건축사 시험 준비: 강재구조의 진화 합성기둥과 산업화 시스템의 혁신적 결합 - 건축가가 알아야 할 모든 것

현대 건축 구조 시스템의 진화 과정에서 합성 구조는 혁신적인 전환점을 제시했습니다. 특히 강재와 콘크리트의 구조적 시너지를 극대화한 합성 기둥은 초고층 건축의 새로운 지평을 열었습니다. 본 장에서는 합성 기둥의 다양한 유형과 그 구조적 특성, 그리고 실제 적용 사례를 통해 이 혁신적인 구조 시스템의 발전 과정을 상세히 살펴보겠습니다.

강재 구조의 산업화는 현대 건설 산업의 효율성과 경제성을 획기적으로 향상시켰으며, 이는 건축 기술의 패러다임을 근본적으로 변화시켰습니다. 특히 프리패브리케이션 시스템의 발전은 강재의 우수한 제작성과 시공성을 기반으로, 건설 산업의 새로운 표준을 제시하고 있습니다.

건축 구조재료로서 강재가 가지는 독보적인 위상은 그 고유한 물리적 특성에서 비롯됩니다. 강재는 뛰어난 강도와 함께 설계의 유연성을 제공하며, 이는 현대 건축에서 요구되는 다양한 구조적 도전과제들을 해결할 수 있는 핵심 요소가 되고 있습니다. 본 장에서는 강재의 구조적 특성과 함께, 이를 규정하는 건축법규의 세부사항들을 면밀히 검토하겠습니다.

이번 글에 포함된 건축 전문 용어: 

합성 기둥 (Composite Column)
강재와 콘크리트를 함께 사용하여 만든 기둥
각 재료의 장점을 결합하여 더 강하고 효율적인 구조 실현

H형강 (Wide-flange)
모양이 알파벳 'H'와 비슷한 강재 부재
주로 기둥이나 보로 사용되며, 단면이 효율적으로 설계되어 하중 지지력이 우수

강관 (Steel Pipe)
원형이나 각형의 속이 빈 강재 기둥
내부에 콘크리트를 채워 강도를 높일 수 있음

수직하중 (Vertical Load)
중력에 의해 위에서 아래로 작용하는 힘
예: 건물의 자중, 가구, 사람 등의 무게

수평하중 (Lateral Load)
옆에서 작용하는 힘
예: 바람하중(Wind Load), 지진하중(Seismic Load)

PSI (Pounds per Square Inch)
미국식 압축강도 단위
1평방인치당 작용하는 힘을 파운드로 표현

MPa (Mega Pascal)
국제표준 압축강도 단위
1MPa = 약 145 PSI

라멘구조 (Rigid Frame)
기둥과 보가 단단히 연결된 구조 형식
횡력(옆으로 작용하는 힘)에 잘 저항하는 구조

강접합 (Rigid Connection)
구조 부재들이 회전하지 않도록 단단히 연결된 접합 방식
힘과 모멘트를 효과적으로 전달

프리패브리케이션 (Prefabrication)
공장에서 미리 제작하여 현장에서 조립하는 방식
공사 기간 단축과 품질 향상 가능

내화처리 (Fireproofing)
화재 시 구조물을 보호하기 위한 처리
예: 내화뿜칠, 내화보드 등

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강철 골조 구조 (Steel Frame Construction) 

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합성 기둥 (Composite Columns)

구조용 강재 형상과 현장타설 콘크리트의 강도를 결합한 기둥은 건물에서 오랫동안 사용되어 왔습니다. 합성 기둥의 한 유형은 강재 H형강 기둥(wide-flange column)을 현장타설 철근콘크리트로 감싸는 방식입니다. 또 다른 유형은 콘크리트를 채운 강관(steel pipe)으로 구성됩니다. 세 번째 유형은 더 높은 하중 지지력을 확보하기 위해 콘크리트를 타설하기 전에 H형강을 강관 내부에 삽입하는 방식입니다.

최근의 여러 초고층 건물들은 수직하중과 수평하중의 상당 부분을 지지하기 위해 초고강도 콘크리트(very-high-strength concrete)를 채운 대형 강관 기둥을 사용합니다. 이러한 기둥들은 건물에 필요한 전체 강재량을 최대 50%까지 줄일 수 있게 해줍니다 (그림 11.90 참조).

한 예로, 높이 720피트(200m)의 오피스 타워에서는 지름 10피트(3m)의 강관 기둥 4개에 19,000-psi(131-MPa) 강도의 콘크리트를 채워 중력하중의 40%와 풍하중의 상당 부분을 지지하고 있습니다. 매우 큰 하중을 전달하는 특정 접합부를 제외하고는 강관 내부에 철근이나 다른 강재가 전혀 들어있지 않습니다.

초고층 건물에서 합성 기둥의 잠재적 장점은 다음과 같습니다:

강재 사용량 감소(reduced steel usage)
풍하중에 대한 건물의 강성 증가(greater rigidity)
보-기둥 접합부의 단순화(simplified beam-column connections)

추가 설명:

PSI(Pounds per Square Inch)는 평방인치당 파운드로 표현되는 압축강도를 나타내는 단위입니다.
MPa(Mega Pascal)은 국제단위계(SI)에서 사용되는 압축강도 단위입니다.
합성 기둥은 강재와 콘크리트의 장점을 모두 활용하여 더 효율적인 구조 시스템을 구현할 수 있게 해줍니다. 이러한 합성 구조는 특히 초고층 건물에서 경제성과 구조적 효율성을 동시에 확보할 수 있는 중요한 해결책이 됩니다.

 

강재를 활용한 산업화 시스템 (Industrialized Systems in Steel)

강재(steel)는 건설 산업화 시스템에 매우 적합한 재료입니다. 미국에서 가장 성공적이고 경제적인 두 가지 프리패브리케이션(prefabrication) 시스템은 제조식 주택(manufactured home, 흔히 "이동식 주택/mobile home"이라고 불림)과 패키지형 산업용 건물(package industrial building)입니다.

주로 목재로 건설되는 제조식 주택은 압연 강재 형상(rolled steel shapes)을 용접하여 만든 견고한 하부 프레임(rigid undercarriage/chassis)이 있어 가능한 구조입니다. 반면, 패키지형 건물은 일반적으로 용접된 강재 라멘구조(welded steel rigid frames)를 기본 구조로 하여 주름진 금속 시트(corrugated metal sheets)로 외피를 구성합니다.

제조식 주택이 강재를 기초로 하는 이유는 강재가 가진 타의 추종을 불허하는 강성(stiffness)과 강도(strength) 때문입니다. 패키지형 건물이 강재에 의존하는 이유는 다음과 같습니다:

우수한 강성과 강도
부재 생산에서의 반복적인 정밀성(repeatable precision)
상대적으로 가벼운 강재 부재의 운반과 조립의 용이성
일반적인 강재 제작(fabrication)과 설치(erection) 과정에서 반복적인 건물 구성요소의 연속 생산으로 발전하는 것은 자연스러운 진행 과정이라고 할 수 있습니다.

추가 설명:

프리패브리케이션(Prefabrication): 건물의 부재나 구성요소를 공장에서 미리 제작하여 현장에서 조립하는 방식
라멘구조(Rigid Frame): 보와 기둥이 강접합된 구조 형식으로, 횡력에 저항하는 구조 시스템
샤시(Chassis): 차량이나 이동식 주택의 바닥을 이루는 철제 골조
강접합(Rigid Connection): 부재 간의 접합부가 회전을 구속하여 모멘트를 전달할 수 있는 접합 방식

 

강재와 건축법규 (Steel and the Building Codes)

강구조 건축물(Steel frame construction)은 일반적인 건축법규 표(그림 1.2와 1.3 참조)에서 Type I, II, III의 여섯 가지 다른 구조 형식으로 분류됩니다. 이러한 분류는 구조 프레임의 다양한 부재들에 적용되는 내화처리(fireproofing treatment) 정도에 따라 결정됩니다.

 

높은 수준의 내화처리가 적용될 경우, 특히 둘 이상의 층을 지지하는 부재들에 대해서는, 대부분의 용도군(occupancy groups)에서 건물의 높이와 면적에 제한이 없습니다. 반면, 강재 부재에 전혀 내화처리를 하지 않은 경우에는 건물의 높이와 면적이 엄격히 제한되지만, 많은 용도군에서 이러한 제한 조건을 쉽게 충족시킬 수 있습니다.

강재의 고유한 특성 (Uniqueness of Steel)

내화구조에 일반적으로 사용되는 구조재료에는 조적조(masonry), 콘크리트(concrete), 강재(steel)가 있습니다. 이 중 강재만이 압축강도(compressive strength)와 함께 유용한 인장강도(tensile strength)를 가지고 있으며, 이 두 가지 특성이 매우 뛰어납니다 (그림 11.91 참조).

상대적으로 적은 양의 강재로도 다른 재료보다 훨씬 더 많은 양이 필요한 구조적 역할을 수행할 수 있습니다. 따라서 강재는 구조재료 중 가장 높은 밀도를 가지고 있음에도 불구하고, 가장 가벼운 구조물을 만들 수 있고 가장 긴 경간을 달성할 수 있습니다.

강재 부재를 건설현장에 공급하기 위한 기반시설(광산, 제철소, 제작공장, 고철산업)은 매우 방대하고 복잡합니다. 강구조 건물 프레임을 만들기 위해서는 복잡한 사전 계획과 준비 작업이 필요합니다. 하지만 일단 현장에 도착하면, 강구조 프레임은 비교적 적은 도구로도 신속하게 조립될 수 있으며, 이러한 시공 속도와 전천후 신뢰성은 특정 프리캐스트 콘크리트 시스템에서만 견줄 수 있습니다.

적절한 설계와 계획이 이루어진다면, 강재는 불규칙한 각도와 곡선을 포함한 거의 모든 형태의 건물을 구현할 수 있습니다. 물론 궁극적으로 구조용 강재는 프레임만을 형성합니다. 조적조나 콘크리트와 달리, 특정 산업용 건물을 제외하고는 건물 외피 전체를 형성하기는 어렵습니다. 하지만 이는 큰 문제가 되지 않습니다. 왜냐하면 강재는 유리, 조적, 패널 시스템과 같은 외피 시스템과 쉽게 결합될 수 있으며, 무엇보다도 높고 넓은 하중을 지지하는 본연의 역할을 매우 훌륭하게 수행하기 때문입니다.

추가 설명:

용도군(Occupancy Group): 건물의 사용 목적에 따른 분류 (예: 주거용, 사무실용, 상업용 등)
내화처리(Fireproofing): 화재 시 구조물의 내화성능을 확보하기 위한 처리
인장강도(Tensile Strength): 재료가 끊어지지 않고 견딜 수 있는 최대 인장력
압축강도(Compressive Strength): 재료가 압축력에 저항할 수 있는 능력
경간(Span): 구조물에서 지지점 사이의 거리

이처럼 강재는 현대 건축에서 가장 혁신적이고 다재다능한 구조재료로서의 위상을 확고히 하고 있습니다. 특히 합성 기둥에서 보여지는 강재와 콘크리트의 시너지 효과, 산업화 시스템에서의 효율성, 그리고 강재 고유의 우수한 구조적 특성들은 현대 건축의 새로운 가능성을 끊임없이 확장시키고 있습니다. 이러한 강재의 혁신적 활용은 건축 기술의 발전과 함께 더욱 진화하고 있으며, 미래 건축의 새로운 지평을 열어가고 있습니다.

이번 포스팅에 다룬 내용에 대한 퀴즈: ARE 5.0 시험 준비

초고층 건물에서 합성 기둥을 사용할 때의 주요 이점이 아닌 것은?
a) 강재 사용량 감소
b) 풍하중에 대한 건물의 강성 증가
c) 보-기둥 접합부의 단순화
d) 공사 기간의 두 배 증가

720피트(200m) 높이의 오피스 타워에서 사용된 합성 기둥의 콘크리트 강도는 얼마입니까?
a) 13,000 psi
b) 15,000 psi
c) 17,000 psi
d) 19,000 psi

강구조 건축물의 내화처리와 관련하여 올바른 설명은?
a) 모든 강구조는 반드시 내화처리를 해야 한다
b) 내화처리가 되지 않은 강구조는 절대 사용할 수 없다
c) 높은 수준의 내화처리가 된 경우, 대부분의 용도군에서 건물 높이 제한이 없다
d) 내화처리는 건물의 용도와 관계없이 항상 동일하게 적용된다

다음 중 강재의 고유한 특성으로 가장 적절한 것은?
a) 압축강도만 우수하다
b) 인장강도와 압축강도가 모두 우수하다
c) 내화성능이 가장 우수하다
d) 자중이 가장 가볍다

합성 기둥의 세 가지 유형 중, 가장 높은 하중 지지력을 제공하는 형식은?
a) H형강 기둥을 철근콘크리트로 감싸는 방식
b) 콘크리트를 채운 강관
c) H형강을 강관 내부에 삽입 후 콘크리트를 타설하는 방식
d) 철근콘크리트 기둥에 강판을 부착하는 방식

정답 및 해설:

정답: d)
해설: 합성 기둥의 주요 이점은 강재 사용량 감소, 강성 증가, 접합부 단순화입니다. 공사 기간 증가는 사실이 아닙니다.

정답: d)
해설: 지문에 명시된 대로, 해당 오피스 타워는 19,000-psi(131-MPa) 강도의 콘크리트를 사용했습니다.

정답: c)
해설: 높은 수준의 내화처리가 적용된 경우, 특히 둘 이상의 층을 지지하는 부재들에 대해서는 대부분의 용도군에서 건물의 높이와 면적에 제한이 없습니다.

정답: b)
해설: 강재는 구조재료 중 유일하게 압축강도와 인장강도가 모두 우수한 특성을 가지고 있습니다.

정답: c)
해설: 지문에 언급된 대로, H형강을 강관 내부에 삽입한 후 콘크리트를 타설하는 방식이 가장 높은 하중 지지력을 제공합니다.