본문내용
1. 철골구조
1.1. 철골구조의 정의
철골구조는 공장에서 제련, 성형된 구조부재를 리벳, 볼트 또는 용접 등의 방법으로 접합하여 하중을 지지할 수 있도록 만들어진 구조체이다. 철골구조는 다른 구조재료보다 강도가 크기 때문에 자중을 줄일 수 있으며, 소성변형 능력이 커서 상당한 변위에도 견딜 수 있다. 또한 세장한 부재 구조가 가능하다는 장점이 있다. 하지만 열에 의한 강도 저하가 크므로 내화 피복이 필요하며, 피로에 의한 강도 저하가 심하다는 단점이 있다.
1.2. 철골구조의 장단점
철골구조의 장단점은 다음과 같다.
철골구조의 장점은 고강도로 다른 구조 재료보다 강도가 커서 자중을 줄일 수 있으며, 소성변형능력이 커서 상당한 변위에도 견딜 수 있다. 또한 세장한 부재가 가능하여 압축강도가 콘크리트의 약 10~20배로 커서 단면이 상대적으로 작아도 되고, 재료의 균질성과 시공의 편이성이 있다. 해체가 용이하고 재사용이 가능하며 환경친화적인 재료이자 하이테크 건축재료이다."
철골구조의 단점은 처짐 및 진동을 신중하게 고려해야 하고, 좌굴에 취약하며 내화성이 낮아 내화피복이 필요하다. 피로에 의한 강도저하가 심하고 관리비용이 증가하는 단점이 있다."
1.3. 강재의 제법 및 종류
강재의 제법 및 종류는 다음과 같다.
강재의 제법은 제선, 제강, 성형의 과정으로 이루어진다. 제선 과정에서는 철광석에서 선철을 뽑아내고, 제강 과정에서 선철의 성질을 변화시켜 강재를 만들거나 고철을 용융시켜 강재를 만든다. 성형 과정에서는 제강 과정을 통해 얻은 강재를 일정한 형태와 단면 성능을 갖는 부재로 만든다.
화학적 성질에 따라 구조용 강재는 크게 탄소강, 구조용 합금강, 열처리강, TMCP강으로 분류된다.
탄소강은 가격이 싸고 성질이 비교적 우수하여 가장 널리 이용되는 강재로, 탄소량에 따라 저탄소강, 연탄소강, 중탄소강, 고탄소강으로 나뉜다.
구조용 합금강은 탄소강의 단점을 보완하기 위해 합금 원소를 첨가한 강재로, 망간과 탄소 대신 크롬, 몰리브덴, 바나듐 등을 사용하여 고강도를 얻으면서 인성 저하를 억제한다.
열처리강은 담금질과 뜨임의 열처리 과정을 통해 고강도를 얻은 강재이며, TMCP강은 제어 열처리 공정을 거쳐 용접성과 내진성이 우수한 극후판의 고강도 강재이다.
강재의 화학 성분에 따라 강도, 인성, 용접성이 달라지며, 구조용 강재의 재질을 표시할 때는 이러한 화학 성분의 특성을 반영한다.
1.4. 구조용 강재의 성질
구조용 강재의 성질은 다음과 같다:
강재는 화학성분에 따라 탄소강, 구조용 합금강, 열처리강 등으로 분류된다. 탄소강은 가격이 싸고 성질이 비교적 우수하여 가장 널리 이용되는 강재이다. 탄소량이 증가할수록 강도는 증가하지만 인성은 감소한다. 이 때문에 탄소강의 성분 중 인성과 용접성에 나쁜 영향을 미치는 황(S)과 인(P) 성분을 억제해야 한다.
구조용 합금강은 탄소강의 단점을 보완하기 위해 만든 강재로, 탄소(C)와 망간(Mn) 대신 합금원소(Cr, Mo, V)를 사용하여 고강도를 얻으면서도 인성의 감소를 억제한다. 열처리강은 담금질과 뜨임의 열처리를 통해 고강도를 얻은 강재이다.
강재의 역학적 특성을 보면, 응력-변형률 곡선에서 탄성영역, 소성영역, 변형도 경화영역, 파괴영역으로 구분된다. 고강도강은 0.2%의 영구변형도에 해당하는 응력을 항복강도로 정의한다. 강재의 탄성계수(E)는 약 205,000 N/㎟이며, 전단탄성계수(G)는 79,000 N/㎟이다. 프아송비(v)는 0.3이다.
강재는 연성과 인성이 우수하여 큰 변형에너지를 흡수할 수 있다. 또한 피로강도가 우수하여 반복하중에도 파괴되지 않는다. 그러나 온도에 따른 강도변화가 크고 용접성이 떨어지는 단점이 있다.
1.5. 구조용 강재의 항복강도와 탄성계수
구조용 강재의 항복강도와 탄성계수는 다음과 같다.
구조용 강재의 항복강도는 강재의 재질에 따라 달라지며, 일반적으로 탄소강의 경우 탄소 함유량에 따라 항복강도가 달라진다. 저탄소강(탄소함유 0.15% 미만)의 경우 항복강도가 235~295 N/mm2 수준이며, 연탄소강(탄소함유 0.15~0.29%)의 경우 295~390 N/mm2, 중탄소강(탄소함유 0.3~0.59%)의 경우 390~490 N/mm2의 항복강도를 가진다. 반면 고탄소강(탄소함유 0.6~1.7%)의 경우 항복강도가 690~1230 N/mm2 수준으로 매우 높다. 또한 구조용 합금강의 경우 탄소강보다 높은 390~690 N/mm2 수준의 항복강도를, 열처리강의 경우 490~980 N/mm2 수준의 매우 높은 항복강도를 가진다.
한편, 구조용 강재의 탄성계수 E는 205,000 N/mm2로 일반적으로 알려져 있다. 이는 강재의 재질에 관계없이 거의 일정한 값을 가지는데, 이는 강재가 지닌 기본적인 분자 결합 구조로 인한 것이다. 또한 강재의 전단탄성계수 G는 79,000 N/mm2 수준이며, 프아송비 v는 0.3 정도이다.
따라서 구조용 강재는 재질에 따라 항복강도는 큰 차이를 보이지만, 탄성계수는 대체로 205,000 N/mm2 수준으로 일정한 ...
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