강재의 기본적인 특성

강재는 건축물을 짓는데 다양한 용도로 사용됩니다. 특히 콘크리트구조물에 배치되는 철근과 구조용 강재와 같이 구조적인 용도로 중요한 역할을 담당하는 재료입니다. 여기서는 강재의 기본적인 특성을 살펴보겠습니다.

 

■ 강재의 종류

■ 형강의 종류

■ 강구조(철골)공사 수량 산출

 

강재의 성분

강재는 철(Fe)이 주체로서 전체 구성성분의 98% 이상을 차지하고 소량의 탄소(C), 망간(Mn), 규소(Si) 및 불순물로서 인(P), 황(S) 등이 섞어 있는 재료입니다.

 

일단 평면상으로 본다면 철은 일정한 간격으로 격자 형태로 배치되어 있습니다. 이 격자구조의 배치는 강재의 역학적인 성질을 이해하는데 매우 중요합니다.

 

만일 강재에 외력이 작용한다면 철 원자의 위치가 어긋나게 됩니다. 아래쪽 왼편에 있는 그림을 보시면 외력을 받아 철 원자의 위치가 조금씩 어긋나 있는 것을 볼 수 있습니다.

 

 

그런데 이때 외력을 제거한다면 원자들 사이에 작용하는 힘이 균형을 이루는 위치로 다시 복구가 됩니다. 따라서 맨 위쪽에 있는 그림처럼 격자배치로 다시 되돌아가게 됩니다. 이렇게 강재는 원자가 규칙적인 격자배치를 이루고 있기 때문에, 일정한 수준의 외력까지는 탄성적인 성질을 보이게 됩니다.

 

■  탄성과 소성

■  강도와 강성, 취성과 연성

 

그런데 외력이 더 크게 작용해서 탄성적인 작용의 범위를 넘어서는 크기로 작용한다면, 위쪽 오른쪽에 있는 그림((다) 소성 변형)처럼 원자의 위치가 이동하게 됩니다. 즉 자신보다 한 열 옆에 있던 원자의 위치로 이동하게 됩니다. 이렇게 이동하게 되면 원자의 격자 배치가 다시 균형을 이루기 때문에 원래의 상태로 되돌아가지 못하게 됩니다. 보통 이 경계점을 항복점(Yield point)이라고 부릅니다. 항복점은 탄성 영역에서 소성 영역으로 넘어가는 경계점을 의미합니다.

 

강재의 역학적인 성질을 나타내는 응력-변형도 곡선을 보면서 위에서 설명한 내용을 다시 음미해 보시기 바랍니다. 아래의 응력변형도 곡선은 콘크리트와 강재를 각각 나타냅니다. 강재를 보시면 하중이 가해지는 초기에서 직선으로 변하는 탄성적인 성질을 보이다가 어느 한도를 넘어서면 소성 구간으로 곡선으로 변하는 것을 볼 수 있습니다.

 

 

탄소의 역할

강재에는 철 이외에도 다양한 원소가 포함되는데, 그중에서 특히 탄소의 포함 정도에 따라 강재의 역학적인 성질이 매우 달라집니다.  탄소의 함유량의 증가하면 항복점, 인장강도, 경도 등이 증가하고, 신율, 수축율, 연성은 감소하는 특성을 보입니다. 왜 그럴까요?

 

 

위 그림을 보시면 철 원자의 격자구조 속에 탄소 원자가 자리잡고 있는 모습을 볼 수 있습니다. 이렇게 탄소 원자가 있으면 원자들 사이의 인력이 크게 작용하게 되기 때문에 역학적인 성질이 대부분 향상됩니다. 다만 탄소의 함유량이 너무 많아지게 되면 취성이 크게 때문에 아무리 강도가 높다고 해서 구조용으로 사용하기 어렵습니다. 따라서 구조용 강재는 탄소의 함유량이 일정 한도를 넘지 않는 탄소강의 범위 제품을 사용합니다.

 

보통 탄소량이 0.03 이하가 되면 연철(Iron)이라고 하고,

탄소량이 1.7 이상이 되면 주철(Cast iron)

그 사이의 범위(0.03∼1.7)를 탄소강(Steel)이라고 합니다.

 

즉, 우리가 보통 부르는 강철은 강(Steel)과 철(Iron)을 합쳐서 부르는 말입니다.

 

이 외에도 규소(Si)의 양이 증가하면 인장강도, 항복점 증가합니다.

 

인(P)이나 황(S) 같은 불순물은 강재에 성질을 나쁘게 만들기도 하는데, 인은 강재의 내후성을 향상시키기는 하지만, 용접성이나 냉간가공, 충격성이 저하되고, 황은 온도취성, 연신율, 강도, 충격성이 저하됩니다. 따라서 황은 0.05%이하로 규제하고 있습니다.

 

철근 제품의 경우에도 용접용 철근은 인이나 황의 성분을 일정 한도 이하가 되도록 규정하고 있습니다.

 

강재의 역학적 성질

보통 강재의 물리적 성질(20-100℃에서의 값)은 대략 다음과 같습니다. 

탄성계수는 탄성계수는 콘크리트의 약 10배 정도이며, 대략 206,000N/mm²가 됩니다. 

선팽창계수는 콘크리트(7∼14 X 10-6와 유사한 값을 보여서, 콘크리트 속에 철근을 넣은 구조물을 만들어서 서로 떨어지지 않고 잘 부착된 상태로 유지됩니다.

 

■  철근과 콘크리트의 궁합

■  철근의 형상과 재질

■  강재의 종류

 

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