제2장 강재

2.1 종류

구조용 강재는 주성분인 철(Fe) 외에도 탄소(C), 크롬(Cr), 망간(Mn), 몰리브덴(Mo), 니켈(Ni) 등 여러 합금원소가 포함되며, 이러한 성분·열처리·압연/가공 조건에 따라 강도, 연성, 인성, 용접성, 내후성(부식 저항), 내화성(고온 성능) 등이 달라진다. (PDF p.1)

강구조 설계에서는 강재 자체의 기계적 성질뿐 아니라, 볼트·용접 등 접합부의 거동이 구조 성능에 큰 영향을 주므로, 재료 성질과 함께 접합 요소의 재료 및 시공 특성까지 이해하는 것이 중요하다. (PDF p.1)

각 강재 유형은 특정 용도와 환경에 맞게 설계된다. 구조물의 요구 사항, 환경 조건, 하중 조건 등을 고려하여 적절한 강재를 선택하는 것이 중요하다.

2.1.1 강재의 종류

(1) 코드 체계

강재는 다음과 같은 코드 체계로 표기된다: SM 275 A W N ZA

재질: SS, SM, HSA/HSB, SMA, FR, SLA, SN, SHN
강도 등급: 275, 355, 420, 460 등
흡수에너지 등급: A (20℃), B (0℃), C (-20℃), D (-40℃)
도장 등급: W (무도장), P (도장)
열처리 등급: N (Normalizing), Q (Quenching), T (Tempering), TMC
Z 방향 연신율 등급: ZA (무보증), ZB (15% 이상), ZC (25% 이상)

교재는 구조용 강재가 KS 규격(예: 일반구조용 SS, 용접구조용 SM, 내후성 SMA, 건축구조용 SN, 건축구조용 H형강 SHN, 고성능 HSA 등)으로 분류됨을 정리하고, 각 규격이 용도·가공성·용접성·성능 요구에 따라 선택됨을 설명한다. (PDF p.3)

(2) 표기법

강재의 표기는 일반적으로 다음과 같은 형식을 따른다.

SM355A
└── 용도 및 강재구분 (예: SM - 용접구조용)
    └── 항복강도 등급 (예: 355 MPa)
        └── 부가 기호 (예: A, B, C 등은 충격 흡수 특성 등급)

기호에 따라 내후성(W), 내화성(FR), 열처리(Q, T), Z방향 성능(ZA, ZB, ZC) 등이 추가로 부여될 수 있다.

(3) 규격 및 특성

한국산업표준(KS)에 따른 강재 규격은 아래와 같다.

KS 번호	명칭	예시
KS D 3503	일반 구조용 압연 강재	SS275
KS D 3515	용접 구조용 압연 강재	SM355A, SM420
KS D 3529	내후성 열간 압연 강재	SMA355AW

(4) 재료 강도(항복강도·인장강도) 개념

구조용 강재의 기본 강도 지표는 항복강도 \(F_y\)와 인장강도 \(F_u\)이며, 강재의 강도 등급은 일반적으로 \(F_y\) 또는 \(F_u\)를 기준으로 분류된다. 교재는 두께에 따라 강도 값이 달라질 수 있음을 표로 제시하며, 설계에서는 해당 규격의 두께 범위에 맞는 값을 사용해야 함을 강조한다. (PDF p.4)

기계적 성질 측면에서 2016년 이후 항복강도 \( F_y \) 기준으로 개정되었으며, 인장강도 대비 비율도 함께 명시되고 있다.

2016년 12월 전후 강재의 인장강도( \( F_u \) )와 항복강도( \( F_y \) ) 비교
변경 전(-2016.12)	변경 후(2016.12 -)	비고(-1997.10 허용응력설계)
용접구조용
SM400 (\( F_u = 400 \) MPa)	SM275 (\( F_y = 275 \) MPa, \( F_u = 410 \) MPa, \( F_y/F_u = 0.671 \))	SWS41
SM490 (\( F_u = 490 \) MPa)	SM355 (\( F_y = 355 \) MPa, \( F_u = 490 \) MPa, \( F_y/F_u = 0.724 \))	SWS50
SM520 (\( F_u = 520 \) MPa)	SM420 (\( F_y = 420 \) MPa, \( F_u = 520 \) MPa, \( F_y/F_u = 0.807 \))
SM570 (\( F_u = 570 \) MPa)	SM460 (\( F_y = 460 \) MPa, \( F_u = 570 \) MPa, \( F_y/F_u = 0.807 \))
일반구조용
SS330 (\( F_u = 330 \) MPa)	SS235 (\( F_y = 235 \) MPa, \( F_u = 330 \) MPa, \( F_y/F_u = 0.712 \))
SS400 (\( F_u = 400 \) MPa)	SS275 (\( F_y = 275 \) MPa, \( F_u = 410 \) MPa, \( F_y/F_u = 0.671 \))	SB41
SS490 (\( F_u = 490 \) MPa)	SS315 (\( F_y = 315 \) MPa, \( F_u = 490 \) MPa, \( F_y/F_u = 0.642 \))	SB50
SS540 (\( F_u = 540 \) MPa)	SS410 (\( F_y = 410 \) MPa, \( F_u = 540 \) MPa, \( F_y/F_u = 0.759 \))	SB55
SS590 (\( F_u = 590 \) MPa)	SS450 (\( F_y = 450 \) MPa, \( F_u = 590 \) MPa, \( F_y/F_u = 0.763 \))

2.1.2 강재의 종류

일반 구조용강 (SS): SS400, SS490, SS540 등. 경제성, 가공성, 범용성 우수.
용접 구조용강 (SM): SM400, SM490 등. 용접성과 인성 우수.
고장력강 (HSA/HSB): HSA800 등. 초고층 건물, 대형교량용.
내후성강 (SMA): SMA400 등. 부식환경에서 사용, 도장 불필요.
내화강 (FR): FR490 등. 고온에서도 강도 유지, 화재 구조물용.
저온용 강재 (SLA): SLA325 등. 극저온 구조물용, LNG 저장탱크 등에 사용.

2.1.3 단면 표기법 및 대표 단면

(1) 단면 형태별 강재

봉강: 원형·사각형·육각형 등. 앵커볼트, 리벳, 볼트 소재 등에도 사용. (PDF p.4)
형강: ㄱ형강(앵글), ㄷ형강(채널), H형강(와이드플랜지), T형강 등. 가장 일반적인 구조 부재 단면. (PDF p.4~p.6)
강판: 두께에 따라 후판/박판으로 구분되며, 거셋플레이트, 플레이트거더, 기둥 플랜지 등 다양한 용도로 사용. (PDF p.6)
경량형강: 얇은 강판을 냉간성형하여 제작(리프/모자형 등). 단면 성능은 좋으나 국부좌굴 취약성에 유의. (PDF p.7)
강관: 이음매 없는 강관과 용접강관으로 구분되며, 원형/각형 강관은 압축·비틀림에 유리한 단면특성을 갖는다. (PDF p.7)

(2) 단면 형태별 치수

[LINK] H형강, I형강 규격(모양, 치수 등)

H형강, I형강, ㄷ형강, T형강, ㄱ형강, 각형강관, 원형강관, 강판, 강봉 등 다양한 형강이 있으며, 표기법은 다음과 같다:

H - 400×200×8×13: 높이×폭×웹두께×플랜지두께
ㄷ - 200×75×9×11, T - 100×100×12×10
□ - 150×150×9, ○ - 200×12
PL - 25, PL - 25×150, ϕ - 20

형강단면 (形鋼(形钢): 자른 면이 일정한 形狀의 鋼材)
(출처: kim2kie)

(3) H형강(H-Beam)의 대표 규격

건축물에서 가장 많이 사용하는 H형강(H-Beam)의 대표적인 규격(치수)은 기둥용과 보(Beam)용에 따라 나누어 구분한다.

규격 표시 방식은 높이(H) × 너비(B) × 웨브두께(\(t_1\)) × 플랜지두께(\(t_2\)) (단위: mm) 순서로 나타낸다.

① 기둥(Column)용 주요 규격 (정방형 비율: \( H \approx B \))

기둥은 전 방향에서 작용하는 좌굴과 모멘트에 견뎌야 하므로 높이와 너비 비율이 거의 1:1에 가까운 규격을 사용한다.

규격	예시 (H×B×t₁×t₂)	주요 용도
H-200×200	200×200×8×12	소형 철골, 근생, 빌라, 보강재
H-250×250	250×255×14×14	소규모 공장, 상가 기둥
H-300×300	300×300×10×15	중소형 건축물 기둥으로 가장 흔하게 사용
H-350×350 / H-400×400	-	중대형 공장, 물류창고, 일반 빌딩 주요 기둥

② 보(Beam / Girder)용 주요 규격 (직사각형 비율: \( H > B \))

보는 수직 하중에 의한 휨 모멘트에 견뎌야 하므로 단면 높이(H)가 너비(B)보다 큰 장방형 규격을 사용한다.

규격	예시 (H×B×t₁×t₂)	주요 용도
H-300×150	298×149×5.5×8	소형 보, 스팬이 짧은 구간
H-400×200	396×199×7×11	일반 건축물 보(Beam)로 가장 널리 쓰이는 표준 사이즈
H-500×200	496×199×9×14	스팬이 긴 주보(Girder), 대형 상가/공장
H-600×200 / H-700×300	-	대형 물류센터, 대스팬 구조물의 주보

(4) 기타 형강의 대표 사이즈

앵글 (등변 L형강): L-50×50×6t, L-75×75×6t / 9t — 가새 및 접합부 보강용
채널 (C형강): C-100×50×5t, C-150×75×6.5t, C-200×75×8t — 작은 보, 퍼린/중도리용
각관 (Square Tube): 100×100×3.2t / 4.5t, 150×150×6t / 9t, 200×200×6t / 9t — 소형 기둥 및 하지재용

2.2 취성파괴

취성파괴는 연성 변형 없이 급격하게 파괴되는 현상으로, 다음과 같은 원인에 의해 발생한다:

고강도 강재: 연성이 낮아 충격에 취약
두꺼운 강재: 잔류 응력, 응력 집중 증가
저온 환경: 취성 전이 온도 이하 사용 시 파괴 위험
복잡한 부재 배열, 볼트·용접부: 응력 집중 유발

2.3 피로파괴

피로파괴는 반복 하중에 의해 발생하며, 보통 다음과 같은 과정을 따른다:

균열 발생: 응력 집중 부위에서 시작
균열 성장: 반복 하중으로 점진적 성장
최종 파괴: 단면 부족으로 급작스러운 파괴

피로 수명은 하중 크기, 주기, 환경, 재료 특성 등에 따라 달라지며, S-N 곡선을 통해 예측 가능하다.

예방책으로는 응력 집중 완화, 적절한 재료 선택, 비파괴 검사 등이 있다.

2.4 내화성

강재의 내화성은 고온에서 구조적 안정성을 유지하는 능력을 의미하며, 다음 요소가 관련된다:

열전도율: 열이 빠르게 전달됨
열팽창: 온도 상승 시 구조 변형 유발
강도 감소: 600℃ 이상에서 급격한 강도 손실
크리프: 고온에서 지속 응력 시 점진적 변형
부착력 감소: 고온에서 재료 간 부착 약화

대응 방법: 내화 피복, 콘크리트 피복, 내화 시험, 내화성 높은 강재 선택

2.5 인성·노치인성·파괴인성·충격강도

인성: 큰 변형에너지를 흡수할 수 있는 능력(응력-변형률 곡선 아래 면적). (PDF p.20)
노치인성: 노치(결함) 존재 시 취성 파괴에 대한 저항 능력. (PDF p.20)
파괴인성: 균열이 존재할 때 균열 성장/불안정 파괴에 대한 저항 능력. (PDF p.20)
충격강도: 충격하중에 대한 에너지 흡수 능력(충격시험으로 평가). (PDF p.20)
피로강도: 반복하중에 대한 파괴 저항 능력. (PDF p.20)