건축사 시험 준비: 강철 구조물의 모든 것 - 경간, 보, 트러스부터 인장 구조물까지 완벽 가이드

건축 기술의 발전과 함께, 강철을 이용한 장경간 구조물은 현대 건축의 핵심 요소로 자리잡았습니다. 이러한 구조물들은 단순히 공간을 지지하는 것을 넘어, 건축가들에게 창의적 자유를 제공하고 기능적 요구사항을 충족시키는 데 중요한 역할을 합니다. 본 장에서는 강철을 이용한 다양한 장경간 구조 기술을 살펴보며, 이들이 어떻게 현대 건축의 경계를 확장하고 있는지 탐구합니다.

개선된 보에서부터 복잡한 트러스 시스템, 혁신적인 아치 구조, 그리고 첨단 인장 구조물에 이르기까지, 각 기술은 특정 건축적 도전을 해결하기 위해 발전해 왔습니다. 이러한 구조적 해결책들은 단순히 공학적 성취를 넘어, 현대 건축의 미학과 기능성을 새롭게 정의하고 있습니다.

이제 우리는 이러한 다양한 강철 구조 시스템들을 상세히 살펴보며, 각각의 특성, 적용 사례, 그리고 현대 건축에 미치는 영향을 분석해 보겠습니다.

이번 글에 포함된 건축 전문 용어: 

경간 (Span):
정의: 건축이나 토목 구조물에서 기둥과 기둥 사이의 거리
설명: 경간은 마치 다리의 길이와 같습니다. 긴 경간은 더 넓은 공간을 만들 수 있지만, 구조적으로 더 큰 도전이 됩니다.

 

광폭 플랜지 보 (Wide-flange beam):
정의: I자 모양의 단면을 가진 강철 보로, 상하부 플랜지가 넓은 구조용 부재
설명: 책을 세워놓은 모양을 상상해보세요. 책의 표지가 플랜지, 책의 내용 부분이 웹에 해당합니다. 이 형태는 하중을 효과적으로 지지할 수 있습니다.

 

캐스텔레이티드 보 (Castellated beam):
정의: 기존 I형 보의 웹을 지그재그로 절단하고 재조립하여 만든 개선된 보
설명: 성벽의 톱니 모양처럼 생겼다고 해서 이름 붙여졌습니다. 이 구조는 보를 더 가볍게 만들면서도 강도를 유지할 수 있게 해줍니다.

 

플레이트 거더 (Plate girder):
정의: 강판과 앵글을 조립하여 만든 맞춤형 대형 보
설명: 레고 블록처럼 여러 부품을 조립하여 만든 큰 보라고 생각하면 됩니다. 필요에 따라 두께와 높이를 조절할 수 있어 매우 효율적입니다.

강성 강철 프레임 (Rigid steel frame):
정의: 기둥과 보가 견고하게 연결된 구조 시스템
설명: 의자의 다리와 좌석이 단단히 연결된 것처럼, 이 구조는 수직 및 수평 하중을 모두 효과적으로 지지할 수 있습니다.

 

트러스 (Truss):
정의: 삼각형 형태로 배열된 구조 부재들의 조합
설명: 삼각형 모양의 구조물로, 적은 재료로 큰 하중을 지지할 수 있습니다. 마치 삼각형 모양의 종이 비행기가 직선 모양보다 더 튼튼한 것과 비슷한 원리입니다.

 

거셋 플레이트 (Gusset plate):
정의: 트러스의 여러 부재들이 만나는 지점에서 이들을 연결하는 강철판
설명: 퍼즐 조각들을 연결하는 접착제 역할을 한다고 생각하면 됩니다. 여러 부재들의 힘을 효과적으로 전달하는 중요한 역할을 합니다.

 

공간 트러스 (Space truss):
정의: 3차원으로 만들어진 트러스 구조
설명: 일반 트러스를 3차원으로 확장한 것입니다. 마치 평면적인 그물망을 3차원 공간으로 확장한 것과 같아서, 모든 방향에서 하중을 효과적으로 분산시킬 수 있습니다.

 

인장 구조물 (Tensile structure):
정의: 케이블이나 천을 사용하여 하중을 지지하는 구조물
설명: 텐트를 치는 것과 비슷한 원리로, 당기는 힘을 이용해 구조물을 지지합니다. 가볍고 유연하면서도 넓은 공간을 덮을 수 있는 장점이 있습니다.

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강철 골조 구조 (Steel Frame Construction) 

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강철을 이용한 더 긴 경간(Longer Spans in Steel)

표준 광폭 플랜지 보(wide-flange beams)는 일반적으로 사무실, 학교, 병원, 아파트 건물, 호텔, 소매점, 창고 및 기타 건물에서 마주치는 구조적 경간 범위에 적합합니다. 이러한 건물들에서는 내부 활동을 방해하지 않으면서 일정한 간격으로 기둥을 지면까지 세울 수 있습니다.

하지만 운동 시설, 특정 유형의 산업 건물, 항공기 격납고, 강당, 극장, 종교 건물, 교통 터미널과 같은 다양한 유형의 건물들은 광폭 플랜지 보로 달성할 수 있는 것보다 더 긴 경간이 필요합니다. 이러한 용도를 위해 강철을 사용한 다양하고 풍부한 장경간 구조 장치들이 제공되고 있습니다.

여기서 '경간(span)'이란 건축이나 토목 구조물에서 기둥과 기둥 사이의 거리를 의미합니다. '광폭 플랜지 보(wide-flange beam)'는 I자 모양의 단면을 가진 강철 보로, 상하부 플랜지(flange)가 넓어 하중을 효과적으로 지지할 수 있는 구조용 부재입니다.

'장경간 구조 장치(longer-span structural devices)'는 더 긴 거리를 지지할 수 있는 다양한 구조적 해결책을 의미합니다. 이는 트러스, 아치, 케이블 구조 등을 포함할 수 있으며, 각 건물의 특성과 요구사항에 따라 적절한 방식이 선택됩니다.

이러한 장경간 구조는 넓은 공간을 확보해야 하는 건물에서 특히 중요합니다. 예를 들어, 체육관에서는 기둥 없이 넓은 공간이 필요하고, 항공기 격납고는 대형 항공기를 수용할 수 있는 거대한 무기둥 공간이 필요합니다. 또한 강당, 극장, 종교 건물 등에서도 시야를 방해하는 기둥 없이 넓은 공간을 확보하는 것이 중요합니다.

강철을 이용한 이러한 다양한 구조적 해결책은 건축가와 엔지니어들에게 창의적이고 효율적인 설계 옵션을 제공하며, 다양한 건축적 요구사항을 충족시킬 수 있는 유연성을 제공합니다.

개선된 보(Improved Beams)

장경간 장치의 한 일반적인 분류는 '개선된 보'라고 할 수 있습니다. 캐스텔레이티드 보(castellated beam) (그림 11.77 및 11.78)는 광폭 플랜지 단면의 웹을 지그재그 경로를 따라 화염 절단한 후, 두 반쪽을 점대점으로 용접하여 재조립함으로써 제작됩니다. 이 과정을 통해 보의 무게를 증가시키지 않고도 깊이를 늘릴 수 있습니다. 이는 상부 하중이 특별히 무겁지 않다는 전제 하에, 보의 경간 능력을 크게 향상시킵니다.

초보자를 위한 설명: 캐스텔레이티드 보는 기존의 I형 보를 개선한 것으로, 웹(보의 수직 부분)에 구멍을 내어 더 가볍고 긴 경간을 지지할 수 있게 만든 보입니다.

모든 하중 조건에 맞춤 설계된 장경간 보의 경우, 플레이트 거더(plate girders)가 맞춤 설계 및 제작됩니다. 강판(steel plates)과 앵글(angles)은 볼트 체결이나 용접을 통해 필요한 곳에 정확히 강철을 배치하도록 조립됩니다. 플랜지(flanges)는 종종 굽힘력이 더 높은 경간 중앙에서 더 두껍게 만들어지고, 웹 응력이 높은 끝 부분 근처에는 더 많은 웹 스티프너(web stiffeners)가 제공되며, 지지대 주변 영역은 특별히 보강됩니다. 거의 모든 깊이로 제작이 가능하며, 심지어 무거운 하중 하에서도 매우 긴 경간이 가능합니다 (그림 11.79). 이러한 부재들은 종종 테이퍼 처리되어, 굽힘 모멘트가 가장 큰 곳에서 더 큰 깊이를 가집니다.

초보자를 위한 설명: 플레이트 거더는 큰 하중을 지지해야 하는 긴 경간에 사용되는 맞춤형 보입니다. 필요에 따라 두께와 깊이를 조절할 수 있어 효율적인 설계가 가능합니다.

강성 강철 프레임(Rigid steel frames)은 강철 광폭 플랜지 단면이나 플레이트 거더를 용접하여 효율적으로 제작됩니다. 이들은 직사각형 공간의 지붕을 만들기 위해 한 줄로 설치되거나 (그림 11.80), 원형 영역을 덮기 위해 수직축을 중심으로 배열될 수 있습니다. 이들의 구조적 작용은 직선 프레임과 아치의 중간 정도에 위치합니다. 아치와 마찬가지로, 때때로 측면 추력에 저항하기 위해 기초부에 강철 타이 로드(steel tie rods)가 필요할 수 있으며, 이 경우 이 로드들은 보통 바닥 슬래브 내에 숨겨집니다.

초보자를 위한 설명: 강성 강철 프레임은 기둥과 보가 견고하게 연결된 구조로, 큰 공간을 효율적으로 지붕으로 덮을 수 있게 해줍니다.

캐스텔레이티드 보, 플레이트 거더, 강성 강철 프레임은 길고 가는 요소이기 때문에 공통적으로 좌굴을 방지하기 위해 서까래(purlins), 띠장(girts), 데킹(decking) 또는 대각선 브레이싱(diagonal bracing)에 의해 측면으로 지지되어야 하는 특성을 공유합니다.

초보자를 위한 설명: 이러한 긴 구조물들은 옆으로 휘어지는 것(좌굴)을 방지하기 위해 추가적인 지지 구조가 필요합니다. 이는 마치 긴 자를 세울 때 옆에서 지지해주는 것과 비슷한 원리입니다.

트러스(Trusses)

강철 트러스(Steel trusses) (그림 11.81-11.84)는 강철 부재들을 삼각형 형태로 배열한 구조물로, 일반적으로 개선된 보보다 더 깊고 가벼우며 그에 상응하여 더 긴 거리를 지탱할 수 있습니다. 이들은 가벼운 하중부터 무거운 하중까지 다양하게 설계될 수 있습니다.

초보자를 위한 설명: 트러스는 삼각형 모양의 구조물로, 적은 재료로 큰 하중을 지지할 수 있어 효율적입니다. 마치 삼각형 모양의 종이 비행기가 직선 모양의 종이 비행기보다 더 멀리 날아가는 것과 비슷한 원리입니다.

이 장의 앞부분에서 언급된 강철 트러스의 한 종류인 오픈웹 조이스트(open-web joists)와 조이스트 거더(joist girders)는 표준화된 경량 부재로, 가벼운 하중에 적합하며 상당히 긴 경간을 지탱할 수 있습니다. 이들은 일반적으로 맞춤 제작 트러스보다 비용이 적게 듭니다.

가벼운 하중을 위한 맞춤 제작 지붕 트러스는 대부분 강철 T형 또는 쌍각형(paired-angle) 상하현재(top and bottom chords)와 쌍각형 내부재(internal members)로 구성됩니다. 각 쌍의 앵글은 트러스의 다른 부재들과 연결하는 강철 거셋 플레이트(gusset plate) 연결부를 위한 공간을 남기기 위해 약간 떨어져 배치됩니다. 이들은 거셋 플레이트에 용접되거나 볼트로 체결될 수 있습니다.

초보자를 위한 설명: 거셋 플레이트는 트러스의 여러 부재들이 만나는 지점에서 이들을 연결하는 강철판입니다. 이는 마치 퍼즐 조각들을 연결하는 접착제 역할을 한다고 생각하면 됩니다.

건물 프레임에서 사용되는 전이 트러스(transfer trusses)와 같이 더 무거운 하중을 위한 트러스는 광폭 플랜지(wide-flange) 또는 튜브형(tubular) 형상으로 만들어질 수 있습니다. 전이 트러스는 건물의 넓은 회의실이나 로비 위층의 기둥 하중을 전달하는 데 사용됩니다.

강철 공간 트러스(steel space truss) (더 일반적으로 스페이스 프레임(space frame)이라고 불림)는 3차원으로 만들어진 트러스입니다 (그림 11.85 및 11.86). 이는 양방향 콘크리트 슬래브와 유사하게 두 축을 따라 휨에 의해 하중을 지지합니다. 공간 트러스는 양방향으로 대략 동일한 간격으로 배치된 기둥들에 의해 지지되어야 합니다.

초보자를 위한 설명: 공간 트러스는 일반 트러스를 3차원으로 확장한 것입니다. 이는 마치 평면적인 그물망을 3차원 공간으로 확장한 것과 같아서, 모든 방향에서 하중을 효과적으로 분산시킬 수 있습니다. 이러한 구조는 대형 전시장이나 공항 터미널과 같은 넓은 공간을 덮는 데 자주 사용됩니다.

아치(Arches)

강철 아치(Steel arches)는 표준 광폭 플랜지 형상을 구부리거나 강판과 앵글을 결합하여 제작되며, 상당한 경간의 원통형 지붕 볼트(cylindrical roof vaults) 또는 원형 돔(circular domes)으로 만들어질 수 있습니다 (그림 11.87). 더 긴 경간을 위해서는 아치를 강철 트러스 구조로 제작할 수 있습니다. 아치의 기저부에서는 수평 추력(lateral thrusts)이 발생하며, 이는 기초나 타이로드(tie rod)에 의해 저항되어야 합니다.

초보자를 위한 설명: 아치 구조는 곡선 형태로 하중을 분산시켜 더 넓은 공간을 지붕으로 덮을 수 있게 해줍니다. 아치의 양 끝에서 발생하는 수평력(수평 추력)은 마치 활을 당길 때 양쪽으로 힘이 작용하는 것과 비슷합니다.

본 저술 시점에, 세계에서 가장 긴 단일 경간 지붕 구조물은 텍사스 주 알링턴에 현재 건설 중인 개폐식 축구 경기장 지붕으로 보고되고 있습니다. 이 지붕은 한 쌍의 강철 박스 트러스(steel box trusses)로 지지되며, 1225피트(373m)의 경간을 가집니다. 각 트러스는 35피트(11m) 깊이에 3255톤(2955 미터톤)의 무게를 가집니다.

인장 구조물(Tensile Structures)

냉간 인발 강철로 만든 고인장 강도 와이어(High-tensile-strength wires)를 케이블로 제작하여 매우 긴 거리를 지탱할 수 있는 다양한 텐트 형태의 지붕을 만들 수 있습니다 (그림 11.88 및 11.89). 안티클라스틱(안장 모양) 곡률(anticlastic curvature), 케이블 지지대(cable stays), 또는 케이블 네트를 제어하는 기타 수단을 통해, 매달린 지붕(hanging roofs)은 바람에 의한 들어올림과 떨림에 대해 완전히 견고해집니다.

초보자를 위한 설명: 인장 구조물은 케이블이나 천을 사용하여 하중을 지지하는 방식입니다. 이는 마치 텐트를 치는 것과 비슷한 원리로, 가벼우면서도 넓은 공간을 덮을 수 있습니다.

더 작은 경간의 경우, 직물(fabrics)이 대부분의 역할을 할 수 있으며, 가장자리와 최대 응력 지점에서 강철 케이블로 지지됩니다. 이에 대한 자세한 내용은 동봉된 사이드바에 제시되어 있습니다.

강철을 이용한 장경간 구조물은 현대 건축의 핵심 요소로, 기능성과 미학적 가치를 동시에 제공합니다. 개선된 보, 트러스, 아치, 그리고 인장 구조물에 이르기까지 다양한 기술은 건축가와 엔지니어들에게 무한한 가능성을 제시합니다. 이러한 구조물들은 단순히 공간을 지지하는 것을 넘어, 혁신적인 디자인과 효율적인 공간 활용을 가능케 하며, 현대 건축의 경계를 지속적으로 확장하고 있습니다.

강철 구조물의 발전은 건축 기술의 진보를 반영하며, 동시에 미래 건축의 방향을 제시합니다. 이러한 기술들은 지속 가능성, 에너지 효율성, 그리고 스마트 건축과 같은 현대적 요구사항과 결합하여 더욱 혁신적인 건축 솔루션을 만들어낼 것입니다.

다음 시간에는 'FABRIC STRUCTURES(직물 구조물)'에 대해 다루겠습니다. 이 주제는 현대 건축에서 점점 더 중요해지고 있는 경량 구조물의 한 형태로, 강철 구조물과는 다른 특성과 장점을 제공합니다. 직물 구조물은 그 유연성과 다양한 형태 가능성으로 인해 특히 임시 구조물이나 대형 공간 덮개에 많이 사용되고 있습니다. 다음 강의에서는 이러한 직물 구조물의 원리, 설계 방법, 적용 사례 등을 자세히 살펴볼 예정입니다.

이번 포스팅에 다룬 내용에 대한 퀴즈: ARE 5.0 시험 준비

긴 경간을 가진 구조물에서 가장 효율적으로 사용될 수 있는 강철 보의 형태는?
a) 일반 I-빔
b) 광폭 플랜지 보
c) 캐스텔레이티드 보
d) 각관

트러스 구조에서 여러 부재들이 만나는 지점에서 이들을 연결하는 데 사용되는 부재는?
a) 거셋 플레이트
b) 플랜지
c) 웹
d) 스티프너

다음 중 인장력을 주로 이용하여 하중을 지지하는 구조 시스템은?
a) 강성 강철 프레임
b) 플레이트 거더
c) 인장 구조물
d) 공간 트러스

대형 체육관이나 공항 터미널과 같은 넓은 공간을 덮는 데 가장 적합한 구조 시스템은?
a) 일반 보-기둥 시스템
b) 강성 강철 프레임
c) 공간 트러스
d) 플레이트 거더

캐스텔레이티드 보의 주요 장점은?
a) 더 많은 강철 사용으로 인한 강도 증가
b) 웹의 절단과 재조립으로 인한 무게 감소와 강성 유지
c) 플랜지 면적 증가로 인한 휨 저항 증가
d) 제작 과정의 단순화

정답 및 설명:

정답: c) 캐스텔레이티드 보
설명: 캐스텔레이티드 보는 웹을 지그재그로 절단하고 재조립하여 만든 개선된 보로, 긴 경간에 효율적입니다. 이 구조는 보를 더 가볍게 만들면서도 강도를 유지할 수 있어 긴 경간에 적합합니다.

정답: a) 거셋 플레이트
설명: 거셋 플레이트는 트러스의 여러 부재들이 만나는 지점에서 이들을 연결하는 강철판입니다. 이는 트러스 구조에서 힘을 효과적으로 전달하는 중요한 역할을 합니다.

정답: c) 인장 구조물
설명: 인장 구조물은 케이블이나 천을 사용하여 주로 인장력을 이용해 하중을 지지하는 구조 시스템입니다. 이는 가볍고 유연하면서도 넓은 공간을 덮을 수 있는 장점이 있습니다.

정답: c) 공간 트러스
설명: 공간 트러스는 3차원으로 만들어진 트러스 구조로, 넓은 공간을 효과적으로 덮을 수 있습니다. 이 구조는 모든 방향에서 하중을 효과적으로 분산시킬 수 있어 대형 체육관이나 공항 터미널과 같은 넓은 공간에 적합합니다.

정답: b) 웹의 절단과 재조립으로 인한 무게 감소와 강성 유지
설명: 캐스텔레이티드 보는 기존 I형 보의 웹을 지그재그로 절단하고 재조립하여 만듭니다. 이 과정을 통해 보의 무게는 감소시키면서도 강성을 유지할 수 있어, 재료 사용의 효율성을 높입니다.