지금까지 철근콘크리트 공사의 구조체를 만드는 공사 순서를 정리했다. 하지만 철근콘크리트 외에도 강재(철골), 나무, 벽돌 등을 이용해서 구조체를 만들 수 있다. 가설공사, 토공사, 기초공사는 동일하지만 재료의 특성에 따라 구조체를 만드는 방법과 특징이 다르다.
■ 철골공사
1. 철골공사
철(=강재=철골)은 강하다. 콘크리트와 철의 가격을 비교해보면, 우선 단위가 다르게 공사비에 산출되기 때문에 1톤을 기준으로 산정을 해보았다. 철(철 스크랩)은 1톤당 70만원 정도하는데 이건 2022년 기준이라서 아마 지금은 원자재 가격이 더 상승했을 것이다. 콘크리트의 경우 레미콘의 단가를 기준으로 1루베(m^3) 당 9만 5000원이다. 1루베는 2.4ton(콘크리트의 비중이 2.4)정도 되고 그러면 9만 5천원 나누기 2.4를 하면 1톤당 4만원 정도로 추정할 수 있다. 즉 20배 정도 차이가 난다.
하지만 콘크리트에도 철근이 들어가고 건설하는 건축물의 특성 그리고 실제로 운반비용 등까지 포함하면 구체적으로 정확한 비교 수치를 구하기는 어려울 것 같다. 그냥 철이 콘크리트에 비해 매우 비싸다고 생각하면 된다. 하지만 일반 2층 건물을 실제로 짓게 되면 철근콘크리트의 경우 구조물이 더 무겁고, 철근량 등으로 공사비는 철근콘크리트가 더 많이 나온다.
H 형강
강재(철골)의 종류는 다양한데 형태에 따라 H형강, C형강, T형강 등등이 있다. 철을 구조재로 사용하기 위해서는 그에 맞는 규격으로 제작을 한 후에 조립을 한다. 대부분 공장에서 품질관리를 하며 만들고 현장으로 운반하는데, 순서는 원척도를 작성하고 본뜨기, 변형 바로잡기, 금 매기기 후 절단과 가공을 한다. 그리고 구조체에서는 기초와 철골을 연결하기 위한 구멍을 뚫고, 가조립을 한 후에 접합(리벳, 볼트 등)을 하고 검사를 마치면 녹막이를 한 후에 현장으로 운반한다. 각 단계를 상세하게 정리하면,
[ 강재, 철골 공장가공순서 ]
1) 원척도(현치도)란? : 강재를 만드는 도면이라고 생각하면 된다. 그래서 강재의 높이, 길이, 형상, 치수 등의 정보를 포함해 접합간격(리벳 간격, 볼트간격 등) 등의 정보가 적혀있다.
현치도 작성 ❘ 출처 : 헬로도장방수교육원
2) 강재(철) 본뜨기란? : 원척도를 보고 얇은 판으로 본을 뜬다. 하지만 요즘은 기계화를 통해 자동으로 한다.
3) 변형바로잡기 : 본뜨기에 변형이 있을 경우, 망치 등을 이용하여 바로잡는다.
4) 금매김란? : 이후 절단할 부분 등을 철에 표시하는 것이다.
철근콘크리트 금매김 ❘ 출처 : 더무브하우스
5) 절단, 가공 : 이후 금(표시)에 따라 절단 및 가공을 하면 규격에 맞는 강재가 만들어진다. 절단하는 방법은 톱을 이용하여 자르는 방법, 그리고 프레스와 같은 전단력으로 자르는 전단절단이 있다. 전단절단의 경우 13mm이하의 연결판과 보강재 등에만 사용할 수 있다. 이 외에 자동가스절단기를 이용하는 가스절단 방법이 있는데 변질의 우려가 있다.
절단 ❘ 출처 : 건축 시공, 재료 지식저장소
이후에는 부재의 연결을 위한 구멍을 뚫는데,
구멍뚫기 ❘ 출처 : 건축 시공, 재료 지식저장소
6) 구멍뚫기 : 리벳, 볼트접합을 위한 구멍을 뚫는 작업을 한다. 이때에도 얇은 13mm 이하의 강재는 눌러서 뚫는 펀칭을 사용하고, 13mm 초과 시, 또는 겹쳐서 뚫을 때는 송곳뚫기(Drilling)로 한다. 정밀하게 뚫었음에도 불구하고 현장에서 조립 시 구멍 위치가 일치하지 않는 경우가 있는데 이때는 리머를 이용해 구멍가심(일치하도록)을 한다. 단, 용접으로 접합하는 부분은 구멍을 당연히 뚫지 않는다.
리머
7) 이후 가조립을 하고 리벳접합을 한다. 가조립에서 리벳접합을 하여 이상이 없는 것을 검사해야하는데, 아무래도 공장은 현장으로 운반을 해야되니까 좀 더 치밀하게 검사를 한다. 현장치기에서는 30%이상을 조립하여 확인하고 공장치기에서는 70%이상을 그리고 세우기용 가볼트는 전 리벳수의 20~30%로 한다.
8) 녹막이칠 : 철은 부식에 약하기 때문에 항상 녹막이를 해주어야한다. 다만 콘크리트에 매입되는 부분, 조립에 맞닿는 면, 용접하는 부분 등 연결하거나 어딘가 붙는 부분은 하지 않는다.
출처 : 빌드원건설
위의 과정을 거치면 구조물을 만들 수 있는 부재로 거듭난다. 그리고 이 부재로 구조체를 공사하게 된다.
[ 강재, 철골 공장가공순서 ]
철골구조도 일반 철근콘크리트구조와 같이 기초 - 기둥 - 보 순서대로 시공을 한다. 철골구조의 기초는 철근콘크리트와 다른 구조로 되어있다. 철골구조라고는 하지만, 기초는 철근콘크리트 구조를 사용한다. 그래서 콘크리트로 이루어진 기초와 철골로 이루어진 상부구조(기둥)을 연결하기 위해 '주각'을 설치한다.
출처 : 지음 디자인 인테리어
주각 설치 : 주각의 종류에는 핀주각, 고정주각, 매립주각 등이 있다. 이는 콘크리트와 접합하는 방식에 따라 구분된다. 또 이러한 주각은 단순히 콘크리트와 접합되는 것이 아니라 앵커볼트를 체결하여 기초에 단단하게 연결된다. 앵커볼트를 설치할 때, 미리 설치한 후에 콘크리트를 타설하는 고정매입법, 그리고 구멍을 뚫어 앵커볼트를 설치한 후 콘크리트를 타설하는 가동(나중)매입공법이 있다.
1) 기둥 중심선 표시 (먹매김) : 기둥과 기초를 연결하기 전 우선 먹으로 표시를 한다.
2) 앵커 볼트 설치 : 기초에 앵커볼트를 설치한 후에 기초면을 고르게 발라준다. (기둥과 잘 접합할 수 있게)
3) 기둥 세우기 : 철골세우기용 기계를 이용하여 기초에 기둥을 세운다. 이때 사용하는 기계로는 가이데릭, 스티프 레그 데릭, 트럭크레인, 진폴, 타워크레인 등 데릭, 크레인을 이용한다.
철골 세우기 기계
1) 가이데릭 : 가장 일반적인 기중기로 360도 회전이 가능하다. 2) 스티프 레그 데릭 : 180도 작업을 할 수 있으며 수평이동이 가능해서 긴 평면에 유리하다. 3) 트럭크레인, 타워크레인 : 우리가 일반 공사현장에서 흔히 볼 수 있는 것으로 광범위한 작업이 가능하다. 4) 진폴 : 1개의 기둥을 세우는 소규모 장비로 간단한 공사에 적합하다.
4) 가조립 : 철골을 세운 후에 가조립을 하여 위치를 조정하고 변형이 있으면 바로잡는다.
5) 본접합 : 조립이 끝나면 볼트, 리벳, 용접 등으로 접합을 실시하여 구조체를 완성하고 접합부 검사를 실시한다.
6) 녹막이칠
이렇게 공장생산순서와 철골현장공사순서를 통해 알 수 있지만, 공장에서 하나 현장에서 하나 서로 중첩되는 부분이 많고 어떤 공정을 통해 진행할 것인지에 따라 달라진다. 그렇기 때문에 대략적으로 기초를 만들고 기둥을 세운 이후에 가조립 - 접합을 하는 흐름을 이해하면 된다.
2. 철골 접합
철끼리 잇기, 접합하기 위한 방법으로는 리벳접합, 볼트접합, 용접접합이 있다. 콘크리트의 경우 이어치기를 통해 콘크리트끼리 일체성을 확보하는 반면 철골의 경우에는 단단한 접합을 통해서 구조를 일체화한다.
1) 리벳 접합 : 리벳은 고력 볼트가 개발되기 전 많이 사용된 방법이다. 리벳을 약 800도 정도에서 가열하면 구멍에 끼우는 것으로 가열하는 사람, 구멍에 넣는 사람, 리벳머리를 타격하는 사람 등 인력이 많이 필요하고 소음 및 안전사고 문제가 많다. 이러한 리벳 사이의 중심선을 게이지 라인이라고 하며, 리벳과 리벳 사이의 거리를 게이지라고 한다.
2) 고력볼트 접합 : 고력볼트는 마찰력을 통해 접합하는 방법으로 접합부의 강성이 높고 소음이 없다. 아무래도 리벳접합의 단점을 보완하기 위해 개발된 것이기 때문에 노동력도 절약되며, 화재, 재해의 위험도 적다. 그리고 현재는 더 발달하여 조임을 통해 장력을 얻으면 브레이크넥이 떨어져나가는 TS볼트 등이 있다. 하지만, 볼트는 일반적으로 리벳이나 용접에 비해 강도가 약하기 때문에 중요한 내력부분에서 사용을 금지하고 있다.
TS 볼트 ❘ 출처 : 영남볼트
이러한 고력볼트를 이용하여 강재를 접합할 때는, 1차 조임에서 80% 2차조임에서 100% 조이며 2단계에 걸쳐서 조인다. 또한 중앙부에 있는 볼트를 먼저 조이고 이후 단부를 조인다. 조임 후에는 토크(조임력)를 확인하기 위해 너트회전법과 토크관리법을 이용해서 합격판정을 내린다. 너트 회전법은 1차 조임 후에 너트 회전량이 120도를 초과하면 불량하다고 보는 것이고, 토크 관리법은 평균 토크값에서 10% 이내일 경우에 합격판정을 내린다.
토크 회전법 ❘ 출처 : 기구미
볼트 역시 철로 만들어졌는데, 녹을 방지하기 위해 표면의 녹, 칠 등을 제거하고 붉은 녹 상태를 유지하며 거친면으로 해야한다.
3) 용접 접합 : 용접 접합은 접합부의 강성이 크고 응력의 전달이 확실해서 부재간 일체성을 확보하기에 좋다. 또한, 볼트같은 기타 철 부재가 필요없고 구멍도 안 뚫기 때문에 강재량도 절약할 수 있다. 그렇지만, 용접을 하기위해서는 숙련된 노동자가 필요하고, 용접 후에 결함을 찾기가 어렵다는 단점이 있다. 용접을 하는 방법에는 철근콘크리트구조에서 철근 이음을 위해 주로 사용하는 가스압접, 철골공장에서 주로 사용하는 아크용접 등이 있다.
아크용접
그리고 부재를 용접하는 형태에 따라 맞댄용접(그루브용접)과 모살용접(필렛용점)으로 구분한다. 맞댐용접은 두 부재 사이에 홈을 만들고 그 사이에 금속을 채워넣어 결합하는 방법이다. 모살용접은 두 부재가 일정한 각을 이룰 때 그 부분을 금속으로 결합하는 방법이다. 그리고 용접 시에는 열로 인해 모재(부재)와 용착금속, 또는 열이 응결하며, 또는 먼지가 들어가는 등 용접부에 결함이 생기기 쉽다. 대표적인 용접 결함의 종류로는
1) 슬래그함입 : 열에 의해서 녹은 슬래그가 용착금속내에 혼입되는 결함
2) 언더컷 : 열에 의해 용접 상부가 녹아 흠으로 남게되는 결함
3) 크랙 : 열에 의해, 과대전류에 의해, 급속한 냉각에 의해 갈라지는 현상
4) 오버랩 : 용접금속과 모재가 완전히 부착되지 않고 단순히 겹쳐지는 현상
5) 공기구멍 : 응고할 때 방출되어야 할 가스가 남아서 생기는 구멍
그래서 용접을 할 때는 결함이 생기지 않도록 검사를 하는데, 착수 전에는 트임새모양, 구속법 등을 검사하고 작업 중에는 용접봉, 운봉의 전류를 검사한다. 그리고 작업이 끝나면 외관검사, 비파괴(방사선, 초음파, 자기분말 등)을 실시해서 결함의 여부를 파악한다.
3. 철골 내화피복
강재는 열에 약하기 때문에 내화피복을 해주어야한다. 방법은 크게 물을 이용하는 습식공법과 건식공법이 있다. 우선 습식공법에는 콘크리트를 이용해서 강재를 피복하는 타설공법, 콘크리트로 만들어진 블록이나 돌을 쌓는 조적공법, 그리고 철에 철망 모르타르를 바르는 미장공법, 시멘트나 석고 같은 내화피복재를 강재에 뿌리는 뿜칠공법이 있다.
