포 : 플라스터나 모르타르를 라스 위에 도포한다. 싸고 마감을 겸할 수 있지만 어렵다.
    - 타설 : 경량/휘석 콘크리트를 타설, 양생에 시간 소모, 균열 발생 쉬움
    - 성형판 : ALC판이나 규산칼륨판을 붙임. 모서리 파손이나 균열 등에 의한 손실
    - 조적공법 : 벽돌, 블록을 쌓는다.
    - 멤브레인 : 암면흡음판으로 내화피복과 마감재로서 작동한다.
    ※플라스터(Plaster) : 석고or석회 + 물 + 모래 등의 혼합물
    
    
  • 방청도장
    - 강재는 녹이 슬게 되므로, 방청도장을 통해 녹막이를 한다.
    - 콘크리트 매설부분, 밀착 조립 부분, 현장 용접 부분, 고력볼트 접합부분은 방청도장을 하지 않는다.

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2. 기타 구조

철골 구조와 관련되었으나, 다른 재료들이 부가적으로 사용된 구조 시스템

• 철골철근콘크리트구조 (Steel Reinforced Concrete, SRC)
  - 철골 주변에 철근콘크리트를 타설하여 열변형, 하중 등의 문제를 해결한 구조 시스템이다.
  - 철골 부분에는 H형강, H형강을 용접한 허니콤, 십자형 H형강을 많이 사용한다.
  - 철골부재에 대한 피복 두께는 10cm 이상으로 하는 경우가 많다.
  - 커브 수평 스티프너를 설치할 경우, 콘크리트 타설이 곤란할 수 있다.
    3각 스티프너나 밴드 플레이트를 많이 이용한다.
  - RC구조에 비해 인장력이 커 내진에 우수하지만 단가가 높다.
  - 25층 이하 건물에 많이 사용된다.
  
  
• 강관구조
  - 강관은 휨, 비틀림, 좌굴 등에 높은 강도를 가지고 있어 넓은 공간이 필요한 곳에 많이 활용된다.
  - 직접 용접 또는 고력 볼트 접합 등으로 접합이 간단하다.
  - 그러나, 강관을 정확하게 가공하는데 고도의 기술이 필요하다.
  
  
• 경량철골구조
  - 경량형강을 주요 구조부조로 사용한 것으로, 중소 규모의 건축물에서 내화성능을 위해 사용한다.
  - 품질이 안정되고, 단면 2차 모멘트가 커서 큰 응력을 견딜 수 있다.
    또한, 가공이 용이하고 볼트, 리벳, 용접 등 모든 방법을 적용할 수 있다.
  - 그러나, 얇기 떄문에 뒤틀림이나 좌굴이 생기기 쉽고, 결로 대비도 해야한다.