건축 철골 구조의 개요 및 접합 방법 - 철골 구조 1

1. 철골 구조의 개요

  (1) 개요

- 보, 기둥 등을 강재를 이용하여 만든 구조이다.

- 각종 형강 등의 강재를 용접, 고력 볼트, 리벳 등을 사용하여 접합하여 조립한 구조이다.

- 구조용 강재는 인장과 압축에 뛰어난 저항력을 발휘하는 우수한 구조 재료이다.

- 철골 구조는 고층 건물에 적합하여 스팬을 길게 할 수 있다.

- 내화력이 약하고 녹슬 염려가 있어서 피복을 주의해서 해야 한다.

    1) 재료상 분류

- 보통 형강 구조, 경량 철골 구조, 강관 구조, 케이블 구조 등

    2) 구조 형식상 분류

- 라멘 구조, 가새 골조 구조, 튜브 구조, 트러스 구조 등

  (2) 철골 구조의 재료

- 강재의 기계적 성질과 물리적 성질은 구조물의 강도를 결정하는 매우 중요한 재료적인 성질이므로, 인장 시험 및 충격 시험 같은 표준화된 재료 실험을 해야 한다.

- 기계적 성질을 알아보기 위해서는 응력-변형도 곡선을 이용한다.

    1) 강재의 성질

- 강은 철광석을 녹여 불순물을 제거하고 첨가물을 첨가하여 원하는 강도로 만들어지며 탄소 함유량에 따라 강도가 달라진다.

- 강재의 종류는 주로 인장 강도에 따라 분류된다.

강재의 응력-변형도 곡선

 

- a까지는 탄성 구간으로 훅의 법칙이 성립되며 재료의 항복이 시작되는 점이 항복점이다.

-c까지는 소성 구간이다. 소성 구간 이후에 다시 응력을 받으면 변형되기 시작하는데 이 구간을 변형도 경화 구간이라고 한다.

-d 지점에서 최대 응력을 발휘한다.

    2) 건축 구조용 강재의 종류

- 건축 구조에 쓰이는 일반 구조용 압연 형상은 KS 기준으로 정해져 있다.

- 압연 형강, 경량 형강, 강관 등이 사용되고 있다.

- H형강이 가장 많이 사용되는 형강으로 단면의 치수 법은 H-A(웨브의 춤) x B(플랜지의 너비) x t1(웨브의 두께) x t2(플랜지의 두께)로 표시하며 단위는 mm이다. H형강은 플랜지의 두께가 일정하게 유지되며 단면 성능이 우수하며 접합 등의 시공성이 우수하다.

- I형강은 형태가 H형강과 비슷하지만 플랜지의 두께가 안쪽에서 외부로 점차 줄어드는 형상을 가진다.

 

[ 허용 응력도 ]

- 강재의 강도는 항복점 강도와 인장 강도의 70%를 비교하여 작은 값을 기준으로 사용한다.

- 허용 응력도는 강재에 허용 가능한 강도를 정해 놓은 것으로 강재 강도를 안전율로 나눈 값이다.

- 안전율은 응력의 종류나 재료의 용도에 따라 달라진다.

- 강재는 불연재지만 500℃ 정도에서 항복 강도가 현저하게 감소한다.

- 콘크리트의 경우는 재료의 특성이 균일하지 않지만 강재는 균일한 특성을 가지고 있으므로 강재 단면에 따른 허용 응력도나 좌굴 응력 등을 표로 정리해서 필요한 값을 찾아서 사용해야 한다.

 

[ 영 계수 ]

- 단위 변형도를 일으키는데 필요한 응력의 크기이다.

- 영 계수가 클수록 재료의 신축이 어렵다.

 

[ 푸아송 비]

- 재료가 인장 되거나 압축될 때 세로 변형도와 가로 변형도와의 비율이다.

 

2. 철골 구조의 접합 방법

  (1) 개요

- 철골 구조는 부재를 접합하여 뼈대를 구성하는 가구식 구조이다.

- 공장에서 제작한 부재를 현장으로 운반해서 조립하여 접합하여 구조를 완성한다.

    1) 롤러 지점

- 수직 방향의 힘에만 저항할 수 있고, 수평 방향의 힘과 회전력에는 저항할 수 없다. 교량 등에 사용된다.

    2) 핀 접합

- 수직 방향과 수평 방향의 힘에 저항할 수 있으나 회전력에는 저항할 수 없다.

    3) 강 접합

- 수직 방향과 수평 방향의 힘, 휨 모멘트에 대해 모두 저항할 수 있는 접합이다. 고력 볼트와 용접 등이 이용된다.

  (2) 접합의 종류 및 배치

    1) 리벳 접합과 볼트 접합

- 리벳 접합은 두 장 이상의 강판을 접합하는 방법이다. 강판에 리벳의 지름보다 1~1.5mm 정도 크게 구멍을 뚫고 800℃ 정도로 가열된 리벳을 넣은 후 해머 등으로 두드려 양 쪽에 같은 모양의 머리를 만들어서 죄는 방법이다.

- 볼트 접합은 강재에 구멍을 뚫어 볼트로 접합하는 방법으로 접합 방식은 리벳 접합과 같다. 볼트는 시공이 간편하고 해체하기 쉬워서 소규모 구조물에 사용하는데 볼트 구멍을 일치시키기가 어렵고 접합부의 변형이 잘 일어나는 단점이 있다. 또한 충격이나 반복 하중을 받는 부분과 대규모 철골 구조에는 적절하지 못하다.

- 볼트나 리벳의 접합 방식에는 전단 접합과 인장 접합이 있는데, 거싯 플레이트를 이용한 전단 접합이 가장 많이 사용된다.

- 전단 접합에는 1면 전단, 2면 전단이 있으며 인장 접합은 전용 접합 부재를 사용해야 한다.

    2) 고력 볼트 접합

- 고력 볼트 접합에서는 인장력이 매우 큰 볼트를 끼우고 접합부를 강하게 죄면 접합면에 생기는 마찰력으로 힘이 전달된다. 고력 볼트는 시공이 확실하고 소음이 적으나 단면이 결손 되는 단점이 있다.

    3) 리벳, 볼트, 고력 볼트의 배치

- 리벳, 볼트, 고력 볼트는 게이지 라인에 맞추어 규칙적으로 배치한다.

- 피치의 최소값은 지름 d의 2.5배 정도이다.

- 볼트의 구멍 지름은 볼트의 지름보다 0.5mm 크게 한다.

- 고력 볼트의 경우는 지름 27mm 이하에서는 고력 볼트의 지름보다 2.0mm 크게 하고, 지름이 27mm를 초과하면 고력 볼트의 지름보다 3.0mm 크게 한다.

    4) 용접

- 모재인 강재의 접합부를 고운으로 녹이고, 모재와 모재 사이에 용착 금속을 녹여 넣어 접합부를 일체로 만드는 방식이다.

- 다른 접합 방법에 비해 단면의 결손이 없으며, 덧판이나 접합 형강 등이 필요하지 않아서 경량이다.

- 접합부의 연속성과 강성을 확실하게 얻을 수 있으며 소음이 발생하지 않는다.

- 시공할 때 불꽃 등을 주의해야 하며 용접할 때의 열에 의한 변형이나 응력이 발생하는 단점이 있다.

 <용접 형식에 따른 분류>

- 맞댄 용접 : 용접할 모재와 모재의 전단면을 녹여 붙여 일체로 만드는 방법이다. 접합부 전장에 걸쳐 용접을 하는데 용접의 처음과 끝에서 결함이 생기기 쉬워서 엔트 탭이라는 보조판을 대어 용접한 후에 제거한다. 루트 부분은 아크가 강해서 녹아 떨어지기 쉬우므로 뒤 덧판을 대어 용접하고 용접이 불충분하여 루트까지 용입 되지 않았을 때에는 뒷면을 깎아 내고 뒤에서 다시 용접해야 한다. 루트 틈새가 너무 좁으면 슬래그 등에 막힐 염려가 있고 너무 넓으면 녹은 쇳물 방울이 흘러내려 작업하기 어렵다.

- 모살 용접 : 겹치기 이음과 T형 이음에서 사용된다. 모살 용접의 유효 다리 길이는 용접되는 두 부재중에서 얇은 모재 치수 이하로 해야 한다. 

- 모살 구멍 용접 : 모살 용접의 일종으로 겹치기 이음의 전단 응력 전달 및 좌굴 방지를 목적으로 주로 사용된다.

- 플러그 용접과 슬롯 용접 : 모살 구멍 용접과 같은 목적으로 사용되며 구멍은 완전히 메워야 한다는 차이가 있다. 용착부의 모양이 원형인 것을 플러그 용접, 좁고 긴 것을 슬롯 용접이라 한다. 

<용접 기구에 따른 용접 방법상의 분류>

- 아크 손 용접, 가스 실드 아크 용접, 그래비티 용접, 자동 용접 등이 있다.

- 강재의 용접 방법으로 이용하는 아크 용접은 전극 간에 발생하는 아크열로 용융시켜 모재를 접합하는 용접 방법이다.