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철골구조 계획의 기본적인 개념을 이해하지 못하면 부재의 배치계획을 할 때 아무리 보아도 혼란 스럽기만 하다.
건축설계를 하기 위해서는 정확한 구조계산까지는 직접 하지 못하더라도 구조에 대한 기본적인 개념은 가지고 접근할 수 있어야 한다. 그렇지 못하면 건축물의 설계단계에서 가장 중요하고도 설계방향의 근간이 되는 건축물의 뼈대를 구성하는 단계에 접근조차 할 수 없게 되고 계획은 종이위에 그리는 그림 이상의 의미를 가지지 못하게 된다. 
국내의 현실에서 건축가는 디자이너이자 엔지니어이어야 한다. 따라서 엔지니어링에 대한 능력과 함께 디자이너로서의 역량을 발휘하여 현실적인 문제를 해결해 나갈 수 있어야 한다. 
철근콘크리트 구조와 달리 철골구조는 알아두어야 할 상식적인 기준과 계획의 절차에 따라 구조적인 개념을 가지고 접근해야 할 부분이 많다. 현장에서 필드 경험이 없는 많은 설계자들은 철골 구조나 PC구조에 대해 많이 알지 못한다. 그래서 설계에 대한 자신감을 잃고 심지어는 PC구조 설계에 대해서는 아예 계약의 예외조항으로 빼놓으려고 하는 설계자들 까지도 보았다.
이제는 어느 현장에서나 철골조 건물들을 보는 것은 어렵지 않을 만큼 일반화가 되었고 언제까지 50년 넘게 전성기를 구가했던 철근콘크리트 구조에만 매달릴 수는 없는 현실이다. 설계자라면 철골접합 디테일의 해결이나 응력계산을 직접 수행하지는 못하더라도 기본적인 개념정도는 최소한 가지고 있어야 하지 않을까 생각한다.
철골구조 계획은 힘의 전달 경로인 슬래브 > 보 > 기둥 순으로 진행한다.
먼저 건물 전체의 장변과 단변을 확인하고 가능한 한계 내에 기둥을 배치한다.
기둥의 배치가 되었으면 위의 순서에 따라 계획을 진행한다.
 
계획전에 철골구조의 기본적인 기준을 정립 해 보자
 

  • 기준-1. 건물에서 하중을 많이 받는 부분은 장변 방향이다. 힘을 많이 받는 부분에 Main Girder 가 받쳐져야 한다. (장변에 직각방향 의미)

  • 기준-2. 슬래브는 1방향 슬래브가 유리하다. (장변:단변 비율이 2:1 이상이 1방향 슬래브)

  • 기준-3. 기둥과 기둥은 큰보(Girder)로 연결한다. 기둥간의 Girder 는 강접합 이다. 즉, 기둥과 보는 강접합

  • 기준-4. 캔틸레버보는 강접합

  • 기준-5. 보와 보는 핀접합 (Hinged). 즉 Girder-Beam, Beam-Beam 은 핀접합 (Hinged) 이다.

 
 

  • 기준-6. RC조와 철골조의 접합부는 핀접합

  • 기준-7. 주각부는 앵커볼트가 

    • 철골기둥 외곽선범위 안(플랜지 안, 웨브 양쪽)에 있으면 핀접합

    • 외곽선범위 밖(플랜지 밖)으로 있으면 강접합

 
 
 
기준이 정립되었으면 이제 방향의 설정이다.
 
방향-1. 큰보는 기둥-기둥간 연결 이므로 방향 없이 X, Y 축 모두
방향-2. 작은보는 슬래브의 장변에 걸쳐 지도록. 왜냐하면 등분포 하중을 받는 슬래브는 장변이 하중을 더 많이 받기 때문. 큰보(Girder)-큰보 사이 / 큰보-작은보(Beam) 사이 / 작은보(Beam)-작은보 사이에 배치.
방향-3. 계속해서 작은보는 보로 분리된 단위 슬래브 단위로 장변에 걸쳐 지도록 배치 해 나감.
방향-4. 마지막으로 기둥의 방향. 기둥은 웨브에 수직방향이 '강축'. 플랜지에 수직방향이 '강축방향'. 기둥의 방향은 '강축방향' 이 힘을 많이 받는 방향임. ( '강축' 과 '강축방향' 혼동 주의! '강축방향' 이 강한방향 = 힘을 많이 받는 방향 이라고 기억 하자)
---> 힘을 많이 받는 변(장변) 에 강축방향이 걸쳐져야(직각으로 배치) 한다.
 

계획의 예시를 보자

조건-1. 강당건물로 철골구조이다.
조건-2. 강당 내부에는 기둥이 없는 무주공간을 형성하여야 한다.
조건-3. 지붕은 박공지붕이다.
조건-4. 건물은 장변 30m, 단변 18m 의 장방형 건물이다.
조건-5. 장변의 기둥 Span 은 6m 이다.

 

 
개념적 접근
접근-1. 박공 지붕이므로 지붕물매를 고려하여 경사면이 단변 방향으로, 지붕 용마루는 장변 방향으로 되어야 할 것이다.
접근-2. 장변 30m 방향으로 하나의 부재로 보를 보내기는 무리이므로 main 보는 18m 에 걸쳐지는 방향으로 배치 하여야 할 것이다.
접근-3. 무주공간이 필요하고 장변의 Span이 6m 이므로 18m 방향으로 계획함이 합당함을 확인 할 수 있다.
 
부재를 배치하여 보자
배치-1. 장변 30m 방향의 span이 6m 간격이므로 총 5개의 span 으로 나누어 진다
배치-2. 건물의 외주부 단변에는 중간에 기둥설치가 가능 하므로 9m span 으로 중간에 기둥을 하나 배치함이 구조적으로 유리하다. (단변 18m 전체를 1 span 으로 하면 횡력에 저항하는 brace가 커져야 하고 그만큼 횡력에 대한 저항에 불리하므로 가능하면 구조적으로 안전한 방법을 찾기 위해 중간 기둥을 배치 하는 것이 유리하다)
 
배치-3. 기둥의 방향은 기둥의 강축방향이 슬래브의 장변과 직각으로 되도록 배치한다.
 
Main 부재의 배치와 방향 설정은 마무리 되었다.
마지막으로 추가하여야 할 것은 철골구조의 횡력 전단응력 부재 배치이다. 가새 (Brace).
가새기준-1. 철골 구조에서 수직 가새는 평면 상의 네 모서리 8개소에 배치한다.
가새기준-2. 철골 구조의 경량철골지붕(샌드위치 판넬) 에는 ㅁ 자 형태의 수평 가새를 배치한다.

 

이상으로 설계에 필요한 철골구조 계획의 기본개념과 계획 진행 순서를 정리 해 보았다.

사실 건축 실무에서는 구조에 영향을 미치는 너무나 많은 Factor 들이 존재하기 때문에 단순하게 위에 정리한 기준만으로 설계를 한다는 것은 불가능 하다. 건축의 용도 특성에 따른 Live load, 부분적인 전단응력 부재 배치로 인한 전체 건물에 대한 응력영향 검토, 지진하중, 진동하중 등에 대한 고려, 풍하중, 적설하중의 지역별 차이에 따른 수직, 수평 응력의 계산, 장스팬 무주공간 구현을 위한 특수구조 (막구조, 현수구조, PEB구조, Space frame 등) 와 특허 및 신공법의 구조형식의 변화, Precast Steel RC 복합구조 등 너무도 많은 방법으로 다양한 상황에 적용할 많은 해법들이 존재하는 것이 사실이다. 

하지만 기본적인 건축설계를 위해서는 구조 공법의 해결이 어떤부분을 강화하고 특화하여 더 안전하고 경제적인 Solution 을 제공하느냐의 차이일 뿐 구조 프레임의 기본은 변하지 않았다는 사실을 명심하자. RC, SRC, PSRC, CFT, TSC 같은 신공법 구조들이 창궐하고 있지만 가구식 구조라는 Basic concept 은 여전히 유지 되고 있다는 것이다.

 

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건축설계의 기본단계에서 Span 과 슬래브의 방향을 결정하는 일은 기둥의 배치와 철골기둥의 방향을 결정하는 중요한 단계이다. 이는 건물의 전체적인 공간 구성과 연관이 있기 때문에 이 단계에서의 결정 방향이 합리적이고 효율적인 공간 사용을 위해 매우 중요한 단계이다. 

그래서 구조 평면을 계획할 때 전체 프레임은 기본적인 원칙을 기준으로 접근한다.
기본원칙 : 작은보(집중하중)가 걸리지 않으면 장스팬 (등분포 하중이 많이 걸리는 보)방향으로 강축이 형성된다.
    • 예를 들어 좌우방향 스팬이 7m이고 상하 방향 스팬이 12m라면 강축방향은 긴 방향인 12m 방향이다.
    • 그러나 보통 작은보(집중하중)가 없이 설계하는 경우는 드문 경우 이므로 대부분의 경우 작은보 방향이 강축이 된다. 
    • 결국 건물 Girder에 의한 단위 Span 이건, Girder-Beam 에 의해 단위 Span 이 분할 된 상황이건 1방향 슬래브의 긴 방향으로 장축이 형성 된다고 보면 된다. 장축은 힘을 받는 축이고 축에 직각방향 부재가 힘을 받는 부재다
  • 기본원칙 이유 
    • 슬래브가 등분포 수직하중을 받을 때 4변의 수평부재는 각 위치에서 동일하게 분산된 수직하중을 받는다. 분산된 단위 수직하중을 1로 볼때 단변:장변=1:2 라고 가정하면 단변이 받는 수직하중:장변이 받는 수직하중 = 1:2 가 된다. 따라서 장변이 단변보다 받는 총 수직하중은 2배이다.
  • ‘강축’ 의 뜻
    • H-beam 에서 힘을 견뎌내는 부분은 플랜지 이다.  따라서 H-beam 의 강축은 플랜지에 수직한 방향 이다. 축은 곧 방향을 의미 한다. 이처럼 ‘강축’ 이란 "힘을 더 잘 받아 낼 수 있는 방향” 이라는 뜻이다.
    • 슬래브 방향에서의 강축 또한 힘을 더 잘 받아낼 수 있는 방향의 의미로 생각해 보면 장변 보다는 단변이 더 잘 받아낼 수 있다는 것을 직관적 으로도 알 수 있을 것이다.
    • 따라서 힘을 잘 받아낼 수 있는 단변쪽으로 향하는 방향이 ‘강축’ 이 된다. 즉 단변에 수직한 방향이 ‘강축’ 이 된다.
    • 그래서 강축의 방향은 장변과 나란한 방향이 되는 것이다.
‘강축’ 에 대한 의미를 다시 정리 해 보자.
  • 부재의 입장에서 : 부분. 힘을 더 잘 받을 수 있는 부분. H빔은 플랜지, 슬래브는 단변
  • 힘의 입장에서 : 방향. 힘을 더 잘 받을 수 있는 방향. H빔은 플랜지 수직방향, 슬래브는 단변 수직방향
  • 결론 : 강축면(변) 은 플랜지(단변) 이고 강축방향은 플랜지(단변) 에 수직한 방향이다.
  • 이렇게 기억 해 보자.
    • H빔에서 강축을 생각할 때 : 부분 은 플랜지 이고 방향(강축)은 플랜지에 직각방향이다.
    • 슬래브에서 강축을 생각할 때 : 부분은 단변 이고 방향(강축)은 단변에 직각방향이다.
1. 기둥의 위치결정 - 하중의 분포에 따라 철골기둥의 방향성 결정이 중요하다.
    기본적으로 RC조와 동일한 원칙 
    RC조보다 장스팬으로  계획한다.
    원칙은 작은보(집중하중)가 걸리지 않으면 장스팬(등분포하중이 많이 걸리는 보)방향으로 강축이 형성된다.
     
    작은보(집중하중)가 걸리는 경우 강축방향의 건축설계 실무 판단법
    장스팬이 단스팬의 2배길이 이상일 경우(1방향 슬래브) - 단스팬에 집중하중이 걸리더라도 장스팬보 방향으로 강축방향이라 볼수 있다.
    장스팬이 단스팬의 2배길이 미만일 경우(2방향 슬래브) - 단스팬에 집중하중이 걸리면 단스팬보 방향으로 강축방향이라 볼수 있다.
    결과적으로 강축방향이 설정된다는 것은 1방향슬래브라는 해석.
   
    작은보가 걸리는 단스팬보의 하중(집중하중)이 큰지, 장스팬보 방향의 하중(등분포하중)이 큰지는 구조계산을 해야 정확히 알수 있다. 
    
2. 큰보와 작은보의 방향
  •      큰보는 기둥을 연결한 부재
  •      작은보는 단스팬 방향의 큰보에 걸쳐지는 형상(합리적,경제적 설계)
     
경량판넬지붕의 경사지붕에서 용마루에 작은보 설치한다.(창고 ,공장) - 판넬지지용 C형강(중도리) 간격 보통 900~1200 설정
     합성스라브 두께150인 경우 작은보 최대지지거리 3600이하로 설정
     보방향은 일반적으로 통일시킨다. ∵데크의 방향성도 통일됨
 
3. 가새(BRACE) - 철골구조의 기둥과 보만의 조립구조는 횡하중(지진.풍하중)에 약한 구조이다.
                          옆에서  강한힘으로 밀게되면 기둥과 보가 비틀어지면서 넘어지게된다.
                          그러므로 가새는 횡하중에 저항할수 있도록 잡아주는 부재(가새)로 반드시 설치한다.
       수평가새는 경량판넬 지붕구조인 경우에만 설치하며, 지붕골조 외곽부에 돌아가며 X자 형태로 폐합이 되도록 설치
       합성데크스라브는 횡력에 저항하는 구조이므로 수평가새를 설치할 필요없다.
 
       수직가새는 RC전단벽과 평행축선상이 아닌 벽면(철골기둥사이에 X자 형태로 대칭 배치) 에 설치
       ∵평행축선상에 횡력은 RC전단벽이 저항한다. 
 
4. 접합형식
     기둥과 보는 강접
     보와 보는 핀접
     RC조와 SS조의 접합부는 핀접
     캔틸레버보 강접
     주각부는 앵커볼트가 
  • 철골기둥 외곽선범위 안(플랜지 안, 웨브 양쪽)에 있으면 핀접, 
  • 외곽선범위 밖(플랜지 밖)으로 있으면 강접
 
  쉽게 말해 강접 Rigid joint(고정지점)은 항복하중에 의해 접합된 부위의 각도(90˚) 를 유지하는 접합으로 철골 부재가 휘게 유도되는 접합
  핀접 Hinge joint(회전지점)은 항복하중에 의해 접합된 부위의 각도가 변하면서 철골부재는 휘지 않는 접합
 
  강하게 접합된 것은 강접 약하게 접합된 것은 핀접이라는 뜻으로 해석하여
  용접은 일체화된 강접.
  볼팅접합은 핀접 혹은 강접 - 웨브와 플랜지 모두 볼팅접합하면 강접이 되고  웨브만 볼팅접합하면 핀접이 된다.
                                         웨브와 플랜지하부는 볼팅접합하고 플랜지상부는 용접하면 강접
                                          (∵데크 플레이트 or 철제 그레이팅 설치를 위해 플랜지 상부는 용접하여 평평하게 한다.)

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