철골구조의 개요와 재료적 특성

철골구조의 개요

철근콘크리트 구조와 더불어 현대에 가장 많이 사용하는 건축구조이며, 경미한 가설구조에서부터 초고층구조 및 장스팬구조와 같은 대규모 구조에 널리 사용되고 있습니다. 현대 건축구조에서 필수적인 재료로 사용되는 철의 장점과 단점은 다음과 같습니다.

 

1. 철골구조의 장점

1) 고강도

강재는 비중에 비해 강도가 높아 골조를 경량화할 수 있기 때문에 고층건물 및 장스팬구조에 적합합니다. 가장 일반적으로 사용되는 콘크리트와 철의 강도에 대한 비중을 평가하면 다음과 같습니다. 여기서 콘크리트와 강재의 강도는 근래에 가장 일반적으로 사용되는 값을 적용하였습니다.

- 콘크리트 : 강도/비중=24MPa/2.4=10MPa/비중 1

- 강재 : 강도/비중=235MPa/7.8=30MPa/비중 1

2) 연성적 재료

일반적으로 구종용 강재는 재료의 항복 이후에도 더 많은 변형에 저항할 수 있는 특성이 있습니다. 따라서 지진하중에 효과적으로 저항할 수 있는 재료입니다.

3) 신뢰성

강재는 재료 자체가 균질하기 때문에 신뢰성이 매우 높습니다.

4) 공사기간

강구조의 경우 공장제작 현장설치의 공정으로 공사가 이루어지기 때문에 공사기간을 단축시킬 수 있습니다.

 

2. 철골구조의 단점

1) 내화성

강재는 고온에 노출되는 경우 강도가 급격하게 저하되기 때문에 건축물에 사용 시 반드시 내화피복이 필요합니다. 구조용 강재의 20~500℃ 범위의 기계적 성질은 250~300℃에서는 인장강도가 높아지고 연신율과 단면수축률 등이 작아지는 취화점이 있습니다. 이 현상을 청열취성이라고 합니다. 그 이상의 온도에서는 강도와 영계수가 저하하고 연신율과 단면수축률은 증대합니다. 대략 600℃ 근방에서 강도는 절반으로 떨어집니다. 또한 보통의 구조용 강인 경우 상온에서 -80℃까지는 인장강도가 높아지는 경향이 있지만 노치가 있는 경우 일정온도 이하에서 급격히 인장강도가 저하되는 성질이 있습니다.

2) 접합부

강구조의 경우 콘크리트와 같은 일체식 구조가 아니기 때문에 접합부가 반드시 필요하며, 이러한 접합부를 구성하는 데 많은 비용과 노력이 필요합니다.

3) 좌굴

강구조의 경우 재료적 효율을 높이기 위해 앏은 판으로 구성된 단면을 사용하기 때문에 항시 좌굴에 유의해야 합니다.

4) 피로

강재는 반복응력이 작용하는 경우 이에 따른 강도저하가 크게 발생됩니다.

 

강재의 재료적 특성

2.1 강재의 제법

철강재료는 제선 - 제강 - 조괴 - 압연의 과정으로 제조되며, 각 단계별 주요내용은 다음과 같습니다.

 

1. 제선(製銑)

고로(용광로) 속에서 코크스의 연소로 생성되는 일산화탄소에 의해 철광석에서 선철(銑鐵)을 만드는 과정

 

2. 제강(製鋼)

선철은 불순물, 특히 탄소를 3~4.5% 정도 함유하고 있으므로 인성이 부족합니다. 따라서 강재의 질을 저하시키는 탄소, 인, 황과 같은 원소들을 선택적으로 제거하고 강재의 성질을 개선시킬 수 있는 원소를 추가하는 과정입니다.

 

3. 조괴(造塊)

제강이 끝나 용융된 강을 꺼내어 주형에 주입하여 강괴를 만드는 과정입니다.

 

4. 성형[압연(壓延)]

강괴를 다시 가열하여 회전하는 롤러 사이를 여러 번 반복적으로 통과시켜 강도를 증가시키고 원하는 형태를 만드는 과정입니다.

 

2.2 강재의 기계적 성질

1. 강재의 응력-변형도 곡선

탄소강의 응력-변형도 곡선에서의 주요영역은 다음과 같이 4가지로 나눌 수 있습니다.

- 선형구간

- 소성구간

- 변형도 경화구간

- 네킹 및 파괴구간

탄소강의 응력-변형도 곡선상의 주요지점을 정리하면 다음과 같습니다.

 

1) 비례한계점

응력과 변형도가 선형비례하는 구간으로 후크의 법칙이 성립합니다.

2) 탄성한계

응력을 제거하면 잔류변형이 남지 않고 원래의 길이로 복귀가 되는 한계점으로 비례한계점과 탄성한계점 사이에 존재합니다.

3) 상항복점

4) 하항복점

응력의 증가 없이 변형도만 증가되는 시점으로 강구조 설계시 기준값 Fy 산정에 기본이 됩니다.

5) 변형도 경화 개시점

강재의 항목이 끝나고 다시 응력이 증가되는 개시점으로 이와 같은 응력의 증가현상을 변형도 경화현상이라고 합니다.

6) 인장강도

7) Necking 구간(파단점)

 

또한, 고강도 강재나 강관과 같이 소성가공된 강재 등에서는 응력-변형도 곡선상에 항복점이나 항복참이 나타나지 않습니다. 따라서 이와 같은 강재의 경우 0.2% offset 방법 또는 0.5% extension 방법 등에 의해 항복점을 찾아야 합니다. 국내에서는 0.2% offset 방법이 사용됩니다.

(1) 0.2% offset 방법

변형도 값이 0.2%인 곳에서 원래의 응력-변형도 곡선상의 기울기(탄성계수)와 동일한 기울기로 선을 그렸을 때 만나는 점을 항복점으로 합니다.

(2) 0.5% extension 방법

변형도 값이 0.5%인 곳에서 응력-변형도 곡선상에 수직선을 그었을 때 만나는 점을 항복점으로 합니다.

(3) 철근콘크리트 구조의 용접철망의 경우 냉간신선에 의한 변형도 경화로 항복강도가 400MPa을 초과하게 됩니다. 이러한 경우 철근콘크리트 기준에서는 변형도 0.0035(0.35%)에 상응하는 응력값으로 항복강도를 정합니다.