건축 - 철근콘크리트, 철골공사

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철근콘크리트구조 [鐵筋─溝造, reinforced concrete structure]

외력에 대해서 콘크리트의 압축력과 철근의 인장력이 일체(一體)로 되어 서로의 결점을 보완하는 구조라고 할 수 있다. 건물의 주체구조부(主體溝造部)에 콘크리트를 사용한 구조로서는 철근콘크리트구조 이외에 철골철근(鐵骨鐵筋)콘크리트구조가 있다. 철골철근콘크리트구조는 철골뼈대를 철근콘크리트로 피복하고 보강한 형식으로서 외력(外力)은 철골이 부담하고 그 주위를 둘러싼 철근콘크리트는 화재시에 철골의 피복(被覆)·보강(補强)을 해준다.

일반적으로 5·6층 정도의 내화구조물(耐火構造物)은 주로 철근콘크리트구조이며, 그 이상의 층수 건물이 되면 철근콘크리트구조의 경우는 건물의 자중(自重)이 커지고 그것을 지지하는 만큼 아래층의 기둥이나 보의 단면이 과대하여 건물의 이용면에서 볼 때 경제성 및 기능이 저하된다. 그러므로 중량에 대해서 강도가 높은 철골을 주체구조재로서 사용하고 화재시의 철골의 강도저하를 보완하는 의미에서 그 주위를 철근콘크리트로 감싸는 형식의 구조로 하여 고층건축에서는 철골철근콘크리트구조로 할 때가 많다.

철근콘크리트구조는 설계된 형태의 보·벽·기둥 등의 부재 모양으로 거푸집(form)을 나무판자나 철판으로 짜서 만들고, 그 속에 필요한 철근을 미리 조립해 놓고 콘크리트를 부어 넣어 콘크리트가 충분히 굳어서 소요의 강도가 나올 때까지 기다려서 거푸집을 탈형(脫型)하면 거푸집 모양과 같은 철근콘크리트부재가 만들어진다. 구조적 원리는 각 부재에 작용하는 각종 힘 가운데 압축력은 콘크리트가 지지하고, 철근은 콘크리트의 인장변형력[引張應力]의 약점을 부담해서 두 재료가 일체로 되어 다른 전단력(剪斷力) 등의 외력에도 대항하려고 하는 것이다.

콘크리트는 압축응력에 강하면서도 비교적 값싼 재료이고, 인장을 부담시키는 철근도 매우 큰 인장응력을 가지며, 또한 봉상(棒狀) 그대로 사용할 수 있어서 경제적이다. 이 콘크리트와 철근의 일체가 매우 적절한 조건은 양자의 열팽창계수가 거의 일치하고 있는 점, 철근은 공기 중에서 산화해서 녹이 슬지만 콘크리트 중의 알칼리가 철근을 감싸서 그 산화를 방지해주는 점, 따라서 양자의 부착력이 큰 점 등을 들 수 있다.

이러한 조건으로 성립된 철근콘크리트는 두 재료가 각기 성능이 좋고 강도가 높은 것으로 개량이 되고, 더욱이 내구성이나 내화(耐火)·내진(耐震)의 면에서도 만족할 수 있는 것으로 되어가고 있으며, 현재 한국의 철근콘크리트 계산규준에서는 콘크리트의 기준강도는 150∼300kg/㎠로 되어 있고, 철근의 항복강도는 2.4∼4.0t/㎠로 되어 있다.

한편, 제조상 현장에서의 거푸집 공사에 의한 자유로운 형태의 구조물이 일체로 되는 점에서 철근콘크리트는 일체식 구조라고 하였으나, 부재의 공장생산에 의한 생산의 능률화 및 양산화에 의해 각 부재를 미리 공장에서 만들어 현장에서 조립하려고 하는 프리캐스트콘크리트(precast concrete)나, 콘크리트의 인장시의 균열(龜裂)을 막고 작은 단면의 부재로 큰 강도를 유지하게 하는 프리스트레스트 콘크리트(prestressed concrete) 등이 출현하여, 오늘날에는 모든 종류의 구조에도 철근콘크리트가 응용되고 있다.

일반적으로 철근콘크리트구조는 강도에 비해서 자중이 크므로 중·고층의 건물에서는 그 자중을 지지하기 위해 아래층의 보나 기둥의 단면은 매우 큰 것이어야 하며, 또 기둥 사이나 계단 높이가 제한되고 칸막이벽 등도 구조설계가 선행되어 건축계획면에서 자유로운 실내공간을 얻으려고 하는 것은 매우 무리이다. 이와 같은 경우에는 철골철근콘크리트구조가 사용되거나 철근을 대신해서 고장력의 피아노선 등을 사용하여 미리 콘크리트에 압축력을 주고 그 부재에 인장이 걸려도 아직 압축응력이 남도록 계산된 프리스트레스트 콘크리트 등이 사용된다.

철골구조 [鐵骨構造, steel frame construction]

철골구조는 형강(形鋼) ·강판(鋼板) ·평강(平鋼) 등의 강재(鋼材)를 사용하여 이들을 리벳이나 볼트 또는 용접 등에 의해 접합하여 조립하는 구조를 말한다. 철재로 조립한 주요골조를 철골이라 하며 철골조 ·강구조라고도 한다.

철근콘크리트와 철골을 함께 사용하는 구조를 철골철근콘크리트구조라고 하며, 철근콘크리트를 단순히 철골의 내화피복(耐火被覆)의 의미에서만 사용하고 있는 경우나 철골조와 콘크리트블록조 및 연와조와 함께 사용하고 있는 경우라도 구조계산의 단계에서 철골을 주요구조부재로서 설계한 것이면 철골구조라고 할 수 있다.

구조역학적으로 철골구조의 역사를 보면 1779년 영국의 J.윌킨슨, A.다비에 의해 세번강(江)에 전주철(全鑄鐵)의 아치형 다리가 놓여진 것이 철골구조로서는 처음이다. 이어 1801년 J.와트 등에 의해 솔퍼드에 있는 목면공장에 주철의 빔과 기둥을 효과적으로 연결하는 설계를 했다. 그 후 미국의 J.타운, W.하우가 각각 트러스를 설계하고, 51년 런던의 만국박람회에 주철 ·연철 및 유리를 사용한 수정궁(水晶宮)이 세워지고, 89년 연철 7,300 t을 사용하여 파리에 에펠탑을 건립하였다. 그 후에도 유럽 ·미국에 많은 철골구조물이 세워지고 그 중에서도 1931년 뉴욕의 맨해튼에 세워진 엠파이어스테이트빌딩(지상 102층, 높이 381 m)은 유명하다.