건축사 시험 준비: 바닥 및 지붕 데크 시스템의 종류와 특성 - 금속 데크, 콘크리트 데크, 합성 구조의 심층 분석

현대 건축에서 바닥 및 지붕 데크 시스템은 건물의 구조적 완전성과 기능성을 보장하는 핵심 요소입니다. 이 글에서는 다양한 데크 시스템의 유형, 특성, 그리고 적용 방법에 대해 심도 있게 살펴봅니다. 금속 데크, 합성 구조, 콘크리트 데크, 그리고 지붕 데크 등 각 시스템의 장단점을 분석하고, 이를 통해 건축가와 엔지니어들이 프로젝트의 요구사항에 가장 적합한 솔루션을 선택할 수 있도록 도와줍니다. 또한, 건축용 구조용 강재의 특수한 적용 사례인 AESS(Architecturally Exposed Structural Steel)에 대해서도 논의하여, 구조적 기능과 미적 요구사항을 동시에 충족시키는 현대 건축의 트렌드를 반영합니다. 이 종합적인 개요는 건축 전문가들에게 데크 시스템 선택에 있어 중요한 지침을 제공할 것입니다.

이번 글에 포함된 건축 전문 용어: 

데크 (Deck):
설명: 건물의 바닥이나 지붕을 구성하는 평평한 구조물입니다. 주로 금속이나 콘크리트로 만들어집니다.

불연성 재료 (Noncombustible material):
설명: 불에 타지 않는 재료를 말합니다. 건축에서는 안전을 위해 중요합니다.

강철 인장봉 (Steel tension rod):
설명: 구조물에 인장력(당기는 힘)을 가하는 강철로 만든 막대입니다.

금속 데크 (Metal Decking):
설명: 강철로 만든 얇은 판으로, 주로 건물의 바닥이나 지붕을 만드는 데 사용됩니다.

지간 능력 (Spanning capability):
설명: 구조물이 지지점 사이의 거리를 얼마나 멀리 둘 수 있는지를 나타내는 능력입니다.

셀룰러 데크 (Cellular decking):
설명: 주름진 시트와 평평한 시트를 결합하여 만든 데크로, 내부에 공간이 있어 전선 등을 숨길 수 있습니다.

퍼들 용접 (Puddle welding):
설명: 용접봉을 사용해 데크를 아래 지지 구조물에 직접 용접하는 방법입니다.

다이어프램 (Diaphragm):
설명: 건축에서 수평 하중을 분산시키는 역할을 하는 구조 요소를 말합니다.

합성 구조 (Composite Construction):
설명: 두 가지 이상의 재료(예: 강철과 콘크리트)를 결합하여 더 강한 구조를 만드는 방법입니다.

전단 스터드 (Shear stud):
설명: 강철 보와 콘크리트 슬래브를 연결하여 함께 작용하게 하는 작은 금속 막대입니다.

프리캐스트 콘크리트 (Precast concrete):
설명: 공장에서 미리 만들어 현장으로 운반되는 콘크리트 구조물입니다.

서브 퍼린 (Sub purlin):
설명: 지붕 구조에서 주요 보를 지지하는 작은 보입니다.

건축가 노출 구조용 강재 (AESS):
영어: Architecturally Exposed Structural Steel (AESS)
설명: 완성된 건물에서 보이는 구조용 강재로, 외관상 높은 품질이 요구됩니다.

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강철 골조 구조 (Steel Frame Construction) 

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바닥 및 지붕 데크 (Floor and Roof Decking)

건물 골조 시공 중 임시로 사용되는 널판지 데크는 반드시 불연성 재료로 만든 영구적인 바닥 및 지붕 데크로 교체되어야 합니다. 초기 철골 구조 건물에서는 보(beam) 사이에 얕은 아치형 벽돌이나 타일을 설치하고, 이를 강철 인장봉(steel tension rod)으로 연결한 뒤 콘크리트를 채워 평평한 표면을 만드는 방식이 자주 사용되었습니다 (그림 11.58 참조). 이 방식은 오늘날 일반적으로 사용되는 금속 데크 시스템보다 무거워서 그 무게를 지지하기 위해 더 큰 골조 부재가 필요했습니다. 또한 노동 집약적인 공법이었습니다.

 

금속 데크 (Metal Decking)

가장 기본적인 형태의 금속 데크는 강성을 높이기 위해 주름을 잡은 얇은 강철 판입니다. 데크의 지간 능력(spanning capability)은 주로 강판의 두께와 주름의 깊이 및 간격에 따라 결정됩니다. 또한 데크 시트가 단일형인지 셀룰러형인지에 따라서도 달라집니다.

단일 주름 시트 (Single corrugated sheets):
일반적으로 지붕 데크에 사용됩니다. 지붕에는 집중 하중이 크지 않고 처짐 기준이 바닥만큼 엄격하지 않기 때문입니다.
콘크리트 바닥 데크의 영구 거푸집으로도 사용됩니다. 이 경우, 철근 콘크리트 슬래브가 자중과 활하중을 지지할 수 있을 때까지 강철 데크가 슬래브를 지지합니다 (그림 11.59-11.61 참조).

셀룰러 데크 (Cellular decking):
주름잡힌 시트와 평평한 시트를 용접하여 제작합니다.
콘크리트 상부 마감 없이도 일반적인 바닥 하중을 지지할 수 있을 만큼 충분히 강성을 가질 수 있습니다.
전기 및 통신 배선을 위한 공간을 제공할 수 있어 중요한 부가적 이점이 있습니다.

 

금속 데크의 설치 방법:

퍼들 용접 (Puddle welding): 용접봉을 사용하여 데크를 통해 아래의 지지 부재까지 녹여 붙이는 방식입니다.
자동 천공 및 태핑 나사 (Self-drilling, self-tapping screws) 사용
화약식 타정총으로 박는 핀 (Powder-driven pins) 사용
데크가 다이어프램 역할을 해야 하는 경우, 데크 패널의 세로 가장자리를 서로 연결해야 합니다. 이때 나사나 용접을 사용하여 일정한 간격으로 연결합니다.

이렇게 설명된 금속 데크 시스템은 현대 건축에서 매우 중요한 역할을 합니다. 가볍고 설치가 쉬우며 다양한 용도로 활용할 수 있어 효율적인 건축 자재로 널리 사용되고 있습니다.

합성 구조 (Composite Construction)

합성 금속 데크(Composite metal decking)는 콘크리트 바닥 마감재와 함께 작용하여 강성이 높고 가벼우며 경제적인 데크를 만들도록 설계되었습니다 (그림 11.60 - 11.62 참조). 이 시스템에서 금속 데크는 콘크리트의 인장 보강재 역할을 합니다. 데크와 콘크리트의 결합은 금속 시트의 특수한 리브 패턴이나 주름 상부에 용접된 작은 강철봉 또는 와이어 메시를 통해 이루어집니다.

합성 구조는 종종 데크를 넘어 바닥 보(beam)까지 확장됩니다. 금속 데크 위에 콘크리트를 타설하기 전, 특수 전기 용접건을 사용하여 각 보의 상부에 전단 스터드(shear stud)를 몇 인치 간격으로 용접합니다 (그림 11.63 및 11.64 참조). 경제성만 고려한다면 전단 스터드를 현장이 아닌 공장에서 부착하는 것이 더 효율적일 수 있습니다. 하지만 철골 작업자들이 시공 과정에서 스터드에 걸려 넘어질 위험이 있기 때문에, 스터드 설치는 강철 데크가 제자리에 놓일 때까지 지연됩니다.

전단 스터드의 목적은 콘크리트 슬래브와 강철 보 사이에 강력한 전단 연결을 만드는 것입니다. 이를 통해 슬래브의 일부가 강철 형강의 상부 플랜지와 함께 압축력에 저항하는 것으로 가정할 수 있습니다. 두 재료의 합성 작용 결과, 강재 부재의 하중 지지 능력이 상대적으로 낮은 비용으로 크게 향상됩니다. 이는 어차피 시공에 필요한 콘크리트 상부 마감의 미사용 강도를 활용함으로써 가능해집니다. 결과적으로 더 강성이 높고, 가벼우며, 경제적인 골조를 얻을 수 있습니다.

콘크리트 데크 (Concrete Decks)

강철 건물 골조에서는 금속 데크와 콘크리트 충전 대신 콘크리트 바닥 및 지붕 슬래브가 자주 사용됩니다. 콘크리트는 제거 가능한 합판 거푸집 위에 현장 타설되거나, 건물의 금속 요소와 유사하게 들어 올려 설치되는 프리캐스트 콘크리트 플랭크(precast concrete plank) 형태로 시공될 수 있습니다 (그림 11.65 참조).

프리캐스트 콘크리트 데크의 장점:
상대적으로 가벼운 중량
콘크리트 타설이 어려운 날씨 조건에서도 빠른 시공 가능

단점:
일반적으로 매끄러운 바닥면을 만들기 위해 얇은 현장 타설 콘크리트 상부 마감이 추가로 필요함
이러한 콘크리트 데크 시스템은 각각의 장단점을 가지고 있어, 프로젝트의 특성과 요구사항에 따라 적절한 방식을 선택하게 됩니다. 현장 타설 방식은 일체성이 뛰어나지만 양생 시간이 필요하고, 프리캐스트 방식은 빠른 시공이 가능하지만 추가 작업이 필요할 수 있습니다. 건축가와 엔지니어는 이러한 특성을 고려하여 최적의 시스템을 선정합니다.

지붕 데크 (Roof Decking)
저층 철골 구조 건물의 지붕에는 다양한 종류의 데크가 사용될 수 있습니다. 이러한 데크 시스템은 건물의 상부를 보호하고 지지하는 중요한 역할을 합니다. 주요 옵션들은 다음과 같습니다:

주름진 금속 데크 (Corrugated metal):
콘크리트 충전 유무와 관계없이 사용 가능
단열재 보드를 주름 위에 설치하여 평평한 표면 형성 가능
일부 주름진 데크는 내후성 코팅으로 마감되어 지붕의 방수층 역할 수행

 

단열 데크 보드 (Insulating deck boards):
목재 섬유 또는 유리 섬유를 포틀랜드 시멘트, 석고, 유기 결합제로 접착하여 제작
많은 경우 석고 또는 경량 콘크리트 슬래브를 위한 영구 거푸집으로 설계됨
일반적으로 강철 서브 퍼린(steel sub purlin)에 의해 지지됨 (그림 11.66 및 11.67 참조)

중목 데크 (Heavy timber decking):
건축 법규가 가연성 재료를 허용하는 경우 사용
목재 장선(wood joist)과 합판 덮개(plywood sheathing)도 사용 가능
산업용 건물의 외벽에는 주름진 강철 시트가 자주 사용됩니다. 이러한 시트는 거트(girt)라고 불리는 수평 Z형 또는 채널 형태의 부재에 의해 지지되며, 이 거트는 건물의 외부 기둥 사이를 연결합니다 (그림 11.80 참조).

건축용 구조용 강재 (Architectural Structural Steel)
완성된 건물에서 구조용 강재 부재가 노출되고 높은 수준의 외관 품질이 요구되는 경우, 건축가 노출 구조용 강재(Architecturally Exposed Structural Steel, AESS)로 지정될 수 있습니다. AESS 사양에는 다음과 같은 특별 요구사항이 포함될 수 있습니다:

용접부의 정교한 마감 처리
부재 간 연결부의 더 엄격한 공차 기준
제작 과정에서 강재에 생긴 표시 제거
고품질 마감재 적용
기타 미적 고려사항

이러한 AESS 사양은 구조적 기능뿐만 아니라 시각적 품질도 중요한 프로젝트에서 사용됩니다. 예를 들어, 현대적인 로비나 오픈 플랜 오피스 등에서 구조 요소를 디자인의 일부로 활용하고자 할 때 적용됩니다.

이러한 다양한 지붕 데크 및 구조용 강재 옵션은 건축가와 엔지니어에게 프로젝트의 요구사항에 맞는 최적의 솔루션을 선택할 수 있는 유연성을 제공합니다. 각 옵션은 고유한 장단점을 가지고 있으며, 건물의 용도, 위치, 예산, 미적 요구사항 등을 종합적으로 고려하여 선택해야 합니다.

바닥 및 지붕 데크 시스템은 현대 건축에서 구조적 안정성, 기능성, 그리고 미적 요소를 결정짓는 중요한 요소입니다. 금속 데크, 합성 구조, 콘크리트 데크, 그리고 다양한 지붕 데크 옵션들은 각각의 특성과 장단점을 가지고 있어, 프로젝트의 요구사항에 따라 신중히 선택되어야 합니다. 또한, 건축용 구조용 강재(AESS)의 활용은 구조적 기능과 시각적 품질을 동시에 고려해야 하는 현대 건축의 트렌드를 잘 반영하고 있습니다. 이러한 다양한 옵션들을 이해하고 적절히 활용함으로써, 건축가와 엔지니어들은 더욱 효율적이고 혁신적인 건물 설계를 실현할 수 있을 것입니다.

다음 시간에는 "강구조의 내화(Fireproofing of Steel Framing)" 주제를 다룰 예정입니다. 이는 건물의 안전성과 직결되는 중요한 주제로, 화재 시 강구조물의 성능을 유지하고 건물 사용자의 안전을 보장하는 다양한 내화 방법과 기술에 대해 살펴볼 것입니다. 강구조물의 내화 처리는 현대 건축에서 필수적인 요소이며, 이에 대한 이해는 안전하고 효과적인 건물 설계에 큰 도움이 될 것입니다.

이번 포스팅에 다룬 내용에 대한 퀴즈: ARE 5.0 시험 준비

금속 데크의 지간 능력(spanning capability)을 결정하는 주요 요인은 무엇인가?
a) 데크의 색상과 마감
b) 강판의 두께와 주름의 깊이 및 간격
c) 데크의 설치 방법
d) 데크의 브랜드와 제조사

셀룰러 데크(Cellular decking)의 주요 장점 중 하나는 무엇인가?
a) 더 가벼운 중량
b) 더 높은 내화성능
c) 전기 및 통신 배선을 위한 공간 제공
d) 더 낮은 비용

합성 구조(Composite Construction)에서 전단 스터드(shear stud)의 주요 목적은 무엇인가?
a) 데크의 무게를 줄이기 위해
b) 콘크리트 슬래브와 강철 보 사이에 강력한 전단 연결을 만들기 위해
c) 데크의 미적 외관을 향상시키기 위해
d) 데크의 내화성능을 높이기 위해

프리캐스트 콘크리트 데크의 주요 단점은 무엇인가?
a) 무거운 중량
b) 느린 시공 속도
c) 추가적인 현장 타설 콘크리트 상부 마감이 필요함
d) 낮은 내구성

건축가 노출 구조용 강재(AESS)의 특별 요구사항에 포함되지 않는 것은?
a) 용접부의 정교한 마감 처리
b) 부재 간 연결부의 더 엄격한 공차 기준
c) 제작 과정에서 강재에 생긴 표시 제거
d) 강재의 중량 감소

답변과 설명:

정답은 b)로, 금속 데크의 지간 능력은 주로 강판의 두께와 주름의 깊이 및 간격에 따라 결정되며, 이러한 요소들이 데크의 구조적 강도와 안정성에 직접적인 영향을 미칩니다.

정답은 c)로, 셀룰러 데크의 주요 장점 중 하나는 전기 및 통신 배선을 위한 공간을 제공한다는 것이며, 이는 건물의 설비 시스템 설치를 용이하게 하고 공간 활용도를 높입니다.

정답은 b)로, 합성 구조에서 전단 스터드의 주요 목적은 콘크리트 슬래브와 강철 보 사이에 강력한 전단 연결을 만드는 것이며, 이를 통해 두 재료가 함께 작용하여 구조의 강도와 효율성을 높입니다.

정답은 c)로, 프리캐스트 콘크리트 데크의 주요 단점은 일반적으로 매끄러운 바닥면을 만들기 위해 얇은 현장 타설 콘크리트 상부 마감이 추가로 필요하다는 것이며, 이는 추가적인 작업과 시간이 필요함을 의미합니다.

정답은 d)로, AESS의 특별 요구사항에는 주로 외관과 관련된 사항들이 포함되며, 강재의 중량 감소는 구조적인 문제와 관련이 있어 일반적으로 AESS의 요구사항에 포함되지 않습니다.