정암의 건축이야기[19] - 철(Fe)이야기

[정암]

철은 인류의 문화와 함께 다양한 개발이 이루어진 물질입니다.

작게는 서류를 묶어 놓는 호치기스 심부터 크게는 교량이나 선박같은 대형구조물에까지 사용되지 않는 곳이 없습니다.

인류의 문명은 철과 함께 시작이 되었습니다. 철을 발견한 인류는 그 철로 무기를 만들었고 고대왕국을 설립하였습니다.

건축자재에서는 목재, 시멘트와 더불어 3대 주요자재중의 하나입니다.

철은 순수하게 철원소로만 이루어진 것이 아니고 각 종 불순물이 섞이면서 성질이나 쓰임새가 달라집니다.

철의 장점은 인장강도가 좋다는 것에 있습니다. 일반적으로 건축용으로 사용하는 철제품은 대략 4톤의 힘을 지지할 수 있는 능력이 있습니다. 콘크리트의 강도가 0.24톤이라고 본다면 철은 대략 35배 정도 강한 제품인 것입니다.

건축에 있어서 철은 가장 많이 사용되는 부분이 콘크리트에 매립되는 철근과 고층건물의 주요구조부인 철골 그리고 각 종 마감재로 사용되는 철물들이 있습니다.

철근은 이형철근과 원형철근이 있는데, 원형철근은 흔히 강봉이라고 불리우며 특수한 경우가 아니라면 거의 사용하지 않고 있습니다.

<이형철근과 원형철근>

이형철근은 철근의 외부에 무수히 많은 돌기를 만들어 콘크리트와의 부착력 및 마찰력을 극대화 시킨 제품입니다.

지름이 10, 13, 16, 19, 22, 25, 32mm가 표준규격이며 구조계산을 할 때 사용될 철근의 규격을 정하게 됩니다. 보통 일반적인 벽과 바닥은 10, 13mm를 많이 사용하며 기둥이나 기초는 19, 22mm를 많이 사용합니다.

철근의 역할은 콘크리트에서 감당하지 못하는 인장능력을 보완하는데 있습니다. 콘크리트는 단단한 돌과 같아서 누르는 힘에 대해서는 저항을 잘합니다만 잡아당기는 힘에는 약해 잘 깨질 수 있습니다. 반면 철근은 고무줄처럼 잡아당기는 힘에 대해서는 저항력이 크지만 눌리는 힘에 대해서는 옆으로 휘어버리려는 성질이 있어서 적당하지 않습니다. 물론 철을 콘크리트처럼 덩어리로 만들면 콘크리트 보다 커다란 힘을 발휘할 수 있지만 그럴 경우 자체 무게도 엄청나게 되기 때문에 건자재로서의 역할을 제대로 수행할 수가 없습니다.

그래서 콘크리트와 철근을 함께 사용하여 건축물의 구조체가 모든 힘에 저항할 수 있도록 하는 것입니다.

철근의 배근 방법과 관련된 이야기는 시공편에서 더 설명하도록 하겠습니다.

철의 성질 중에는 연성과 취성이 있습니다. 같은 철인데도 어떻게 만들어지느냐에 따라 잘 깨지는 습성이 나오기도 하고 잘 늘어나는 성질이 나오기도 합니다.

엿가락처럼 늘어나는 성질을 가진 철근에 열을 가하면 강한 힘을 받았을 때 마치 유리처럼 깨져버릴 수도 있습니다. 건축용 철근은 엿가띾처럼 늘어나는 연성이 필요한데 열을 가할 경우 취성으로 바뀌어 깨져버리게 되면 건축용 철근으로서 역할을 제대로 할 수가 없습니다.

건설용으로 사용하는 철근은 일반철근과 고장력철근, 초고장력 철근이 있습니다.

예전에는 철근의 끝단면 부분에 페인트로 녹색을 칠해 놓으면 일반철근, 노란색으로 칠해 놓으면 고장력철근, 아무것도 안칠해 놓으면 초고장력철근이었는데, 요즘엔 페인트 칠을 하지 않고 철근에 붙여놓는 꼬리표의 색으로 구분을 합니다.

녹색의 일반철근은 주로 토목공사에 많이 사용합니다. 그 이유는 균일한 배근으로 많은 수량이 들어가고 또 구조물 자체의 크기도 크기 때문에 값도 싸고 다루기도 편한 일반 철근을 사용합니다.

그러나 건축의 경우에는 벽이나 기둥의 단면을 더 줄여야 그만큼 사용할 수 있는 공간이 넓어지므로 노란색의 고장력 철근을 사용합니다.

구조설계시 더 강한 힘이 필요한 부분은 초고장력 철근을 사용하도록 합니다.

<철근의 구분>

주택에서 사용할 경우에는 노란색의 고장력 철근을 사용하는 것이 기본입니다.

간혹 실력없는 건축업자는 공사비를 많이 남겨먹기 위해서 녹색의 일반철근으로 공사를 하는 경우도 있습니다.

집주인은 다른곳보다 조금 더 싸게 집을 지었다고 좋아하실지 모르지만 지진 진도5 이상만 나와도 집이 무너져서 깔려 죽을 수 있습니다. (물론 그 확률은 아주 미미하므로 확인할 길은 없죠)

그러니 내집에 들어가는 철근이 노란색인지 초록색인지 꼭 반드시 확인해볼 필요가 있습니다.

철근은 일반 철근과 용접용 철근이 구분되어 있습니다. 일반철근에 용접을 하면 철근의 성능이 매우 약화됩니다. 그러므로 철근에는 용접을 해서는 안됩니다.

철근에 용접을 해야하는 이유가 있다면 반드시 용접용 철근을 이용해야 합니다.

<철근의 사용용도>

철골은 고층건축물을 위해서 사용되는 건축자재입니다. 일반적인 추정치로 15층 미만의 건축물은 철근콘크리트로 건축하는 것이 수지타산에 맞다고 합니다. 그러나 일부 건축물 중에서는 미적인 요소 때문에 저층건축물에도 철골조로 건축하는 경우가 있습니다. 전시관이나 컨벤션 같은 넓은 홀이 필요한 경우에 많이 사용합니다.

철골은 철근 콘크리트에 비해 건축적으로 이로운 점이 있습니다. 가장 큰 장점은 스판을 크게 할 수 있다는 것입니다. 철골은 압축력보다는 인장력에 의지하여 건축물을 설계하므로 기둥의 간격을 크게 할 수가 있습니다. 즉, 철근 콘크리트에서는 일반적으로 7~9m 정도의 간격으로 기둥을 배치한다면 철골은 기둥과 기둥의 간격을 15m에서 30m까지 크게 할 수가 있습니다. 대신 건축비는 철근콘크리트에 비해서 엄청나게 많이 나옵니다.

철골은 H빔과 4각빔, 원형철관, C형 찬넬, L형 앵글 등이 있으며 그 크기가 300㎜ 미만인 경우에는 경량철골로 분류합니다.

철골의 대표적인 자재인 H빔은 웨브의 양 끝에 플렌지를 붙여 H글자 모양으로 형성하여 표면적을 넓혀 강도를 발현하는 자재입니다.

철골을 연결할때는 용접하는 방법과 볼트체결을 하는 방법이 있느네, 이는 구조계산에 의해서 결정되며 용접일경우에는 SM, 볼트일 경우에는 SS라는 기호가 붙은 각각의 기능에 적합한 철골을 사용해야 합니다. 이는 철의 연성과 취성사이의 변형에 따른 조치입니다.

최근엔 소형주택에서 경량철골구조로 건축하는 경우도 많이 있습니다.

<다양한 철골 구조물>

철은 다양한 소재와 다양한 합금으로 각종 부속들에 사용이 됩니다. 창문의 잠금걸이쇠나 방문 등에도 사용합니다. 또한 전기 스위치나 콘센트를 설치하는 매립전기박스에서부터 각종 조명기구 등 다양한 부분에 사용합니다. 철 자체가 가공이 쉽고 공작이 쉽기 때문이며 파손이 잘 안되는 성향이 있기 때문입니다. 여닫이 문의 경첩등은 철을 대체할 물품이 없습니다.

발코니나 옥상의 난간도 스테인레스 스틸 제품을 많이 사용합니다. 철은 원래의 성질이 산소와 만나면 붉게 녹이 슬어버리는 성향이 있습니다. 그런 성질을 죽이기 위해서 합금을 만들거나 또는 아연도금을 하는 경우 녹이 슬지 않는 스테인레스 스틸이 됩니다.

주로 난간대나 전면유리 출입문, 그리고 엘리베이터 등에 사용합니다.

스테인레스 스틸은 무광택의 헤어라인과, 광택이 있는 미러, 거울같은 슈퍼미러 세가지로 나오는데 엘리베이터 출입문에는 에칭이라는 방식으로 문양을 새겨넣기도 합니다.

<스테인레스 스틸이 사용된 출입문>