건축사 시험 준비: 건축가와 시공사를 위한 경량 철강 프레이밍 마스터 가이드: 설계 원리부터 시공 디테일까지

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

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경량 철강 프레이밍(Light Gauge Steel Framing)은 현대 건축에서 중요한 구조 시스템으로, 그 시공성과 내구성으로 인해 널리 채택되고 있습니다. 본 장에서는 경량 철강재를 이용한 건물의 프레이밍 절차, 구조적 특성, 그리고 다양한 응용 방법에 대해 상세히 살펴보겠습니다. 특히 전통적인 목구조 프레이밍과의 비교를 통해 경량 철강 프레이밍의 장점과 주의사항을 이해하고, 실제 시공 현장에서의 적용 방법을 구체적으로 설명하고자 합니다.

 

이번 글에 포함된 건축 전문 용어: 

구조 관련 용어
1. 경량 철강재 (Light Gauge Steel Members)
얇은 강판을 냉간 성형하여 만든 건축용 구조재
두께가 일반 구조용 강재보다 얇지만(보통 0.8~3mm) 정교한 단면 설계로 효율적인 하중 지지 가능
주로 벽체, 바닥, 지붕 구조에 사용

2. 플랫폼 방식 (Platform Method)
각 층을 독립적으로 시공하는 건축 공법
1층 바닥을 만들고 → 벽체 설치 → 2층 바닥 시공의 순서로 진행
층별 시공이 명확하여 품질관리가 용이한 장점

3. 스터드 (Studs)
벽체를 구성하는 수직 구조재
하중을 지지하고 외장재나 내장재를 부착하는 뼈대 역할
일정 간격(보통 400mm 또는 600mm)으로 배치

자재 및 부품 용어
1. 시스닝 패널 (Sheathing Panels)
벽체나 지붕의 구조적 강성을 높이는 덮개 재료
목재, 석고보드 등 다양한 재질 사용
구조체의 비틀림을 방지하고 내구성 향상

2. 웹 스티프너 (Web Stiffeners)
구조재의 웹(얇은 중간 부분)을 보강하는 부품
좌굴 방지와 하중 전달 성능 향상
주로 큰 하중이 집중되는 지점에 설치

3. 브리징 (Bridging)
구조재 사이를 연결하는 보강재
횡방향 안정성 확보
하중 분산 효과

구조적 현상 용어
1. 좌굴 (Buckling)
압축력을 받는 부재가 옆으로 휘는 현상
경량 철강재의 주요 파괴 모드
적절한 보강으로 예방 필요

2. 비틀림 (Twisting)
부재가 자신의 축을 중심으로 회전하는 변형
비대칭 하중이나 편심하중에 의해 발생
구조적 성능 저하의 원인

3. 전단 저항 (Shear Resistance)
수평 방향 힘에 대한 저항 능력
지진이나 바람하중에 대한 중요한 성능 지표
적절한 보강재 설치로 향상 가능

시공 관련 용어
1. 냉간 성형 (Cold-Forming)
상온에서 금속을 압연하여 형상을 만드는 공정
열처리 없이 제작하여 경제적
정교한 단면 형상 제작 가능

2. 비하중용 (Non Load Bearing)
구조적 하중을 지지하지 않는 부재
주로 칸막이 벽 등에 사용
상대적으로 가벼운 자재 사용 가능

3. 파사드 (Facade)
건물의 정면 또는 외관
미적 요소와 기능적 요소 모두 고려
다양한 마감재로 구성

실무 팁
경량 철강재 시공 시 수직/수평 정렬이 매우 중요
접합부 처리에 특별한 주의 필요
단열과 결로 방지를 위한 세심한 계획 필요
현장 상황에 따른 유연한 대응 능력 중요

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프레이밍 절차 (Framing Procedures)

경량 철강재(light gauge steel members)로 완전히 구성된 건물의 시공 순서는 이전 글에서 설명한 2인치(38mm) 목재 부재(nominal 2-inch wood members)로 구성된 건물의 시공과 본질적으로 동일합니다(그림 12.4 참조). 

프레이밍은 보통 플랫폼 방식으로 이루어집니다. 즉, 1층 바닥은 철강재 들보(steel joists)로 프레이밍됩니다. 들보의 상단 면에는 접착제(mastic adhesive)를 바르고, 나무 패널 하부 바닥재(wood panel subflooring)를 깔고 나사로 들보의 상단 플랜지에 고정합니다. 철강재 스터드(steel studs)는 하부 바닥재 위에 평평하게 놓여 벽 프레임을 만듭니다. 벽 프레임은 나무 패널이나 비가연성(noncombustible) 건축을 위해 석고 시스닝 패널(gypsum sheathing panels)로 덮습니다. 이 패널은 유리 매트(glass mat) 표면과 내수성 코어를 가진 석고 보드(gypsum wallboard)와 유사합니다. 벽 프레임은 세워져 바닥 프레임에 나사로 고정되고 지지됩니다. 그 다음으로 상층 바닥 플랫폼과 벽을 프레이밍합니다. 마지막으로, 천장과 지붕을 목재 프레임 하우스에서와 유사한 방식으로 프레이밍합니다. 경량 철강재로 조립된 프리패브 트러스(prefabricated trusses)는 종종 천장과 지붕을 프레이밍하는 데 사용됩니다(그림 12.15 및 12.16 참조).

사실, 경량 철강재로는 2인치(38mm) 목재 부재로 프레이밍할 수 있는 모든 건물을 프레이밍할 수 있습니다. 건축 법규상 더 높은 내화성(fire-resistive) 건축 유형을 달성하기 위해, 때때로 목재 패널 하부 바닥재 대신 콘크리트 덮개가 있는 골판지 철강 데킹(corrugated steel decking)을 사용하기도 합니다. 바닥과 벽의 개구부는 목재 프레임 건축의 개구부와 유사하게 프레이밍되며, 각 개구부 주변에는 이중 부재(doubled members)와 문과 창문 위에 강력한 헤더(strong headers)가 있습니다(그림 12.5-12.9 참조). 

개구부 주변 부재를 연결하기 위해 강판(steel sheet)으로 만든 들보 걸이(joist hangers)와 직각 클립(right-angle clips)이 사용됩니다. 경량 철강재 부재는 용마루보드(ridge board)나 헤더(header)로 사용할 때 특히 강하고 단단한 튜블러(tubular) 구성을 형성하도록 설계되었습니다(그림 12.4a 및 12.5 참조).

경량 철강재(light gauge steel members)는 목재 부재(wood counterparts)보다 하중(load) 하에서 비틀림(twisting)이나 좌굴(buckling)이 발생하기 쉬우므로, 이들의 지지대(bracing)와 브리징(bridging)에 좀 더 많은 주의를 기울여야 합니다. 높은 벽의 스터드(studs)는 일반적으로 4피트(1200mm) 간격으로 지지되는데, 이는 스터드 가장자리에 나사로 고정된 철강 스트랩(steel straps)이나 스터드에 뚫린 구멍을 통과하여 각 스터드에 있는 앵글 클립(angle clip)에 용접 또는 나사로 고정된 1½인치(38mm) 냉간 성형 철강 채널(cold-formed steel channels)로 이루어집니다(그림 12.8 참조).

 

바닥 들보(floor joists)는 C-조이스트 블로킹(cee-joist blocking)과 상단 및 하단 가장자리에 나사로 고정된 철강 스트랩으로 연결됩니다. 큰 수직 하중(vertical forces)이 바닥 들보를 통과해야 하는 위치(예: 하중 지지 스터드가 바닥 플랫폼 가장자리에 위치하는 경우)에서는, 철강 웹 스티프너(steel web stiffeners)가 얇은 들보의 웹에 나사로 고정되어 좌굴을 방지합니다(그림 12.4c, e 참조).

벽 지지대(wall bracing)는 스터드에 나사로 고정된 대각선 철강 스트랩(diagonal steel straps)으로 구성됩니다(그림 12.7 참조). 

영구적인 좌굴, 비틀림, 그리고 바람이나 지진과 같은 측면 하중(lateral loads)에 대한 저항은 주로 하부 바닥재(subflooring), 벽 시스닝(wall sheathing), 그리고 내부 마감재(interior finish materials)에 의해 매우 효과적으로 제공됩니다.

경량 철강재 프레이밍의 다른 일반적인 용도

경량 철강재(light gauge steel members)는 구조용 철강(structural steel), 콘크리트(concrete), 또는 조적(masonry)으로 된 내화 건물(fire-resistant buildings)의 여러 구성 요소를 만드는 데 사용됩니다. 이러한 구성 요소에는 내부 벽과 칸막이(interior walls and partitions), 천장 시스템(suspended ceilings), 그리고 외장재로 사용되는 벽돌 베니어(masonry veneer), 외부 단열 마감 시스템(exterior insulation and finish system, EIFS), 유리 섬유 강화 콘크리트(glass-fiber-reinforced concrete, GFRC), 금속 패널(metal panels), 다양한 얇은 석재 클래딩 시스템(thin stone cladding systems)을 위한 파사드(fascias), 파라펫(parapets), 백업 벽(backup walls)이 포함됩니다(그림 12.13 및 12.14 참조).

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내부 칸막이(interior partitions)와 다른 비하중용(non load bearing) 용도로 사용되는 경량 철강재는 비구조용 금속 프레이밍(nonstructural metal framing)이라고 적절히 불리며 명시됩니다. 이는 구조용 응용(structural applications) 및 외벽 클래딩 시스템(exterior wall cladding systems)에 사용되는 경량 철강재를 지칭하는 냉간 성형 금속 프레이밍(cold-formed metal framing)과 구별됩니다. 두 종류의 부재가 실제로는 모두 냉간 성형(cold-formed)되어 있지만, 용도에 따라 구분됩니다.

경량 철강 스터드와 콘크리트의 결합

경량 철강 스터드(light gauge steel studs)는 콘크리트(concrete)와 결합하여 얇지만 비교적 강성이 있는 벽 패널 시스템(wall panel systems)을 만들 수 있습니다. 이러한 패널은 하중 지지(load bearing) 및 비하중 지지(non load bearing) 모두 가능하며, 주거용 및 경상업용 건물(residential and light commercial buildings)에 적합합니다. 다양한 생산 방법이 가능하며, 일반적으로 약 2인치(50mm) 두께의 콘크리트 표면을 철강 스터드로 이루어진 프레임워크에 주조(casting)하는 방식이 포함됩니다.

콘크리트는 현장에서 주조(sitecast)하거나 공장에서 미리 주조(precast)할 수 있습니다. 콘크리트와 철강의 결합은 스터드에 용접되거나 나사로 고정된 다양한 장치를 통해 이루어질 수 있으며, 이들은 콘크리트에 매립됩니다. 이러한 장치에는 스터드 앵커(stud anchors), 금속 전단 스트립(sheet metal shear strips), 용접 철망(welded wire reinforcing), 또는 팽창 금속(expanded metal)이 포함됩니다.

하중 지지 응용(load bearing applications)에서는 콘크리트 패널이 전단 저항(shear resistance)을 제공하고, 철강 스터드가 대부분의 중력 하중(gravity loads)과 패널 표면에 수직으로 작용하는 바람 하중(wind loads)에 대한 저항을 제공합니다.

혼합 사용과 주의 사항

비연소성(noncombustibility)이 요구되지 않는 상황에서는 금속과 목재 경량 프레이밍(metal and wood light framing)이 동일한 건물에서 혼합 사용되기도 합니다. 일부 건축업자들은 외벽(exterior walls), 바닥(floors), 지붕(roof)을 목재로 프레이밍하고, 내부 칸막이(interior partitions)를 철강으로 프레이밍하는 것이 경제적이라고 생각합니다. 때로는 모든 벽, 내부 및 외부 모두 철강으로 프레이밍하고, 바닥은 목재로 프레이밍하기도 합니다. 경량 부재로 만들어진 철강 트러스(steel trusses)는 목재 프레임 벽 위에 적용될 수 있습니다.

이러한 혼합 사용에서는 목재의 수축(shrinkage)이 예상치 못한 응력(stresses)이나 마감재(finish materials)에 손상을 초래하지 않도록 세부 사항에 특별한 주의를 기울여야 합니다. 또한, 흰개미(termites)로 인한 손상의 위험이 매우 높은 곳에서는 목재 대신 철강 프레이밍을 사용할 수 있습니다.

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경량 철강 프레임 구조의 초기 설계

1. 서까래 깊이 추정

박공지붕(gable roof)이나 우진각지붕(hip roof)에서는 건물 외벽에서 마루보(ridge board)까지의 수평 거리(horizontal distance)를 기준으로, 차양지붕(shed roof)에서는 지지대 사이의 수평 거리를 기준으로 서까래(rafter)의 깊이를 추정합니다. 이 스팬(span)의 1/24로 서까래 깊이를 추정하고, 가장 가까운 2인치(50mm) 단위로 올림합니다.

2. 경량 철강 지붕 트러스 깊이

경량 철강 지붕 트러스(light gauge steel roof trusses)의 깊이는 일반적으로 원하는 지붕 경사(roof pitch)를 기준으로 합니다. 일반적인 깊이는 건물 폭의 1/4이며, 이는 6/12 경사에 해당합니다.

 

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3. 경량 철강 바닥 들보 깊이 추정

경량 철강 바닥 들보(light gauge steel floor joists)의 깊이는 스팬의 1/20으로 추정하며, 가장 가까운 2인치(50mm) 단위로 올림합니다.

4. 하중 지지 스터드

하중을 받는 스터드(load bearing studs)의 경우, 스터드 벽에 하중을 주는 바닥과 지붕 슬래브의 총 폭을 합산합니다. 3 5/8인치(92mm) 또는 4인치(102mm) 스터드 벽은 약 60피트(18m)의 결합된 폭을 지지할 수 있으며, 6인치(152mm) 또는 8인치(203mm) 스터드 벽은 약 150피트(45m)의 결합된 폭을 지지할 수 있습니다.

5. 외장재 백업 벽

외장재 클래딩 백업 벽(exterior cladding backup walls)에서는 3 5/8인치(92mm) 스터드는 최대 높이 12피트(3.7m), 6인치(150mm) 스터드는 19피트(5.8m), 8인치(203mm) 스터드는 30피트(9.1m)까지 사용할 수 있습니다. 벽돌 조적(brick masonry)과 같은 취성 클래딩(brittle cladding) 재료의 경우, 이 수치보다 2인치(50mm) 더 깊은 스터드를 선택합니다.

모든 프레이밍 부재는 보통 24인치(600mm) 간격으로 배치됩니다. 이러한 추정치는 초기 건물 레이아웃에만 유효하며 최종 부재 크기를 선택하는 데 사용해서는 안 됩니다. 이는 주거용, 사무실, 상업용 및 기관 건물의 일반적인 범위에 적용됩니다. 제조 및 저장 건물의 경우, 다소 큰 부재를 사용합니다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 경량 철강 프레이밍은 현대 건축에서 매우 다양하고 유연한 응용이 가능한 구조 시스템입니다. 목재 프레이밍과의 호환성, 내화성능, 그리고 구조적 안정성 등 여러 장점을 제공하면서도, 적절한 설계와 시공 방법을 통해 그 한계점들을 효과적으로 극복할 수 있습니다. 특히 초기 설계 단계에서의 신중한 고려사항들은 성공적인 프로젝트 수행의 핵심이 됩니다.

이번 포스팅에 다룬 내용에 대한 퀴즈: ARE 5.0 시험 준비

Question 1
경량 철강재 구조에서 바닥 구조체 시공 순서로 올바른 것은?
A) 철강재 들보 설치 → 접착제 도포 → 석고보드 설치 → 나사 고정
B) 접착제 도포 → 철강재 들보 설치 → 나무 패널 설치 → 나사 고정
C) 철강재 들보 설치 → 접착제 도포 → 나무 패널 설치 → 나사 고정
D) 나무 패널 설치 → 접착제 도포 → 철강재 들보 설치 → 나사 고정

Question 2
경량 철강재 벽체 시공에서 시스닝 패널(sheathing panels)의 주요 기능이 아닌 것은?
A) 구조적 강성 제공
B) 내화성능 향상
C) 단열성능 향상
D) 하중 지지 기능

Question 3
플랫폼 방식 시공의 특징으로 올바르지 않은 것은?
A) 각 층별로 독립적인 시공이 가능하다
B) 상부 층 시공 전 하부 층이 완성되어야 한다
C) 연속적인 수직 하중 전달이 불가능하다
D) 품질관리가 용이하다

Question 4
경량 철강재 구조에서 비가연성 건축을 위해 사용되는 시스닝 패널의 특징으로 가장 적절한 것은?
A) 목재 합판과 동일한 재질을 사용한다
B) 유리 매트 표면과 내수성 코어를 가진 석고 보드를 사용한다
C) 금속 패널만을 사용한다
D) 플라스틱 복합재를 사용한다

Question 5
경량 철강재 구조의 지붕 프레이밍에 대한 설명으로 가장 적절한 것은?
A) 반드시 현장에서 조립해야 한다
B) 목재 트러스만 사용이 가능하다
C) 프리패브 트러스 사용이 일반적이다
D) 콘크리트 슬래브만 사용할 수 있다

정답 및 해설

정답: C
해설: 경량 철강재 구조의 바닥 시공은 철강재 들보 설치 → 접착제 도포 → 나무 패널 설치 → 나사 고정의 순서로 진행됩니다. 이는 구조적 안정성과 시공성을 최적화하는 표준 절차입니다.

정답: D
해설: 시스닝 패널의 주요 기능은 구조적 강성 제공, 내화성능 향상, 단열성능 향상입니다. 하중 지지는 주로 철강재 프레임이 담당하며, 시스닝 패널은 보조적인 역할만 수행합니다.

정답: C
해설: 플랫폼 방식은 연속적인 수직 하중 전달이 가능합니다. 오히려 이는 플랫폼 방식의 장점 중 하나로, 각 층이 완성될 때마다 안정적인 하중 전달 경로가 형성됩니다.

정답: B
해설: 비가연성 건축을 위해서는 유리 매트 표면과 내수성 코어를 가진 석고 보드가 사용됩니다. 이는 화재 저항성과 내구성을 동시에 제공하는 최적의 솔루션입니다.

정답: C
해설: 경량 철강재 구조의 지붕 프레이밍은 일반적으로 프리패브 트러스를 사용합니다. 이는 시공 시간 단축과 품질 관리 측면에서 유리하며, 현장 작업을 최소화할 수 있습니다.

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

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