건축사 시험 준비: 경량 게이지 강철 프레임의 모든 것: 장점, 도전 과제 및 미래 전망

경량 게이지 강철 프레임 건설 (Light Gauge Steel Frame Construction)

경량 게이지 강철 프레임 건설은 현대 건축에서 구조적 효율성과 내구성을 동시에 제공하는 혁신적인 방법입니다. 이 건설 방식에서는 연속 코일 형태의 강판을 상온에서 기계로 가공하여 강력하고 단단한 선형 부재를 형성합니다. 이러한 부재는 냉간 성형된 금속 프레임으로, 전통적인 열간 압연 강철과 구별됩니다. "경량 게이지"라는 용어는 사용되는 강철 시트의 두께를 의미하며, 이는 구조적 요구 사항에 따라 다양하게 선택됩니다.

경량 게이지 강철 건설은 목재 경량 프레임 건설의 불연성 대안으로, 외부 치수가 목재 프레임과 거의 동일하여 기존의 목재 프레임 방식과 유사한 방법으로 사용됩니다. 이러한 강철 부재는 스터드, 장선, 서까래로 구성되어 밀집 배치되며, 목재 프레임 건물과 동일한 방식으로 외장재, 단열재, 전선 설치 및 마감 처리가 가능합니다.

 

이러한 강철 부재는 ASTM 표준 A1003에 따라 제조되며, 부식으로부터의 보호를 위해 아연 또는 알루미늄-아연 합금으로 금속 코팅됩니다. 부재의 강도와 강성은 단면의 형태와 깊이, 그리고 강철 시트의 두께에 따라 결정되며, 다양한 프로젝트 요구에 맞춰 표준 길이로 제공되거나 현장에서 절단하여 사용됩니다.

경량 게이지 강철 건설에는 다양한 시트 메탈 각도, 스트랩, 플레이트, 채널 등이 부속품으로 사용되며, 주로 셀프 드릴링 및 셀프 태핑 나사를 통해 결합됩니다. 이러한 나사는 스스로 구멍을 뚫고 나선형의 나사산을 형성하며, 부식 방지를 위해 카드뮴 또는 아연으로 도금되어 있습니다.

경량 게이지 강철 프레이밍의 지속 가능성을 고려할 때, 가장 큰 문제는 프레임 부재의 높은 열전도율입니다. 이를 해결하기 위해 에너지 규정은 플라스틱 폼 단열 패널을 사용하여 열교를 방지하도록 요구합니다. 그러나 단열 외장재를 사용하더라도, 열교를 최소화하기 위한 세심한 설계와 시공이 필요합니다. 이러한 접근은 경량 게이지 강철 프레임 건설의 효율성을 높이고, 지속 가능한 건축 환경을 조성하는 데 기여합니다.

이번 글에 포함된 건축 전문 용어: 

경량 게이지 강철 (Light Gauge Steel)
상대적으로 얇은 두께의 강철 시트를 사용하여 구조 부재를 만드는 방식입니다. 이 강철은 냉간 성형(cold-formed) 과정을 통해 가공됩니다. 두꺼운 열간 압연(rolled) 강철과는 달리, 얇고 가벼우면서도 강도와 내구성을 제공합니다.

냉간 성형 (Cold-Formed)
강철을 상온에서 기계적으로 가공하여 원하는 형태로 만드는 공정입니다. 이 과정은 강철의 강도와 경도를 증가시킵니다.

열전도율 (Thermal Conductivity)
재료가 열을 전달하는 능력을 나타내는 지표입니다. 경량 게이지 강철은 높은 열전도율을 가지고 있어 단열에 주의가 필요합니다.

열교 (Thermal Bridging)
건물 내외부 사이에 열이 쉽게 전달되는 경로로, 주로 금속 부재를 통해 발생합니다. 이를 최소화하는 것이 에너지 효율성을 높이는 데 중요합니다.

단열 외장재 (Insulating Sheathing)
건물의 외부에 부착하여 열 손실을 줄이고, 열교를 방지하는 데 사용되는 단열재입니다.

셀프 드릴링 및 셀프 태핑 나사 (Self-Drilling and Self-Tapping Screws)
나사가 스스로 구멍을 뚫고 나사산을 형성하여 부재를 결합하는 방식입니다. 설치가 빠르고 효율적이며, 부식 방지를 위해 도금 처리됩니다.

C형 단면 (Cee Section)
강철 부재의 단면이 'C' 모양으로 성형된 형태로, 주로 스터드, 장선, 서까래에 사용됩니다. 이러한 형태는 강도와 안정성을 제공합니다.

ASTM 표준 A1003
경량 게이지 강철 부재의 제조 및 성능 기준을 규정하는 미국 재료 시험 협회(ASTM)의 표준입니다.

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경량 게이지 강철 프레임 건설에 사용되는 부재(member)를 제조하기 위해, 연속 코일(coil) 형태의 강판(sheet steel)이 상온에서 기계로 공급됩니다. 이 기계는 금속을 냉간 가공(cold-work)하여 효율적인 구조 형태로 접어, 강하고 단단한 선형 부재(linear member)를 만들어냅니다 (그림 11 참조). 따라서 이러한 부재는 구조용 강철 프레임에 사용되는 훨씬 무거운 열간 압연(rolled) 형태와 구별하기 위해 냉간 성형 금속 프레임(cold-formed metal framing)이라고 불립니다. "경량 게이지(light gauge)"라는 용어는 부재가 만들어지는 강철 시트의 상대적인 두께(gauge)를 나타냅니다.

경량 게이지 강철 건설의 개념

경량 게이지 강철 건설은 목재 경량 프레임 건설(wood light frame construction)의 불연성(noncombustible) 동등물입니다. 경량 게이지 부재의 표준 크기의 외부 치수는 명목상 2인치(38mm) 프레임 목재와 거의 동일합니다. 이러한 강철 부재는 목재 경량 프레임 부재가 사용되는 방식과 거의 동일하게 밀집 배치된 스터드(stud), 장선(joist), 및 서까래(rafter)로 프레임에 사용됩니다. 경량 게이지 강철 프레임 건물은 목재 경량 프레임 건물과 동일한 방식으로 외장재를 덮고, 단열하고, 전선을 설치하고, 내부 및 외부 마감 처리를 할 수 있습니다.

경량 게이지 부재(light gauge member)에 사용되는 강철은 ASTM 표준 A1003에 따라 제조되며, 부식(corrosion)으로부터 장기적인 보호를 제공하기 위해 아연(zinc) 또는 알루미늄-아연 합금(aluminum-zinc alloy)으로 금속 코팅(metallic-coated)되어 있습니다. 금속 코팅의 두께는 부재가 놓일 환경의 심각도에 따라 달라질 수 있습니다. 스터드(stud), 장선(joist), 서까래(rafter)에는 강철이 C형 단면(cee section)으로 성형됩니다 (그림 12.1 참조). 

C형 부재의 웹(web)은 공장에서 2피트(600mm) 간격으로 구멍이 뚫려 있어, 공사 현장에서 별도의 구멍을 뚫지 않고도 전선, 배관, 버팀대(bracing)가 스터드와 장선을 통과할 수 있도록 설계되어 있습니다. 상하부 벽 플레이트(top and bottom wall plate)와 장선 헤더(joist header)에는 채널 단면(channel section)이 사용됩니다. 부재의 강도(strength)와 강성(stiffness)은 단면의 형태와 깊이, 그리고 부재가 만들어진 강철 시트의 두께(gauge)에 따라 결정됩니다. 각 제조업체는 표준 깊이와 두께의 범위를 제공합니다. 하중을 지탱하는 부재에 일반적으로 사용되는 금속 두께는 0.097에서 0.033인치(2.46 - 0.84mm)이며, 비하중 부재(non load bearing member)에는 0.018인치(0.45mm)까지 얇은 두께가 사용됩니다 (그림 12.2 참조).

적어도 한 제조업체는 강철 시트를 롤러를 통해 통과시키면서 짝을 이룬 패턴 표면(mated patterned surface)을 사용하여 금속에 밀도가 높은 딤플(dimple)을 형성하여 비하중 경량 게이지 강철 부재를 생산합니다. 성형 과정에서 발생하는 추가적인 냉간 가공(cold working)과 완성된 패턴 표면은 더 얇은 시트 재료로 만들어진 부재가 기존의 더 두꺼운 게이지 재료로 제작된 부재와 동일한 강도와 강성을 갖도록 합니다. 대형 프로젝트의 경우, 부재는 필요한 길이로 정확하게 제조될 수 있습니다. 그렇지 않으면, 표준 길이로 제공됩니다. 부재는 공사 현장에서 전기 톱(power saw)이나 특수 가위(special shear)로 길이에 맞춰 절단할 수 있습니다.

경량 게이지 강철 건설(light gauge steel construction)에는 다양한 시트 메탈(sheet metal) 각도(angle), 스트랩(strap), 플레이트(plate), 채널(channel), 기타 형상들이 부속품(accessory)으로 제조됩니다 (그림 12.3 참조). 

경량 게이지 강철 부재(light gauge steel member)는 주로 셀프 드릴링(self-drilling), 셀프 태핑(self-tapping) 나사(screw)를 사용하여 결합됩니다. 이 나사는 스스로 구멍을 뚫고, 구멍 안에 나선형의 나사산(helical thread)을 형성하면서 박히게 됩니다. 이 나사는 손으로 들고 사용하는 전기 또는 공압 도구(pneumatic tool)를 통해 빠르게 박히며, 부식(corrosion)을 방지하기 위해 카드뮴(cadmium) 또는 아연(zinc)으로 도금(plated)되어 있습니다. 다양한 연결 상황에 맞추기 위해 여러 직경과 길이로 제공됩니다.

공장에서 사전 제작(prefabricated)된 경량 게이지 강철 프레임 패널(panel)을 조립할 때는 종종 용접(welding)이 사용되며, 현장에서도 특히 강한 연결이 필요할 때 사용됩니다. 또한, 널리 사용되는 다른 고정 기술로는 나사나 용접 없이 부재를 연결하는 핸드헬드 클린칭 장치(clinching device)와 공압으로 구동되는 핀(pin)이 있습니다. 이 핀은 부재를 관통하여 마찰(friction)로 고정합니다.

경량 게이지 강철 프레이밍의 지속 가능성 고려 사항

이전 장에서 다룬 지속 가능성(sustainability) 문제 외에도, 경량 게이지 강철 건설(light gauge steel construction)의 지속 가능성에 있어 가장 큰 문제는 프레이밍 부재(framing member)의 높은 열전도율(thermal conductivity)입니다. 만약 경량 게이지 강철 부재로 프레이밍된 주택이 목재로 프레이밍된 것처럼 단열(insulation)되고 마감(finish)된다면, 겨울철에 열 손실이 동등한 목재 구조물보다 약 두 배 정도 빠르게 진행될 것입니다. 이러한 한계를 극복하기 위해, 에너지 규정(energy code)은 이제 대부분의 미국 본토를 포함한 추운 지역에서 건설되는 경량 게이지 강철 프레임 건물을 플라스틱 폼 단열 패널(plastic foam insulation panel)로 덮도록 요구하고 있습니다. 이는 강철 프레임 부재를 통한 광범위한 열교(thermal bridging)를 방지하기 위한 것입니다.

단열 외장재(insulating sheathing)를 사용하더라도, 바람직하지 않은 열교를 피하기 위해 세심한 주의가 필요합니다. 예를 들어, 경사진 지붕(sloping roof)이 있는 건물에서는 천장 장선(ceiling joist)과 서까래(rafter) 연결부를 통한 상당한 열교가 남아 있을 수 있습니다 (그림 12.4b 참조). 

이러한 상황을 피하기 위한 한 가지 방법은 내부 벽과 천장 표면에 폼 외장재를 사용하는 것입니다. 그러나 금속 프레임 내부에 단열재를 추가하면 스터드(stud)와 스터드 공간이 더 극단적인 온도에 노출되어 결로(condensation) 위험이 증가합니다. 또한, 프레임에 내부 석고 보드(gypsum wallboard)를 고정하는 데 사용되는 나사를 통한 열교도 여전히 존재합니다. 이러한 열교는 면적은 작지만 열을 쉽게 전도하여 매우 추운 날씨에 내부 마감 표면에 결로가 발생할 수 있습니다.

경량 게이지 강철 프레임 건설은 그 독특한 장점과 도전 과제를 통해 현대 건축의 중요한 한 축을 담당하고 있습니다. 높은 열전도율과 같은 기술적 문제를 해결하기 위한 지속적인 노력이 필요하지만, 이러한 문제를 극복함으로써 우리는 보다 효율적이고 지속 가능한 건축 환경을 구축할 수 있습니다. 앞으로도 경량 게이지 강철 프레임 건설은 다양한 건축 요구에 부합하는 혁신적인 솔루션을 제공할 것입니다.

 

이번 포스팅에 다룬 내용에 대한 퀴즈: ARE 5.0 시험 준비

경량 게이지 강철 프레임 건설에서 사용되는 "냉간 성형" 공정의 주요 이점은 무엇입니까?

A) 강철의 두께를 증가시킵니다.
B) 강철의 강도와 경도를 증가시킵니다.
C) 강철의 색을 변화시킵니다.
D) 강철의 열전도율을 감소시킵니다.

정답: B
설명: 냉간 성형은 강철을 상온에서 가공하여 강도와 경도를 증가시키는 공정입니다. 이는 강철 부재의 구조적 성능을 향상시킵니다.

경량 게이지 강철 프레임 건설에서 '열교'를 방지하는 가장 효과적인 방법은 무엇입니까?

A) 두꺼운 강철 사용
B) 단열 외장재 사용
C) 강철 부재의 길이 증가
D) 강철 코팅 두께 증가

정답: B
설명: 열교는 단열 외장재를 사용하여 열이 쉽게 전달되는 경로를 차단함으로써 방지할 수 있습니다. 이는 에너지 효율성을 높이는 데 중요합니다.

경량 게이지 강철 프레임 부재의 표준 외부 치수는 무엇과 거의 동일합니까?

A) 콘크리트 블록
B) 목재 경량 프레임
C) 벽돌
D) 철근

정답: B
설명: 경량 게이지 강철 프레임 부재의 치수는 목재 경량 프레임과 거의 동일하게 설계되어, 기존 목재 프레임 방식과 유사하게 사용할 수 있습니다.

경량 게이지 강철 프레임 건설에서 사용되는 "셀프 드릴링 및 셀프 태핑 나사"의 주된 기능은 무엇입니까?

A) 강철 표면을 보호합니다.
B) 부재를 쉽게 결합합니다.
C) 강철을 절단합니다.
D) 강철의 두께를 증가시킵니다.

 

정답: B
설명: 셀프 드릴링 및 셀프 태핑 나사는 부재를 빠르고 효율적으로 결합할 수 있도록 설계된 나사입니다. 이는 설치 과정을 간소화합니다.

경량 게이지 강철 프레임 건설에서 ASTM 표준 A1003은 무엇을 규정합니까?

A) 강철의 색상
B) 강철의 열전도율
C) 강철 부재의 제조 및 성능 기준
D) 강철의 두께

정답: C
설명: ASTM 표준 A1003은 경량 게이지 강철 부재의 제조 및 성능 기준을 규정하여, 품질과 안전성을 보장합니다.