ARE 5.0 건축사 시험 준비: 강구조 프레이밍의 핵심 강철 건물 프레임 설계에서 제작까지의 핵심 과정

건축가의 제도판 위 스케치에서 시작되는 강철 건물 프레임의 놀라운 여정을 함께 살펴봅시다. 초기 아이디어가 어떻게 정교한 구조 도면으로 발전하고, 제작자의 손을 거쳐 실제 강철 구조물로 탄생하는지 그 과정을 상세히 알아보겠습니다. 제작자의 역할, 연결부 설계, 그리고 최신 제작 기술까지, 강철 건물 프레임 제작의 모든 단계를 자세히 설명해 드리겠습니다.

더불어 3차원 모델링 소프트웨어를 활용한 새로운 접근법도 소개해 드립니다. 이 혁신적인 방식이 어떻게 건설 과정의 효율성을 높이고 있는지 알아보겠습니다.

 

이번 글에 포함된 건축 전문 용어: 

강철 건물 프레임 (steel building frame):
건물의 뼈대를 이루는 강철 구조물입니다. 이는 건물의 하중을 지지하고 형태를 유지하는 역할을 합니다.

구조 도면 (structural drawings):
건물의 구조적 요소들을 상세히 보여주는 기술 도면입니다. 기둥, 보, 바닥 시스템 등의 위치와 크기를 나타냅니다.

연결부 (connections):
강철 구조물의 여러 부분을 서로 연결하는 부위입니다. 볼트나 용접을 사용하여 연결합니다.

용접 (welding):
금속을 녹여 서로 붙이는 과정입니다. 고열을 사용하여 금속을 녹인 후 식혀 단단하게 접합시킵니다.

볼팅 (bolting):
볼트와 너트를 사용하여 금속 부품을 연결하는 방법입니다. 용접보다 쉽게 분해할 수 있는 장점이 있습니다.

기초 앵커 볼트 (foundation anchor bolts):
건물의 강철 구조물을 콘크리트 기초에 고정하는 데 사용되는 큰 볼트입니다.

작업장 도면 (shop drawings):
제작자가 만드는 상세한 도면으로, 각 부품의 정확한 치수와 제작 방법을 보여줍니다.

템플릿 (templates):
정확한 크기와 모양을 가이드하는 도구입니다. 여기서는 연결부 위치를 정확히 표시하는 데 사용됩니다.

플레이트 (plates), 앵글 (angles), 티 (tees):
강철 구조물에 사용되는 다양한 형태의 부품들입니다. 플레이트는 평평한 판, 앵글은 L자 모양, 티는 T자 모양의 강철 부품입니다.

펀칭 (punching):
금속 판에 구멍을 뚫는 과정입니다. 특별한 기계를 사용하여 빠르고 정확하게 구멍을 만듭니다.

캠버 (camber):
보나 거더를 살짝 위로 휘게 만드는 것입니다. 하중을 받았을 때 평평해지도록 하는 기술입니다.

플랜지 (flange):
I-빔이나 H-빔의 상하 수평부를 말합니다. 보의 강도를 높이는 역할을 합니다.

코핑 (coping):
보의 끝부분을 다른 부재와 잘 맞도록 잘라내는 과정입니다.

프라이머 도장:
강철 표면을 보호하고 본 도장의 접착력을 높이기 위한 기초 도장입니다.

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강철 골조 구조 (Steel Frame Construction) 

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건설 과정 (The Construction Process)

강철 건물 프레임 (steel building frame)의 시작은 건축가 (architect) 또는 엔지니어 (engineer)의 제도판 (drafting board)에 그려진 대략적인 스케치에서 비롯됩니다. 건물 설계 과정 (building design process)이 진행됨에 따라, 이 초기 스케치는 여러 단계의 도면 작업과 계산 과정을 거치며 발전하여 최종적으로 완성된 구조 도면 (structural drawings) 세트로 탄생하게 됩니다.

 

이 완성된 구조 도면에는 다음과 같은 정보가 정확하게 표시됩니다:

 

• 기둥 위치 (column locations)
• 프레임을 구성하는 모든 부재 (members)의 형태와 크기
• 각 부재에 작용하는 모든 하중 (loads)

 

그러나 이 구조 도면에는 포함되지 않는 중요한 정보들이 있습니다:

 

• 각 부재를 정확히 어떤 길이로 잘라야 연결되는 다른 부재들과 잘 맞는지에 대한 세부 사항
• 프레임의 일반적인 연결부 (connections)에 대한 상세한 정보
• 이러한 세부적인 정보들은 구조 도면의 후속 수령자인 제작자 (fabricator)가 추가로 작업하여 결정하게 됩니다.

 

*추가 설명:

'제도판 (drafting board)'은 건축가나 엔지니어가 설계도를 그리는 특별한 테이블입니다.

'구조 도면 (structural drawings)'은 건물의 뼈대를 보여주는 상세한 설계도입니다.

'부재 (members)'는 건물 구조를 이루는 개별적인 구성 요소들을 말합니다. 예를 들어, 기둥, 보, 트러스 등이 있습니다.

'제작자 (fabricator)'는 설계도를 바탕으로 실제 건축 자재를 만들고 조립하는 전문가를 의미합니다.

 

이렇게 건설 과정은 초기의 간단한 아이디어 스케치에서 시작하여 점차 세부적이고 정확한 정보를 담은 도면으로 발전하며, 최종적으로는 실제 제작과 시공으로 이어지는 복잡하고 정교한 과정입니다.

제작자 (Fabricator)

제작자의 주요 임무는 건설 현장에 추가 가공 없이 바로 조립 가능한 강철 구성요소들을 공급하는 것입니다. 이 작업은 제작자의 작업장에서 상세 도면 (detailed drawings)을 준비하는 것으로 시작됩니다. 이 도면들은 각 부품이 어떻게 제작될 것인지, 그리고 정확한 치수가 어떻게 될 것인지를 보여줍니다.

 

제작자는 엔지니어의 도면에 표시된 하중을 전달할 수 있는 연결부 (connections)를 설계합니다. 공인된 공학적 관행의 범위 내에서, 제작자는 가능한 한 경제적으로 연결부를 설계할 자유가 있습니다. 이때 사용 가능한 장비와 전문 지식에 가장 적합한 용접 (welding)과 볼팅 (bolting)의 다양한 조합을 활용합니다.

 

제작자는 또한 일반 시공업자 (general contractor)를 위한 도면도 준비합니다. 이 도면은 건물 기둥과 연결될 기초 앵커 볼트 (foundation anchor bolts)를 어디에 어떻게 설치해야 하는지, 그리고 건설 현장에서 강철 프레임을 조립하는 방법을 안내합니다.

 

완성된 제작자의 작업장 도면 (shop drawings)은 설계팀의 의도에 정확히 부합하는지 확인하기 위해 엔지니어와 건축가에게 제출되어 검토 및 승인을 받습니다. 한편, 제작자는 구조용 강철 부재를 제작할 원자재를 강철 생산업체에 주문합니다. (주요 보, 거더, 기둥은 대개 제철소에서 정확한 길이로 절단하여 주문됩니다.)

 

승인된 작업장 도면이 수정사항과 의견과 함께 설계팀으로부터 제작자에게 반환되면, 필요에 따라 수정이 이루어집니다. 그리고 작업자들이 실제 강철 부품에 다양한 연결부를 배치하는 데 도움을 주기 위해 카드보드나 나무로 만든 실물 크기의 템플릿 (templates)이 준비됩니다.

 

*추가 설명:

'제작자 (Fabricator)'는 설계도를 바탕으로 실제 건축 자재를 만들고 조립하는 전문가입니다.

'연결부 (connections)'는 강철 구조물의 여러 부분을 서로 연결하는 부위를 말합니다.

'용접 (welding)'은 금속을 녹여 붙이는 과정이고, '볼팅 (bolting)'은 볼트를 사용해 연결하는 과정입니다.

'템플릿 (templates)'은 정확한 크기와 모양을 가이드하는 도구로, 여기서는 연결부 위치를 정확히 표시하는 데 사용됩니다.

강철 부재의 제작 과정

연결부에 사용될 판 (plates), 앵글 (angles), 티 (tees)는 작업장으로 반입되어 가스 절단 토치, 전동 절단기, 톱을 이용해 크기와 모양에 맞게 절단됩니다. 템플릿을 이용해 볼트 구멍 위치가 표시됩니다. 판과 앵글이 특별히 두껍지 않다면, 펀칭 기계를 사용해 빠르고 경제적으로 구멍을 뚫을 수 있습니다. 매우 두꺼운 자재나 펀칭 기계에 맞지 않는 부품의 경우에는 펀칭 대신 드릴링을 합니다.

 

보, 거더, 기둥용 강철 자재는 천장 크레인이나 컨베이어 시스템을 통해 제작자의 작업장으로 운반됩니다. 각 부품에는 어떤 건물용인지, 건물 내 정확한 위치가 어디인지를 알려주는 코드가 스텐실이나 페인트로 표시됩니다. 작업장 도면을 참조하여 각 부품의 정확한 길이와 모든 구멍, 보강재, 연결부 등의 위치가 측정되고 표시됩니다.

 

제철소에서 이미 길이를 맞춰 자르지 않은 부재는 전동 톱이나 화염 절단 토치로 길이를 맞춥니다. 베이스 플레이트나 다른 기둥과 완전히 맞닿아야 하는 기둥 단면의 끝부분은 톱질, 밀링, 또는 페이싱 작업을 통해 정사각형 모양으로 만들고 완벽하게 평평하게 합니다. 기둥끼리 용접해야 하는 경우와 용접할 보와 거더의 경우, 플랜지 끝부분을 필요에 따라 비스듬히 깎습니다. 보의 플랜지는 필요에 따라 코핑 (coping) 처리를 합니다. 볼트 구멍은 펀칭하거나 드릴링합니다 (그림 11.43).

 

플라즈마 (고온 이온화 가스) 절단과 레이저 절단도 강철 제작에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이 두 가지 절단 장치는 디지털로 준비된 모델에서 부품을 완전 자동으로 절단하고 성형할 수 있는 기계로 구동될 수 있습니다.

 

필요한 경우, 보와 거더는 캠버 (camber, 약간 위로 휘어진 형태) 처리를 하여 하중을 받았을 때 직선으로 처지도록 합니다. 캠버링은 보를 영구 변형이 일어날 정도로 충분히 구부리는 유압 램을 사용하여 수행할 수 있습니다. 강철 형상은 또한 세 개의 롤러를 통과시켜 영구적인 곡률을 부여하는 대형 기계를 사용하여 부드러운 반경으로 구부릴 수도 있습니다 (그림 11.44).

 

보, 거더, 기둥의 제작 마지막 단계로, 필요에 따라 각 부품에 보강판을 아크 용접하고, 적절한 위치에 연결판, 앵글, 티를 용접하거나 볼트로 고정합니다 (그림 11.45). 가능한 한 많은 연결 작업을 도구 사용이 편리하고 접근이 쉬운 작업장에서 수행합니다. 이는 도구와 작업 조건이 덜 최적화되고 작업자 시간당 총비용이 더 높은 현장 조립 시 시간과 비용을 절약합니다.

 

플레이트 거더, 조립 기둥, 트러스 및 기타 대형 구성요소는 트럭, 철도 또는 바지선으로 건설 현장으로 운반할 수 있는 최대 크기의 단위로 작업장에서 조립됩니다 (그림 11.46). 대형 트러스와 같은 복잡한 조립품은 일반적으로 현장에서 원활하게 조립될 수 있도록 작업장에서 전체를 미리 조립한 다음 다시 운반 가능한 구성요소로 분해합니다.

 

부재가 완성되면 각각 곧게 펴고, 필요에 따라 청소하고 프라이머 도장을 한 후, 품질과 작업 명세서 및 작업장 도면 준수 여부를 검사합니다. 그 후 부재들은 크레인, 컨베이어, 트롤리 또는 지게차로 작업장에서 제작자의 야드로 옮겨져 건설 현장에서 필요한 순서대로 정리되어 쌓입니다.

대안적 접근법 (Alternative Approach)

전통적인 과정에서는 제작자 (fabricator)가 강철 연결부 (steel connections)의 최종 설계를 생산하고 이를 구조 엔지니어 (structural engineer)에게 검토를 위해 제출합니다. 그러나 이에 대한 대안으로, 구조 엔지니어가 3차원 모델링 소프트웨어 (three dimensional modeling software)를 사용하여 강철 연결부를 설계하고, 이 디지털 데이터를 제작자에게 제공하여 제작자의 자동화 장비를 구동하는 방식이 있습니다.

 

이 방법은 구조 엔지니어가 강철 연결부 세부 사항의 최종 설계에 대해 더 많은 책임을 져야 하지만, 동시에 여러 가지 이점을 제공합니다:

 

현장 도착 시간 단축 (shorten the time): 강철 자재가 건설 현장에 도착하는 데 필요한 시간을 줄일 수 있습니다.

 

조정 개선 (improve the coordination): 구조용 강철과 다른 건물 시스템 간의 조정을 개선할 수 있습니다.

 

이 대안적 접근법은 디지털 기술의 발전과 함께 건설 산업에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 이는 설계부터 제작, 시공까지의 과정을 더욱 효율적으로 만들어 시간과 비용을 절약하고 정확성을 높일 수 있습니다. 그러나 이 방식에서는 구조 엔지니어의 역할과 책임이 더욱 중요해지므로, 엔지니어들은 더 높은 수준의 전문성과 정확성이 요구됩니다.

*추가 설명:

'캠버 (camber)'는 보나 거더를 살짝 위로 휘게 만드는 것으로, 하중을 받았을 때 평평해지도록 하는 기술입니다.

'플랜지 (flange)'는 I-빔이나 H-빔의 상하 수평부를 말합니다.

'코핑 (coping)'은 보의 끝부분을 다른 부재와 잘 맞도록 잘라내는 과정입니다.

'프라이머 도장'은 강철 표면을 보호하고 본 도장의 접착력을 높이기 위한 기초 도장입니다."

이렇게 강철 건물 프레임의 제작 과정은 매우 정교하고 복잡한 과정으로, 정확성과 품질 관리가 매우 중요합니다.

 

이상으로 강철 건물 프레임의 설계부터 제작까지의 과정을 살펴보았습니다. 우리는 건축가의 초기 스케치에서 시작하여 구조 도면의 작성, 제작자의 역할, 그리고 실제 강철 부재의 제작 과정까지 자세히 알아보았습니다. 또한 3차원 모델링 소프트웨어를 활용한 새로운 접근법에 대해서도 논의했습니다.

 

다음 시간에는 steel frame construction의 핵심 단계인 'erection(조립)' 과정에 대해 자세히 알아보겠습니다. 현장에서 어떻게 이 거대한 강철 부재들이 조립되어 우리가 아는 건물의 형태로 만들어지는지, 그 흥미진진한 과정을 함께 살펴보겠습니다.

이번 포스팅에 다룬 내용에 대한 퀴즈: ARE 5.0 시험 준비

강철 건물 프레임의 구조 도면(structural drawings)에 일반적으로 포함되지 않는 정보는 무엇인가?

a) 기둥 위치

b) 부재의 형태와 크기

c) 각 부재에 작용하는 하중

d) 연결부의 상세한 정보

 

제작자(fabricator)의 주요 임무는 무엇인가?

a) 초기 구조 설계 수행

b) 건설 현장에서 강철 구조물 조립

c) 현장에서 바로 조립 가능한 강철 구성요소 공급

d) 구조 도면 작성

 

강철 부재의 제작 과정에서 캠버(camber) 처리의 목적은 무엇인가?

a) 부재의 무게를 줄이기 위해

b) 하중을 받았을 때 직선으로 처지도록 하기 위해

c) 부재의 강도를 증가시키기 위해

d) 운송 중 손상을 방지하기 위해

 

3차원 모델링 소프트웨어를 사용한 대안적 접근법의 이점이 아닌 것은?

a) 현장 도착 시간 단축

b) 다른 건물 시스템과의 조정 개선

c) 구조 엔지니어의 책임 감소

d) 제작 과정의 자동화 향상

 

강철 부재 제작 시 플라즈마 절단과 레이저 절단의 주요 장점은 무엇인가?

a) 더 저렴한 비용

b) 더 빠른 절단 속도

c) 디지털 모델에서 완전 자동화된 절단 및 성형 가능

d) 더 높은 강도의 강철 절단 가능

 

 

답변:

 

d) 구조 도면에는 일반적으로 기둥 위치, 부재의 형태와 크기, 하중 정보가 포함되지만, 연결부의 상세한 정보는 제작자가 추가로 설계합니다.

 

c) 제작자의 주요 임무는 현장에서 바로 조립 가능한 강철 구성요소를 공급하는 것입니다. 이는 상세 도면 준비부터 실제 제작까지의 과정을 포함합니다.

 

b) 캠버 처리는 보나 거더를 약간 위로 휘게 만들어, 하중을 받았을 때 직선으로 처지도록 하는 기술입니다.

 

c) 3차원 모델링 소프트웨어를 사용한 대안적 접근법은 오히려 구조 엔지니어의 책임을 증가시킵니다. 이 방법은 시간 단축과 조정 개선의 이점이 있지만, 엔지니어가 연결부 설계에 더 많은 책임을 져야 합니다.

 

c) 플라즈마 절단과 레이저 절단의 주요 장점은 디지털 모델에서 완전 자동화된 절단 및 성형이 가능하다는 것입니다. 이는 정확성을 높이고 생산 효율성을 개선합니다.