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강재(鋼材)는 강구조 공학에서 사용되는 철로 이루어진 균질한 재료를 말한다. 강재의 종류는 여러 가지가 있는데, 탄소 함유량이 많아질수록 강도는 증가하지만[1] 취성이 증가한다. 탄소 이외에도 다른 원소들이 들어가지만, 98% 이상의 성분은 철로 되어 있다.[1] 구성 성분의 비율에 따라 강재의 종류와 사용되는 분야가 달라진다.[2] 구조용 강재의 탄성 계수(E)는 일반적으로 210,000MPa (=210GPa)을 사용한다.[3]

특징편집

강재의 장단점은 다음과 같은 것들이 있다.[4][5]

장점편집

  • 강도가 높다.
  • 연성이 좋아 파괴 조짐을 조기 예측 가능하다.
  • 인성이 높아 파단 시까지 변형 에너지를 많이 흡수할 수 있다. 고강도 강일수록 인성이 더 높다.
  • 공장에서 제작해서 조립하는 것이므로 공사 기간이 단축된다.
  • 건축물의 조립과 해체가 철근 콘크리트에 비해 유리하다.
  • 재료가 균질하여 철근 콘크리트에 비해 설계 가정에 가깝게 구조물이 거동하여 거동을 예측하기 쉽다.
  • 철근 콘크리트에 비해 세장한 구조물에 유리하다.
  • 철근 콘크리트에 비해 단위 중량은 더 크지만, 비강도가 더 크므로 구조물에 들어가는 물량이 상대적으로 작아 경제적이다.
  • 재료의 재활용이 가능하여 친환경적이다.
  • 도장을 잘 할 경우 철근 콘크리트에 비해 내구성이 좋다.

단점편집

  • 부식에 취약하여 주기적인 관리가 필요하다.
  • 열에 의한 강도 저하가 크므로 화재에 약하다.
  • 저온에서 충격하중이 작용하면 취성 파괴가 일어난다.
  • 좌굴에 약하다.
  • 반복 하중에 의한 강도 감소에 유의해야 한다.

종류편집

 
강재 종류별 응력-변형률 선도
  • 열처리 강 : 구조용 합금강, 탄소강에 비해 거의 두 배 높은 강도를 가지며, 상대적으로 파단이 일어나는 변형도가 작다. 항복점이 명확하지 않은 특징이 있다.
  • 구조용 합금강 : 열처리 강에 비해 절반 정도의 강도, 탄소강에 비해 약간 더 높은 강도를 가진다. 열처리 강에 비해 파단이 일어나는 변형도가 크고, 탄소강에 비해서는 약간 작은 변형도에서 파단이 일어난다. 항복점이 명확하지 않다.
  • 탄소강 : 구조용 합금강보다 약간 낮은 강도를 가지는 반면, 파단까지 변형도는 제일 크다. 항복점이 명확하다.[6]

구조용 강재편집

대한민국에서 생산되는 구조용 강재는 한국산업표준(KS)에 의해 분류된다. 몇 가지 예를 들면 다음과 같다.

KS 번호 명칭
KS D 3503 일반 구조용 압연 강재
(SS 275)
KS D 3515 용접 구조용 압연 강재
(SM 275A, B, C, SM 355A, B, C, TMC, SM 420B, C, TMC, SM 460B, TMC)
KS D 3529 용접 구조용 내후성 열간 압연 강재
(SMA 275AW, BW, CW, SMA 275AP, BP, CP, SMA 355AW, BW, CW, SMA 355AP, BP, CP)

첫번째 문자 S는 Steel을 나타낸다. 두번째 문자는 제품의 형상이나 용도 및 강종을 나타낸다. 예를 들어 SS는 일반 구조용 압연 강재(Structural Steel)을 나타내고 SWS는 용접 구조용 강재(Structural Welded Steel)를 나타낸다.[7] 숫자는 강종의 항복강도(N/mm², MPa)를 나타낸다. 2016년 11차 KS 개정을 통해 기준이 인장강도에서 항복강도로 변경되었다. 2017년 1월 1일부터 2017년 12월 31일까지는 표기 변경에 따른 업계 혼란을 방지하기 위한 병용기간이었다.[8] 마지막 알파벳은 강재의 충격흡수 에너지에 의한 품질을 나타낸다. D로 갈수록 충격 특성이 향상된다.

2016년 11차 KS 개정에 따른 강종 기호 변경
일반 구조용 압연강재(SS) 용접 구조용 압연강재(SM) 용접구조용 내후성 열간 압연강재(SMA)
구 기호 변경 기호 구 기호 변경 기호 구 기호 변경 기호
SS 330 SS 235 SM 400A SM 275A SMA 400AW SMA 275AW
SS 400 SS 275 SM 400B SM 275B SMA 400AP SMA 275AP
SS 490 SS 315 SM 400C SM 275C SMA 400BW SMA 275BW
SS 540 SS 410 SM 490A SM 355A SMA 400BP SMA 275BP
SS 590 SS 450 SM 490B SM 355B SMA 400CW SMA 275CW
SM 490C SM 355C SMA 400CP SMA 275CP
SM 520B SM 420B SMA 490AW SMA 355AW
SM 520C SM 420C SMA 490AP SMA 355AP
SM 570 SM 460B SMA 490BW SMA 355BW
SMA 490BP SMA 355BP
SMA 490CW SMA 355CW
SMA 490CP SMA 355CP
SMA 570W SMA 460W
SMA 570P SMA 460P

몇 가지 강재의 항복 강도와 극한 강도를 살펴보면 다음과 같다.

일반 구조용 압연강재(SS)
강도(N/mm2) 판 두께(mm) SS 275 SS 315*
최소

항복 강도(Fy)

16 이하 275 315
16 초과 40 이하 265 305
40 초과 100 이하 245 295
100 초과 235 275
인장 강도(Fu) 410 - 550 490 - 630

* SS 315 적용두께는 60mm 이하

용접 구조용 압연강재(SM)
용접구조용 내후성 열간 압연강재(SMA)
강도(N/mm2) 판 두께(mm) SM 275 SM 355
SMA 275 SMA 355
최소

항복 강도(Fy)

16 이하 275 355
16 초과 40 이하 265 345
40 초과 75 이하 255 335
75 초과 100 이하 245 325
100 초과 200 이하 235 305
인장 강도(Fu) 410 - 550 490 - 630

항복 조건편집

강재는 일반적으로 수직 응력(σ)과 전단 응력(v)을 동시에 받는다. 따라서 이런 경우 강재가 항복할 때를 '항복 조건'이라고 한다. 항복 조건은 폰 미세스(Von Mises)가 제안한 다음 식에 따라 계산한다. 이 식은 접합부의 조합응력 검토에 사용된다.

 

필릿 용접의 경우는   식을 사용한다.[9]

형태와 치수편집

 
보에 사용된 H형강
 
H형강과 I형강

치수 단위는 mm를 사용한다.

  • H형강 또는 I형강 : 주로 기둥, 보에 사용된다. H 형강의 치수 표시는 H-H×B×t1×t2로 표시한다.(H-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께) I형강의 치수 표시는 I-H×B×t1×t2로 표시한다.(I-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께) H형강은 단면이 일정하나, I형강은 플랜지 두께가 안쪽에서 바깥쪽으로 갈수록 줄어드는 차이점이 있다.[10]
  • ㄷ형강(channel) : 단면 성능이 떨어지나 접합 시공이 좋아 가새 등에 쓰인다. 치수 표시는 ㄷ-H×B×t1×t2로 표시한다.(ㄷ-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)[11]
  • ㄱ형강(Angle) : 치수 표시는 ㄴ-A×B×t (장축 길이 × 단축 길이 × 두께)로 한다.[11]
  • T형강 : T 형강의 치수 표시는 T-H×B×t1×t2로 표시한다.(T-높이×플랜지 폭×웨브 두께×플랜지 두께)[11]
  • 강관
  • 강봉 및 강판
  • 냉간성형강

러멜러 테어링편집

러멜러 테어링(Lameller tearing)이란 강재가 열간 압연으로 생산될 때, 압연이 진행되는 방향과 수직인 단면에 집중 하중이 작용하면 변형의 집중 현상과 작은 연성 능력으로 인해 취성 파괴가 일어나는 것을 말한다.[12] 압연이 진행되는 방향의 단면과 이와 교차하는 단면은 서로 다른 기계적 성질을 보이기 때문에 이런 현상이 일어난다. 주된 원인은 용접 후에 부재에서 일어나는 수축 현상(shrinkage)때문이다. 러멜러 테어링을 방지하기 위한 방법은 용접의 상세를 합리적으로 계획하는 것이다. 용접되는 부분이 압연이 진행되는 방향과 일치하게 하면 러멜러 테어링을 줄일 수 있다.[13]

강교량의 도장편집

 
강교는 부식방지를 위해 표면도장을 한다.

강교는 부식 방지를 위해 표면 도장을 한다. KCS 14 31 40 :2019 도장 2.3 도장계열에 따라 방법을 분류한다.

강구조물용 도장계열
구분 표면처리 제1층 제2층 제3층 제4층 제5층

우레탄계 마감 TypeⅠ SSPC-SP10 무기질

아연말 도료

미스트코트 고고형분

에폭시계 도료

우레탄계 도료 우레탄계 도료
TypeⅡ SSPC-SP10 무기질

아연말 도료

미스트코트 고고형분

에폭시계 도료

우레탄계 도료 우레탄계 도료
Type Ⅲ SSPC-SP10 아연알루미늄용사 미스트코트 고고형분

에폭시계 도료

우레탄계 도료 우레탄계 도료
세라믹계 우레탄 마감 TypeⅠ SSPC-SP10 무기질

아연말 도료

미스트코트 세라믹계

방식도료

세라믹계

우레탄 도료

세라믹계

우레탄 도료

TypeⅡ SSPC-SP10 무기질

아연말 도료

미스트코트 세라믹계

방식도료

세라믹계

우레탄 도료

세라믹계

우레탄 도료

Type Ⅲ SSPC-SP10 아연알루미늄용사 미스트코트 세라믹계

방식도료

세라믹계

우레탄 도료

세라믹계

우레탄 도료

실록산계 마감 TypeⅠ SSPC-SP10 무기질

아연말 도료

미스트코트 고고형분

에폭시계 도료

실록산계

도료

실록산계

도료

TypeⅡ SSPC-SP10 무기질

아연말 도료

미스트코트 고고형분

에폭시계 도료

실록산계

도료

실록산계

도료

Type Ⅲ SSPC-SP10 아연알루미늄용사 미스트코트 고고형분

에폭시계 도료

실록산계

도료

실록산계

도료

불소수지계 마감 TypeⅠ SSPC-SP10 무기질

아연말 도료

미스트코트 고고형분

에폭시계 도료

불소수지계

도료

불소수지계

도료

TypeⅡ SSPC-SP10 아연알루미늄용사 미스트코트 고고형분

에폭시계 도료

불소수지계

도료

불소수지계

도료

수용성 우레탄계 마감 TypeⅠ SSPC-SP10 수용성무기질

아연말

도료

미스트코트 수용성

에폭시계 도료

수용성

우레탄계 도료

수용성

우레탄계 도료

TypeⅡ SSPC-SP10 수용성무기질

아연말

도료

미스트코트 수용성

에폭시계 도료

수용성

우레탄계 도료

수용성

우레탄계 도료

TypeⅢ SSPC-SP10 아연알루미늄용사 미스트코트 수용성

에폭시계 도료

수용성

우레탄계 도료

수용성

우레탄계 도료

TypeⅣ SSPC-SP10 무용제 에폭시계 도료 무용제

에폭시계 도료

수용성

우레탄계 도료

수용성

우레탄계 도료


각주편집

  1. 한국강구조학회 2017, 17쪽.
  2. 한국강구조학회 2017, 14, 16쪽.
  3. 한국강구조학회 (2019). 《강구조 공학》. 구미서관. 23쪽. 
  4. 한국강구조학회 2017, 8쪽.
  5. 한봉구 2016.
  6. 한국강구조학회 2017, 19쪽.
  7. 전찬기; 이종헌; 김동백; 김운학; 박선규 (2015). 《토목기사 과년도 - 철근 콘크리트 공학》. 성안당. 55쪽. ISBN 9788931568103. 
  8. KS D 3503 : 2018 해설
  9. 한국강구조학회 2017, 29-30쪽.
  10. 한국강구조학회 2017, 25-26쪽.
  11. 한국강구조학회 2017, 25쪽.
  12. 한국강구조학회 2017, 21쪽.
  13. 한국강구조학회 2017, 22쪽.

참고 문헌편집

  • 한국강구조학회 (2019). 《강구조공학》. 구미서관. 
  • 한국강구조학회 (2017). 《강구조설계》. 구미서관. ISBN 978-89-8225-135-1. 
  • 한봉구 (2016). 《강구조공학》. 구미서관. ISBN 978-89-8225-133-7. 
  • KS D 3503:2018 일반구조용 압연강재
  • KS D 3515:2018 용접구조용 압연강재
  • KS D 3529:2018 용접구조용 내후성 열간 압연강재

외부 링크편집