강구조(steel structures)는 공장에서 제조·성형·압연된 강재(형강, 강판, 봉강 등)를 현장에서 볼트 또는 용접으로 조립하여 만드는 구조를 말한다. 강재는 강도와 인성이 크고, 다양한 형상으로 제작이 가능하여 건축물뿐 아니라 교량, 송전철탑, 산업설비 구조 등 광범위하게 사용된다.
강구조는 철근콘크리트 구조에 비해 같은 강도를 확보하면서도 부재 단면을 작게 할 수 있어 자중을 줄이기 유리하다. 또한 공장 제작 비중이 커 품질이 비교적 균일하고, 구조해석·설계모형에 의해 거동을 예측하기 쉽다는 점이 강구조의 큰 장점으로 정리된다(첨부 PDF p.1~p.2).
제선은 철광석(예: 적철광 Fe2O3, 자철광 Fe3O4)을 고로에서 환원해 쇳물을 만드는 과정이다.
고로 내부에서 연료(코크스 등)를 연소시키며 발생하는 열과 환원 작용으로 철을 얻고,
불순물은 슬래그(slag)로 분리된다. 이렇게 얻어진 선철(pig iron)은 일반적으로 탄소 함량이 높아
그대로는 구조용으로 쓰기 어렵고, 다음 단계인 제강에서 성분을 조절한다. (PDF p.2)
1-1.2 제강(製鋼)
제강은 선철의 과도한 탄소와 인(P), 황(S) 등 불순물을 제거하여 원하는 성분의 강을 만드는 과정이다.
교재에서는 산화반응을 이용해 탄소를 낮추고, 필요한 합금원소를 조절해 강도를 확보하는 흐름을 설명한다.
제강 공정으로는 전로(BOF), 전기로(EAF) 등이 대표적이다. (PDF p.2)
1-1.3 성형(成形) 및 가공
제강으로 얻어진 강은 압연 및 성형을 통해 형강·강판·강관 등 다양한 단면으로 제작된다.
특히 냉간성형강은 얇은 강판을 냉간에서 성형하여 만들어 단면 효율이 좋은 반면,
단면이 얇아 국부좌굴 등 안정 문제에 대한 검토가 중요하다. (PDF p.3, p.7)
1.2 강재의 응력-변형률 관계
강재는 인장시험을 통해 응력-변형률 곡선을 파악하며, 이는 재료의 탄성, 항복, 파단 특성을 보여준다.
강재의 인장 응력-변형률 곡선
구조용 강재의 재료정수는 다음 표와 같다.
정수
탄성계수 (MPa)
전단탄성계수 (MPa)
푸아송비
선팽창계수 (1/℃)
강재
210,000
81,000
0.3
0.000012
1.3 강재의 역학적 성질(응력-변형률·탄성계수·전단·푸아송비 등)
강재의 기계적 성질은 인장시험에서 얻는 응력-변형률 곡선으로 대표된다. 교재는 비례한도, 항복, 변형경화,
인장강도, 파단 및 항복강도 정의(0.2% 오프셋 등)를 그림(2-12~2-14)과 함께 설명한다. (PDF p.17~p.19)
탄성계수(Young's modulus)
설계에서는 일반적으로 \(E = 210{,}000\,\text{MPa}\)를 사용한다. (PDF p.19)
전단탄성계수
전단탄성계수 \(G\)는 다음과 같이 표현된다. (PDF p.19)
\[ G = \frac{E}{2(1+\nu)} \]
강재는 보통 \(ν \approx 0.3\)로 두고 \(G \approx 81{,}000\,\text{MPa}\)를 사용한다. (PDF p.19)
푸아송비
강재는 탄성역에서 약 0.3, 소성역에서는 약 0.5 수준을 보일 수 있다. (PDF p.19)
1.4 강재의 장단점
강재는 구조재료로서 다음과 같은 장점을 가진다.
단위 체적당 강도와 강성이 크며, 자중은 콘크리트보다 가벼움
공장 제작으로 품질이 균일하고 구조거동 예측이 용이함
연성이 높고 구조 변경 및 보수가 용이함
용접 및 볼트접합이 가능하며 시공성이 우수함
추가(교재 요지): 강구조의 장점은 위 항목 외에도 내진성능(연성), 재활용 가능성(친환경성), 공기 단축(건식 공정) 등으로 확장해 정리할 수 있다. 반면, 부식·좌굴·화재 시 강도 저하와 같은 단점은 설계·시공·유지관리 단계에서 반드시 대책을 마련해야 한다.
1.5 강구조의 특징과 설계·시공 관점
1.5.1 강구조의 장점(확장 정리)
고강도·경량: 단위체적당 강도와 강성이 크며, 동일 내력을 확보할 때 자중을 줄이기 유리하다.
공장 제작에 따른 품질 확보: 제작 정밀도가 높고, 균일한 품질 관리가 가능하여 설계 의도 구현이 비교적 용이하다.
시공 및 개조 용이: 볼트/용접 접합을 통해 조립·해체가 가능하고, 증축·보수·구조 변경이 비교적 수월하다.
연성 및 에너지 흡수: 재료의 연성이 커서 극한상태에서 경고(변형)를 동반하는 경우가 많아 내진성능 측면에서 유리한 특징을 갖는다.
1.5.2 강구조의 단점 및 유의점(교재 관점)
부식(내구성): 노출 환경에서 부식이 진행될 수 있으므로 도장·피복·내후성 강재 등 내식 대책이 필요하다.
좌굴(압축·휨 부재): 강재는 강도가 큰 반면 부재가 세장해지기 쉬워, 압축·휨 부재에서 좌굴 안정 검토가 매우 중요하다.
고온에서 강도 저하: 온도가 상승하면 탄성계수 및 강도가 저하되어 고온(화재) 시 급격한 성능 저하가 발생할 수 있다.
접합부 품질·시공성: 용접 결함, 볼트 체결 불량 등 접합부 품질이 전체 성능에 직접 영향을 주므로 제작·시공 관리가 핵심이다.
1.6 고온(화재) 시 거동과 내화 개요
강재는 약 300 ℃까지는 상온과 유사한 성질을 보이나, 그 이상의 온도에서는 탄성계수 및 강도가 감소하여 변형이 커지기 시작한다. 따라서 화재와 같은 고온 상황에서는 부재 성능이 급격히 저하될 수 있으므로, 내화피복 등 적절한 내화 대책을 통해 요구 성능을 확보해야 한다(첨부 PDF p.2).
또한 강구조는 부재가 가늘고 표면적 대비 체적 비가 커 가열·냉각이 빠르게 진행될 수 있으므로, 화재 시 구조 안정성 확보를 위해 설계 단계에서 내화 성능을 함께 고려하는 것이 중요하다.
1.7 강구조의 발전사(세계·국내)
1.7.1 제강법과 구조이론의 발전
강구조의 발달은 제강기술의 발전과 함께 이루어졌다. 대표적으로 19세기 중반 베세머(Henry Bessemer)의 전로 제강법, 이어서 지멘스-마르틴(Siemens) 평로 제강법이 보급되며 강재 생산이 확대되었다. 이후 구조이론 측면에서는 탄성 및 좌굴 이론, 판·쉘 이론 등이 정립되며 강구조 설계의 공학적 기반이 강화되었다(첨부 PDF p.3).
1.7.2 고층·장대 구조물의 등장
제강 및 제작 기술의 발전과 함께 강구조는 고층 건물과 장대교량에 적용 범위를 넓혀 왔다. 교재는 20세기 고층 건물의 성장과 초고층 시대의 도래를 예로 들며, 강구조가 장경간 및 초고층에서 중요한 구조 형식으로 자리 잡았음을 설명한다(첨부 PDF p.3).
1.7.3 우리나라 강구조의 발전
국내에서는 1960년대 이후 본격적인 철강 생산 및 건설 산업 성장과 함께 강구조 적용이 확대되었다. 교재는 철강 생산 기반의 성장, 건축물·산업설비의 대형화, 설계·시공 기술의 발전 흐름을 통해 국내 강구조가 지속적으로 발전해 왔음을 정리한다(첨부 PDF p.4).
1.7.4 최근 연구·설계 동향(교재 요지)
최근에는 고강도강, 내진 및 성능기반설계, 접합부 성능 향상, 복합구조 및 신공법 개발 등으로 연구 범위가 확장되고 있다. 또한 모델링·해석 기술과 제작·시공 품질 관리가 고도화되면서 보다 합리적이고 경제적인 강구조 설계가 가능해지고 있다(첨부 PDF p.4).
