건축의 철골 각 부 구조 형식 - 철골 골조의 구성, 보, 기둥, 접합부

1. 철골의 각 부 구조

(1) 골조의 구성

1) 골조 형식

- 철골 구조의 골조를 구성하는 형식은 트러스 구조 형식과 라멘 구조 형식이 있다.
- 트러스는 각 부재를 고력 볼트나 용접이 아닌 볼트로 연결하여 힌지로 작용시킨다. 그래서 트러스를 구성하는 모든 부재는 인장력 또는 압축력만 부담한다.
- 라멘 구조는 기둥과 보의 접합부를 용접이나 고력 볼트로 접합하여 외력에 저항한다. 수평 하중에 의한 변형이 크거나 접합부의 강성이 작을 때에는 벽면에 가새나 철근 콘크리트의 내진 벽을 배치하여 수평 강성을 높인다. 기둥과 보를 직각으로 교차시킨 것을 직사각형 라멘이라 하고, 보의 중간을 산의 모양으로 만든 것을 산형 라멘이라고 한다.

< 트러스의 골조 세우기 순서 >

A. 기둥 위에 트러스를 걸치고 기둥과 트러스의 접합부를 버팀대로 보강하여 주 트러스를 만든다.
B. 주 트러스를 3~5m 간격으로 세우고 처마 도리나 용마루 연결 보, 중도리 연결 보로 연결한다.
C. 벽과 지붕에 가새를 설치한다. 가새는 수평 하중에 대하여 인장력으로 지지하기 위한 구조 부재이다.
D. 지붕틀 아래에 수평 트러스를 설치하고 박공 면에 내풍 트러스를 설치한다.

2) 골조의 부재

- 골조의 부재는 단일재와 조립재로 나눈다. 단일재는 형강이나 강관을 있는 그대로 이용한 부재이며 그 종류는 등변 L형강, I형강, ㄷ형강, 강관이 있다. 조립재는 접합이나 용접을 통해 조합한 부재이며 그 종류는 강판 용접, H형강 가공, 평강 용접, L형강과 거싯 플레이트의 리벳 접합한 것 등이 있다.
- 골조의 부재는 역학적인 성질에 따라서 휨 재, 인장 재, 압축 재로 나눌 수 있다.

(2) 보

-보는 휨 모멘트에 저항하는 부재이기 때문에 휨 모멘트에 유리한 I형태의 단면이 많이 사용된다.
- 보에서 휨 모멘트를 주로 받는 부분을 플랜지라고 하며, 전단력을 받는 부분을 웨브라고 한다.
- 단일재를 사용하는 형강 보와 조립재를 사용하는 조립 보가 있다.

1) 형강 보

- 형강 보에는 I형강과 H형강이 사용된다.
- 힘을 많이 받게 하기 위해서 플랜지의 상부와 하부에 커버 플레이트를 붙여 사용한다.
- 보의 폭은 스팬의 1/18~1/20정도가 자주 사용된다.
- H형강의 웨브를 절단하여 웨브에 육각형의 구멍이 생기도록 하여 용접해서 만든 허니콤 보는 강재량에 비해 단면의 성능이 좋아서 개구부를 덕트의 배관 등에 이용할 수 있다.

2) 플레이트 보

- 커버 플레이트의 크기는 작용하는 휨 모멘트에 따라 결정된다. 크기가 다른 모멘트가 작용하는 보에서는 플레이트의 수를 조절하여 경제적인 설계를 해야 한다.
- 웨브 플레이트는 전단력의 크기에 따라 결정된다. 너무 얇으면 좌굴의 위험이 있으므로 두께는 6mm 이상으로 해야 한다.
- 웨브의 두께가 폭에 비해 얇을 때 웨브의 국부 좌굴을 방지하기 위해 스티프너를 사용한다. 수평 스티프너와 중간 스티프너보다 하중점 스티프너를 설치하는 경우가 많고, 보의 굴곡진 부분과 헌치의 끝 부분은 응력의 방향이 급변하므로 스티프너를 설치해야 한다.

3) 트러스 보

- 플레이트 보의 웨브 부분의 사재와 수직재를 거싯 플레이트로 플랜지와 조립한 부재이다. 트러스 보에는 모든 하중이 압축력과 인장력으로 작용한다.

4) 래티스 보

- 트러스 모양으로 만든 보이다. 웨브에 형강을 사용하지 않고 평강을 사용하여 플랜지 부분과 직접 접합시켜 만든다. 래티스 보는 힘을 많이 받는 곳에는 사용하지 않는다.

5) 이음

- 이음은 응력이 작은 부분에 해야 한다.

(3) 기둥

- 기둥은 압축력을 받는 부재이다.
- 단일재를 사용한 기둥에는 I형강이나 H형강을 사용하는 형강 기둥이 있고, 조립재를 사용한 기둥에는 플레이트 기둥, 트러스 기둥, 래티스 기둥 등이 있다.
- 기둥에서는 휨 모멘트의 방향이 일정하지 않기 때문에 각형이나 원형이 좋지만 접합부를 가공하는 것이 어렵다.
- 기둥을 이음도 응력이 작은 부분에 해야 하며, 시공하기 편리하게 하기 위해 각 층의 바닥에서 1m 정도의 위치에 하는 것이 좋다. 고력 볼트 용접과 고력 볼트 이음을 사용한다.

(4) 접합부의 구조

- 철골 구조는 공장에서 가공되어 제작된 부재를 공장이나 공사 현장에서 접합하는 가구식 구조이기 때문에 접합부의 설계가 중요하다. 접합부의 설계에 따라 골조 전체의 안전성과 경제성, 시공성 등에 큰 영향을 미치기 때문이다.

1) 기둥과 기초의 접합

- 철골 구조의 기초는 철근 콘크리트 구조와 같으며 그 위에 철골 주각을 올려놓고 앵커 볼트를 사용하여 고정시킨다.
- 주각은 기둥이 받는 힘을 기초에 전달하는 부분이다. 주각은 베이스 플레이트, 리브 플레이트, 윙 플레이트로 구성된다.
- 용접하여 조립하는 주각에서 리브 플레이트는 베이스 플레이트의 변형을 막는 역할을 하며 기둥과 베이스 플레이트의 접합을 돕는다.
- 볼트 등으로 조립하는 주각에서 윙 플레이트는 기둥의 하중을 분산시켜 베이스 플레이트에 전달하는 부재이다.
- 앵커 볼트는 지름 16~36mm를 사용하며, 매립하는 깊이는 볼트 지름의 30~40배가 적당하다.

2) 기둥과 보의 접합

- 기둥과 보는 주로 고력 볼트나 용접을 통해 접합한다.
- 시공하기 편리하고 공사 기간을 단축시키기 위해 공장에서 보의 일부를 기둥에 접합하고 현장에서 나머지 보와 고력 볼트로 잇는 브래킷 형 접합을 사용한다.
- 현장에서 접합할 때에는 고력 볼트의 웨브 부분을 먼저 기둥에 접합한 뒤에 용접을 하거나, 고력 볼트만 사용하거나, 보강판을 사용하여 접합한다.