강구조(철골) 도면의 이해/ 강구조 계획

강구조도면을 어떻게 표현하는지, 그리고 일반적인 강구조 구조계획에 대해 살펴보겠습니다.

 

강구조 도면의 일반적인 표기

아래 그림은 강구조도면의 일부를 발췌한 것입니다. 기둥은 SRC기둥으로 되어 있고, 기둥과 기둥을 연결하는 큰보(Girder)는 모멘트접합으로, 큰보와 큰보 사이를 연결하는 작은보(Beam)는 핀(Pin)접합으로 표현되어 있습니다. 모멘트접합과 핀접합은 다음 블로그를 참고하시기 바랍니다.

 

▶ 모멘트접합과 전단접합

 

 

기둥

위 도면에서 위쪽에 있는 기둥 SC1으로 표기되어 있는데, 강재기둥이라는 의미로 SC(Steel Column)라는 기호를 사용하고 있습니다. 부재일람표에서 SC1의 크기를 확인해보면 H-300×300×10×15가 사용된 것을 알 수 있습니다. 

 

▶ [건축재료/강재] 형강의 종류

 

 

앞의 숫자인 300×300은 각각 웨브의 높이와 플랜지의 폭을 의미하기 때문에 이 기둥부재는 웨브의 높이와 플랜지의 폭이 같은 장방형 단면의 부재인 것을 알 수 있습니다. 이런 부재를 보통 광폭계 H형강이라고 합니다. 보에 사용하는 H형강은 보통 플랜지의 폭보다는 웨브의 높이가 높은 것을 사용하는데, 기둥은 플랜지의 폭이 넓어서 웨브의 높이와 거의 비슷한 것을 쓰기 때문에 광폭계 계열이라고 부릅니다. 

 

기둥에 사용하는 강재는 SM강재로 항복강도가 490인 강재를 사용하는 것을 알 수 있습니다. SM 강재는 용접구조용 강재로 기둥은 주로 용접하는 방식으로 부재를 연결하기 때문에 용접구조용 강재를 주로 사용합니다. 

 

▶ [건축재료/강재] 강재의 종류

 

그리고  부재의 항복강도를 보면 기둥부재의 항복강도가 더 높은 것을 사용하는 것을 알 수 있습니다. 일반구조물은 슬래브에 데크플레이트를 깔고 콘크리트를 타설하기 때문에 건물이 무거운 편이고 축하중을 많이 받게 됩니다. 그리고 기둥은 축하중인 압축력을 주로 부담하게 되는데, 강도가 높은 것을 사용할수록 기둥 부재의 크기를 줄일 수 있기 때문에 강도가 다소 높은 것을 사용하는 편입니다.

 

기둥의 방향 - 강축방향을 힘을 많이 받는 방향으로

H형강은 X 축과 Y축 방향에 따라 형상이 동일하지 않기 때문에 축방향에 따라 힘을 받는 능력이 달라집니다. 따라서 기둥을 배치할 때는 강축방향을 힘을 많이 받는 방향으로 배치하게 됩니다. 강재는 강축방향이 정해져 있기 때문에 힘을 많이 받는 보에 면하게 설치해야 합니다. 4면이 모두 보에 접하는 내부기둥은 휨모멘트가 크게 작용하지 않고, 양쪽 모멘트의 차이만큼 불균형모멘트만 부담하면 됩니다. 그렇지만 위 도면에서 보면 세로방향으로는 불균형모멘트가 크기 때문에, 강축은 세로방향으로 둔 것을 알 수 있습니다. 

 

기둥과 큰보(Girder)의 접합

앞에서 말씀드린 것처럼 기둥과 큰보는 강접합을 많이 사용합니다. 강접합이 되면 골조(강접골조, 모멘트저항골조, 강성골조)가 되는데, 중력하중뿐 아니라 수평하중(지진이나 풍하중)을 지지할 수 있습니다. 강접합은 큰보를 브라켓 형태로 기둥에 용접을 하는 방식을 사용합니다.  공장에서 큰보를 1m 정도로 잘라서 기둥에 용접해서 붙이고, 현장에서는 이 브라켓과 나머지 보를 볼트로 용접해서 연결하는 방식을 사용합니다.

 

 

모서리 기둥은 4면에 보가 있는 것이 아니라 2면만 보가 연결되어 있기 때문에 휨모멘트가 크게 작용하게 됩니다. 따라서필요에 따라서는 강접합이 아닌 핀접합으로 처리할 수도 있습니다. 양쪽 다 핀접합으로 설계하면 기둥이 순수한 압축재가 되기 때문에 기둥의 크기를 줄일 수 있는데, 다만 양쪽 보에 작용하는 중앙부의 휨모멘트의 크기가 커지기 때문에 부재의 크기가 커질 수 있고 횡력에도 저항을 할 수 없게 됩니다.

 

큰보(Girder)의 배치

강구조에서 보는 응력과 처짐을 모두 계산해야 하는데, 장스팬으로 갈수록 처짐이 지배적인 경우가 많습니다. 등분포하중이 작용하는 단순보의 경우 보의 춤이 경간을 21로 나눈 값(H> L(경간)/21)보다 크다면 처짐검토를 하지 않아도 된다고 규정하고 있는데, 이 정도의 가정단면을 사용하면 처짐기준을 거의 만족한다고 할 수 있습니다.

 

기둥의 경우는 용접으로 이음을 하는 경우가 많기 때문에 SM강재를 많이 사용하지만, 보에서는 SM강재를 사용하지 않고 SS강재를 사용하는 경우가 많습니다. 그리고 보에서는 고강도강재를 사용하지 않는데, 장스팬으로 갈수록 처짐이 지배적인 경우가 많기 때문에 처짐에 대응하기 위해서는 탄성계수를 크게 하는 것이 더 유리합니다. 탄성계수는 고강도가 된다고 해도 커지지 않기 때문에 용접용 고강도 철근을 사용할 필요가 없습니다. 기둥의 경우 강재가 압축력을 부담하기 때문에 고강도강재를 사용하면 기둥의 크기를 줄일 수 있어서 유리하지만 보에서 그렇지 않습니다.

 

작은보(Beam)의 배치

작은보는 단순보의 형태로 지점을 배치하고,  따라서 휨재로서의 성능을 극대화하기 위해 보춤이 높은 부재를 사용합니다.

 

위 부재리스트를 보시면 SG2가 큰보(Girder)이고, 중간에 설치하는 SB1이 작은보(Beam)임에도 불구하고 동일한 크기의 H형강을 사용하는 것을 알 수 있습니다.  큰보(Girder)의 경우 강접합이 되어 있기 때문에 중앙부의 휨모멘트가 작아져서 부재의 크기가 작아질 수 있습니다. 그런데 구조설계자의 경우에는 작은보와 같은 사이즈로 만들어주는 경우가 많이 있습니다. 

 

일반적으로 기둥은 양방향으로 동일한 강성을 부여하기 위해 광폭계열을 사용하는데, 작은보는 플랜지의 폭보다는 웨브의 높이가 높은 I형강에 가까운 형태가 사용되는 것을 알 수 있습니다.

 

 

작은보는 보통 단변방향을 나누는 방식으로 즉 장변방향을 따라서 작은보를 설치하는 식으로 많이 배치합니다. 

도면의 예시에서 볼 수 있는 것처럼 화살표는 데크플레이트를 설치하는 방향을 나타냅니다. 

 

 

작은보의 배치는 데크플레이트의 배치를 고려해서 배치하게 됩니다. 데크플레이트는 3.5m 이내가 되면 동바리를 설치하지 콘크리트를 타설할 수 있습니다. 위 도면에서는 단변이 3,250이 되도록 작은보를 설치해서 단변의 길이를 분절한 것을 볼 수 있습니다. 이렇게 3.5m 이내로 걸쳐야 동바리를 설치하지 않아도 되고 시공성을 좋게 할 수 있습니다. 

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