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전단벽 설계는 일반적으로 작용 전단력에 대한 안정성 여부만을 검토합니다.
그렇지만, 보다 정확한 해석을 위해서는 전단벽 상부에 작용하는 하중들을 종합적으로 검토하는 과정이 필요합니다.(O. T. Analysis). |
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스틸하우스 벽체 구성은 크게 하중을 받는 내력벽과 하중을 받지 않는 비내력벽으로 대별 할 수 있습니다.
또한, 벽체 두께를 균일하게 확보하기 위하여 내벽과 외벽에 있어서 스터드 웹크기에 대한 기본가정이 벽체 설계전에 확립되어야 합니다. 또한 벽체 스터드의 두께가 1.0mm 미만인 경우에는 시공시 부재에 손상을 줄 가능성이 크므로, 기본적으로 스터드 두께는 1.0mm 이상으로 하는 것이 바람직합니다.
따라서, 내력벽을 설계하는데 있어서는 수직하중과 횡방향하중을 고려한 허용하중표에 의하여 결정할 수도 있으나, 앞에서 언급한 것과 같은 벽체두께의 통일 및 시공 용이성이라는 측면이 더욱 지배적일 수도 있습니다.
구조설계가 구조해석과 구분되는 가장 큰 요인은 구조설계의 경우에는 구조해석 결과 이외에 건축설계, 시공성 등과 관련된 부분에 대한 고려가 반드시 이루어져야 한다는 것입니다.
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1. 설계 조건
1) 벽체 높이: 2.6m
2) 스터드 간격: 0.61m
3) 횡방향 하중: 60kg/㎡(수원지역)
4) 지붕하중: 160kg/㎡ * (7.2/2 + 0.61)m = 673.6kg/m
5) 바닥하중: 542kg/㎡(D.L 342kg/㎡ + L.L 200kg/㎡)
6) 벽체 및 기타: 73kg/㎡ * 2.6m = 190kg
2. 외벽 부재 설계
1) 내력벽 외벽 2층
673.6kg/m * 0.61 = 410.89kg
∴ 사용가능 부재: 140SL10 (157kg)
2) 내력벽 외벽 1층
(673.6 + 542.0 + 190.0)kg/m * 0.61 = 857.42kg
∴ 사용가능 부재: 140SL10 (157kg)
3. 내벽부재 설계
내벽부재는 모두 비내력벽이므로 건축설계와 시공성 측면을 고려하여 스터드 부재를
설계한다.
∴ 사용가능 부재: 140SL10 or 90SL10 | |
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건축구조용 표면처리 경량형강은 두께 1.0mm 내외의 얇은 박판 부재이기 때문에 좌굴이 발생하기 쉬운 약점을 가지고 있다.
박판 부재의 과굴 모드는 좌굴형상에 따라 국부 좌굴(Local Buckling), 뒤틀림 좌굴(Distortional Buckling), 전체 좌굴(Overall Buckling)로 구분되며, 좌굴 모드는 좌굴자(Buckle Half-Wavelength)에 따라 각기 다르게 나타나게 된다.
다음 그림은 유한대판법(Finite Strip Method)을 이용하여 해석된 100SL12 부재의 좌굴 거동을 보여주는 것으로 순수굽힘(Pure Bending)을 받는 상태에서 좌굴장에 따라 각기 다른 좌굴 모드가 나타나고 있는 것을 확인할 수 있다.
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 Mode 1 : 상부 플랜지와 립이 변형되는 국부 좌굴 모드
Mode 2 : 상부 플랜지와 립 부분이 회전하는 뒤틀림 좌굴 모드
Mode 3 : 단면 전체가 변형되는 전체 좌굴모드 |
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| 전체 좌굴 모드는 부재에 작용하는 하중상태에 따라 달라지며 순수굽힘을 받는 경우에는 휨 좌굴(Flexural Buckling)이 발생되고, 순수압축을 받는 경우에는 휨-비틀림 좌굴(Flexural-Torsional Buckling)이 발생된다. Lower Bound of Local Buckling, Distortional Buckling은 국부 좌굴과 뒤틀림 좌굴이 발생되는 최소응력을 의미한다.
경량형강 부재의 설계는 좌굴의 발생을 최대한 억제하면서 충분한 안전율을 확보하는 것을 목적으로 한다.
국부 좌굴에 대한 설계응력은 우선 경량형강 단면을 서로 다른 경계조건을 가지는 평판요소들로 구성된 집합으로 보고 각각의 평판에 대한 좌굴을 검토하고 후좌굴응력(Postbuckling Stress)에 대한 유효단면의 크기를 곱하여 결정하게 된다.
뒤틀림 좌굴 및 전체 좌굴에 대한 설계응력도 국부 좌굴과 마찬가지로 유효단면의 크기를 고려하여 결정된다. 뒤틀림 좌굴응력과 전체 좌굴응력에 중요한 영향을 미치는 요인으로는 경량형강에 부착되는 마감재와 브레이싱재가 있다.
경량형강 플랜지면에 마감재가 설치되면 마감재가 설치된 플랜지면에는 뒤틀림 좌굴의 발생이 억제되면서 뒤틀림 좌굴응력이 증가하게 된다. 그리고 마감재에 체결되는 접합재와 브레이싱은 배치간격이 작아질수록 좌굴장의 길이를 짧게 만들어주는 역할을 한다. 따라서 설계자는 경량형강 부재 설계시 부재 자체의 성능뿐만 아니라 마감재와 브레이싱의 보강효과를 충분히 파악하고 있어야 한다.
경량형강 부재의 설계와 관련하여 미국 철강협회(AISI)에서는 지난 50년 동안 냉간성형된 경량형강의 설계기준들을 개정 발표하고 있으며, 미국의 경우 1986년 발표된 혀용강도설계법과 1996년 발표된 한계상태설계법이 사용되고 있는 실정이다.
국내의 경우 허용강도설계법을 근간으로 한 “냉간성형강구조설계기준”이 1998년 건설교통부에서 제정 고시되었다. 허용강도설계법은 허용응력설계법과 달리 단면의 공칭강도를 산정한 후에 안전율을 적용하여 허용강도를 우선적으로 직접 산정하는 작업이 복잡하고 어려우며 경우에 따라 부재의 단면력에 의해 허용응력이 결정되는 경우도 있기 때문이다.
한편으로는 허용강도설계법에서 산정된 결과들은 한계상태설계법으로 전환하기가 수월하다. 즉, 안전율 대신에 하중계수와 강도저감계수만 결정하면 바로 한계상태설계법으로 전환될 수 있다. |
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스틸스터드와 일반철골과의 중요한 차이는 스틸스터드의 경우 일반철골과 달리 여러개의 부재를 조립하여 하나의 부재로 많이 사용한다는 점이다.
일반형강, 강관제품들은 기둥과 보 부재로서 독립적으로 사용된다.
H빔 두 개를 잇대어 용접제작 한 후 기둥이나 보 부재로 사용하는 경우가 없는 것이다. 따라서 물성치와 단면제원들이 결정되면, 구조해석에서 필요한 부재성능이 동시에 결정될 수 있다. 그렇지만 스틸스터드는 물성치와 단면제원이 결정된다 하더라도 조립방식에 따라 조립부재의 성능이 변화된다. 스크류 접합을 하는 경우 접합된 개수만큼 성능이 향상된다.
그렇지만 용접 접합을 하게 되면, 박판부재인 스틸스터드의 거동이 달라지게되므로 접합된 부재들 각자가 가지는 성능 이상의 강도가 발휘된다. 그리고 스틸스터드는 동일한 길이를 가지고 있다고 하더라도 보강되는 위치에 따라 발휘되는 성능이 달라지게 된다.
스틸스터드를 사용한 구조물은 크게 수직하중을 제어하는 부재들과 수평하중을 제어하는 부재들로 구성되어 있다.
수직하중: 지붕 트러스, 바닥 조이스트, 헤더, 보, 벽체 스터드, 기둥
수평하중: X-브레이싱, 전단트랙, 킹스터드, 스트랩, 거세판
수직하중을 제어하는 부재들은 크게 지붕 트러스, 바닥 조이스트, 헤더, 보, 벽체 스터드, 기둥으로 구성되어 있으며, 수평하중을 제어하는 부재들은 X 브레이싱의 경우 전단트랙, 브레이싱 지지기둥, 스트랩, 거세판 등으로 이루어져 있다.
일반철골 구조물과 달리 박판부재인 스틸스터드로 건축물을 구성할 경우 상대적으로 많은 수의 구조부재들이 사용된다. 이러한 특징은 설계자에게 보다 정밀한 해석 및 설계와 도면 작성을 요구하게 된다.
설계자는 스틸스터드에 대한 정확한 성능평가와 함께 구조물을 구성하는 전체 스틸스터드들이 허용응력범위 내에서 거동할 수 있도록 설계해야 한다. 또한 설계자는 과도한 집중하중이 걸리지 않도록 작용하중들을 효율적으로 분산시켜야 하며, 하중전달이 원활히 이루어질 수 있도록 작용하중들을 효율적으로 분산시켜야 하며, 하중전달이 원활히 이루어질 수 있도록 설계해야 한다.
스틸스터드의 허용응력을 초과하는 하중이 작용할 경우 일반 철골을 사용하게 되는데 주로 기둥과 보 부분에서 이러한 문제가 발생된다. 이 경우 스틸스터드의 접합부 처리가 중요하게 된다.
스틸스터드와 일반철골을 혼용하는 경우 혼용범위를 어느 수준까지 해야 할지 결정해야 한다.
일반철골을 주구조부재로 사용하고 스틸스터드는 마감재로만 사용 할 수도 있을 것이다. 이러한 경우 해당 구조물을 일반적인 철골구조 시스템으로 설계하고 철골과 스틸스터드 접합부에 대한 명시만 해주면 될 것이다. 일반적인 철골구조 시스템에 대한 구조설계기법은 지속적으로 연구, 보완되어 왔으며, 구조설계를 지원하는 시스템도 잘 갖추어진 상태이다.
그렇지만 일반철골의 사용은 최대한 억제하면서 스틸스터드의 사용은 최대한 증가 시킬 수 있는 최적의 스틸스터드 구조시스템에 대한 설계기법은 널리 알려지지 못한 상태이다. |
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수직하중을 제어하는 부재들은 전술한 바와 같이 크게 지붕 트러스, 바닥 조이스트, 헤더, 보, 벽체스터드, 기둥으로 구성된다.
지붕 트러스와 바닥 조이스트는 각각 지붕과 바닥에 작용하는 사하중, 활하중을 지탱하면서 이들 하중을 헤더, 벽체스터드, 기둥으로 전달한다.
헤더는 개구부 상부에 설치되는 부재로서 개구부 상부로 전달되는 하중을 분산시켜주는 역할을 한다.
벽체스터드는 지붕 트랙, 바닥 조이스트들과 정렬되어 이들로부터 전달되는 하중을 기초로 전달한다. 보와 기둥은 과도한 집중하중이 걸리는 부분에 사용되며, 스틸스터드 대신 일반철골이 사용되는 경우도 자주있다.
스틸스터드 구조물에 있어 수직하중의 제어는 골조정렬을 기본 전제조건으로 하고 있다.
지붕 트러스, 바닥 조이스트의 웨브는 벽체스터드의 웨브와 일치되어야하며, 플랜지의 방향도 일치되어야 한다. 정렬이 불가능한 부분에 대해서는 반드시 블록킹 보강재를 성치하여 상부하중이 벽체스터드들로 전달될 수 있도록 하여야 한다.
박판부재인 스틸스터드는 비틀림과 약축에 대한 굽힘변형이 발생되기 쉽다는 단점을 가지고 있다. 골조 정렬은 박판부재의 문제점을 보완할 수 있는 유일한 수단이다. |
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건축물에 작용하는 수평하중으로 풍하중과 지진하중을 들 수 있다.
풍하중과 지진하중은 구조물을 진동시키는 동적하중이다. 동적하중에 대한 구조물의 응답은 구조물의 동적특성에 따라 달라진다.
구조물의 동적특성은 고유진동주기, 모드형상, 응답스펙트럼, PSD등의 여러 가지 다양한 방법으로 표현된다. 구조물의 동적특성을 파악하면 동적하중에 대한 구조물의 동적응답을 예측할 수 있게 된다. 그러나 구조물의 동적응답은 시간에 따라 변화되는 동적하중과 구조물과의 상관관계를 나타내기 때문에 구조물의 설계에 직접 반영할 수는 없다.
설계에 필요한 구조물의 변위와 부재력을 결정하기 위해서는 동적하중인 풍하중과 지진하중을 등가 정적하중으로 변환시켜야 한다. 설계 풍하중은 지역에 따라 변화되는 바람의 특성, 지형효과, 건물의 형상계수 등을 통해 얻어지거나 풍동실험을 통해 결정된다.
설계 지진하중은 지진활동의 정도, 지진강도의 크기, 구조물의 유연성 여부, 구조물의 기본진동주기 등을 토대로 결정된다.
일반철골 구조물과 스틸스터드 구조물은 접합부의 처리 방법이 다르기 때문에 수평하중에 대한 구조물의 거동도 달라지게 된다. 볼트나 용접으로 연결되는 일반철골 구조물의 접합부와 달리 스틸스터드 구조물은 접합부가 스크류로 연결된다. 따라서 일반철골 구조물의 접합부가 모멘트 하중에 저항할 수 있는데 반해 스틸스터드 구조물의 접합부는 모멘트 하중에 저항하지 못하고 변형을 일으키게 된다.
수평하중이 일반철골 구조물에 작용할 경우 구조물을 구성하고 있는 보와 기둥은 축방향력과 굽힘모멘트에 의해 변형을 일으키게 된다. 그러나 수평하중이 스틸스터드 구조물에 작용하는 경우 구조부재의 변형이 발생하기 전에 구조물 전체가 변형을 일으키게 된다.
다이어프램은 하중작용으로 밀려나고 수직부재들은 기울어지게 된다. 여기서 다이어프램은 지붕구조체와 바닥구조체를 의미한다.
이러한 현상이 생기는 이유는 수평부재와 수직부재의 접합부가 구조물 전체의 변형을 막아주지못하기 때문이다. 따라서 일반철골 구조물이 브레이싱 시스템 없이 보와 기둥만으로 구성된 연성골조를 이룰 수 있는데 반해 스틸스터드 구조물은 수평하중을 제어할 수 있는 브레이싱 시스템의 설치가 반드시 필요하다.
브레이싱 시스템은 스틸스터드 구조물의 접합부를 보강시켜주는 역할을 하며 바닥구조시스템과 수직부재들이 일체로 거동할 수 있도록 해준다. |
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기초와 골조 작업
스틸하우스로 제작되는 용인시 신봉동 현장입니다.
조립완성된 벽체입니다. 외벽과 내벽을 한면을 조립후 옮겨서 설치를 하게됩니다.
지붕 트라스 작업 |
트라스 조립과 지붕OSB 합판 작업
내부 골조 및 이층 작업
외벽 사이딩 작업 후
내부 계단 및 인테리어 작업
완료 된 사진
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스틸하우스 갤러리 | |
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아연도금의 의미는 강재를 생산할 때부터 강재의 부식을 방지하기 위하여 강재의 표면에 아연을 도금하는 것을 의미한다. 아연도금 강판은 표면에 흠집이 생기더라도 흠집 주변의 아연이 철보다 먼저 부식이 되면서 도막이 형성되기 때문에 철까지는 부식이 진행되지 않으므로 아연도금 강판을 사용하는 스틸하우스는 수명이 거의 반영구적이라고 할 수 있다.
구조는 집의 뼈대로서 집이 다 지어지고 난 후에는 외관상으로 보이지는 않지만 구조가 튼튼하여야만 폭설이나 강풍에도 끄떡없이 오래 견딜수가 있다.
지붕에 눈이 쌍이게 되면 이 하중은 지붕의 뼈대(트러스)로 전달되고 이것은 다시 2층 벽체로 전단된 후 다음으로 1층 벽체를 통하여 결국 기초로 전달된다 
스틸하우스의 벽체 중 힘을 받고 있는 벽체를 내력벽 이라고 하는데 이 벽체는 집을 지을 때 구조엔지니어에 의해 집에 작용하는 힘을 잘 전달 할 수 있도록 설계된다. 또한 스틸하우스 벽체 중에는 하중을 받지 않고 칸을 나누기 위해서만 설치된 비내력 벽이 있는데 이러한 벽체들은 집의 구조를 변경하면서 얼마든지 위치를 바꾸거나 없앨 수도 있다. 스틸하우스 구조는 스틸스터드로 이루어진 벽체를 통하여 힘을 전달하는 방식으로 벽식구조라고 한다.
