경량철골구조 주택의 비교 및 분석

경량철골구조 주택의 비교 및 분석

초록—경량 철골 주거용 건물은 친환경, 에너지 절약, 환경 보호 등의 특성을 가지고 있습니다. 지난 수십 년 동안 건축의 모든 측면에서 냉간성형 강구조 사용에 대한 관심이 높아졌으며, 많은 선진국에서 냉간성형 구조 건축에 대한 상당한 발전이 있었습니다. 그러나 일부 개발도상국에서는 경량 철골 주거용 건물이 이제 막 시작되었습니다. 본 논문에서는 경량 철골 주거용 건물의 몇 가지 특성과 현재 연구 상황을 소개합니다. 이를 바탕으로 북미, 일본, 유럽의 경량 철골 주거용 건물을 자세히 분석 및 연구하고 그 특징을 제시합니다. 또한, 중국의 특수 상황에 따라 전통 주택 개념과 집약적 철골 주거용 건물을 포함한 경량 철골 주거용 건물의 개발 현황과 특성을 소개합니다. 위의 연구를 바탕으로 몇 가지 제안과 대책을 제시합니다. 이는 중국 주택 산업화 촉진에 중요하고 도움이 될 것으로 기대됩니다.

키워드- 경량강구조; 구성부품; 주거용 건물; 냉간성형구조; 저다층

I. 서론

건설 산업의 발전과 함께 건축 시스템과 건축 자재의 변화가 주거용 건물 개발의 주요 추세가 되었습니다. 최근 사람들의 생활 수준이 지속적으로 향상됨에 따라 주거, 안정성 등에 대한 요구가 높아지고 있으며, 특히 저층 주거의 경우, 기존 건축물을 대체할 수 있는 미려한 디자인, 우수한 구조 성능, 편의성, 시공 속도, 경제성, 합리적인 주거 건축 시스템의 연구, 개발 및 보급이 시급합니다.

경량 철골 구조 주택은 경제적인 철골 부재를 하중 지지 골격으로 사용하고, 압력판이나 판재를 경량 외피로 사용하며, 고강도 볼트와 기타 연결재 및 실링재를 하중 지지 부재로 사용하여 현장 조립식 주택과 같은 외피 부재를 구성합니다[1]. 경량 철골 구조 주택의 주요 건축 자재는 아연 도금 경량 철골 용골이며, 이 자재를 사용하면 우수한 주거 특성을 보장할 수 있을 뿐만 아니라, 자체 중량이 가볍고, 조립식 주택의 시공이 간편하며, 시공 속도가 빠르고, 노동 집약도가 낮은 장점이 있습니다[2,3]. 경량 철골 구조 주택은 기존 주택과 비교하여 다음과 같은 장점을 가지고 있습니다. 구조가 안정적이며, 비용이 저렴하고, 콘크리트 건물보다 넓은 공간을 제공하며, 아연 도금 강철을 사용하면 내식성이 우수하고 내구성이 뛰어나며 수명이 깁니다. 그러나 중국의 경량 철골 주택은 아직 개발 단계에 있습니다. 주택 설계 과정에는 여전히 심각한 문제점들이 남아 있으며, 이에 대한 심도 있는 연구가 필요합니다. 이를 위해 본 논문에서는 경량강철 주택을 분석 및 비교하고, 해외 및 국내 경량강철 주택의 특징을 소개하며, 몇 가지 합리적인 방안을 제시합니다.

본 논문은 다음과 같이 구성된다. 2장에서는 해외 경량강철 주택의 특성을 설명한다. 3장에서는 중국 경량강철 주택의 현황과 특성을 설명한다. 마지막 장에서는 결론을 제시한다.

II. 해외 경강재 주택

A. 북미 경량강철 주택 북미 경량강철 주택은 경량 목조 구조의 특성을 지닌 목조 구조로, 북미 주택 시장의 20%를 차지합니다[4]. 주택 골격은 주로 냉간성형 C형 강철 용골 구조이며, 캘리포니아 및 기타 지역의 지진 발생률이 높은 지역에서는 일반적으로 1~2층 빌라 형태로 건설됩니다. 북미 경량강철 주택의 일부를 그림 1에 나타내었습니다.

실제로 이 경량 강철 시스템은 북미에서 매우 성숙되었습니다. 이제 이 기술을 사용하여 5층에서 6층까지 다층 주거용 건물을 지을 수 있습니다. 미국에서 가장 활발한 연구가 냉간성형 강철 구조에 있다는 점은 언급할 가치가 있습니다. 그 이유는 특히 개인 주택 분야에서 지원 산업의 확대와 목재 가격 상승 때문입니다. 따라서 강철 골조 주택은 점점 더 경제적이 되고 있습니다[5]. Pekoz[6]는 미국에서 1992년에 약 500채의 주택이 경량형 강철로 지어졌다고 말합니다. 이 숫자는 1993년에 15,000채, 1994년에는 75,000채로 증가했습니다. 2002년까지 5배 더 증가할 것으로 추산됩니다. 이러한 형태의 건축에서 주요 골조 요소는 냉간성형 강철 벽 스터드와 바닥 장선입니다. 경량형 강철 지붕 트러스 또는 서까래도 사용됩니다. 현재 미국에서는 100개 회사에 이러한 용골 시스템을 생산했습니다. 그중에서도 유명한 회사는 워싱턴 산업 회사의 자회사인 디트리히(Dietrich) 회사입니다. 이 회사는 다층 경량강철 주택 건축을 위한 DBS 시스템을 개발했습니다[4]. DBS 기술 시스템을 사용하면 다층 주택용 경량강철 구조물을 건축할 수 있습니다. 벽은 양쪽에 C형 채널 석고보드를 사용하고, 바닥은 20mm 두께의 섬유 시멘트 보드를 깔고 C형 경량강 용골을 사용하며, 유리섬유 단열재 스페이서를 채워 방음 효과를 냅니다. 미국에서는 냉간성형 C형 단면이 지붕 트러스 부재로 일반적으로 사용됩니다[7]. 실제로 초기 퍼린 형태는 단순 립 채널과 Zed 단면이었습니다. 단순 채널은 복합 립을 가진 Multibeam Marks I, II 및 III로 발전했습니다. 그림 2에서 볼 수 있듯이 Zed가 Zeta 및 Ultrazed 형태로 발전하는 것도 유사한 추세를 볼 수 있습니다[6]. 냉간성형 부재는 다양한 단면 프로파일로 생산할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 구성 요소는 그림 3에 표시된 C 채널과 Z 단면입니다[10]. 북미에서 이 경량강은 방음 성능이 좋지 않아 단독주택이나 타운하우스에 사용됩니다. 횡풍하중과 지진에 저항하기 위해 미국의 다중경량강 구조 주거 시스템은 경량강 전단벽 또는 교차형 철골 지지 구조를 사용하는 두 가지 방법을 사용합니다. 경량강 전단벽은 일반적으로 0.5mm 두께의 아연도금 강판을 석고보드에 접합하여 경량강 벽 스터드에 고정합니다. 각 층 사이에는 스킨 구조의 전단 응력 형성과 유사하게 전단벽의 특수 구성 요소가 있어 상층과 하층을 연결하여 벽 스터드에 작용하는 수평력으로 인한 수평 전단 및 인장을 효과적으로 전달합니다. 지진 지역에서는 구조적 안전을 확보하기 위해 교차형 케이프 지지대를 횡력 저항 철골 구조로 사용하여 경량강은 수직 하중을, 일반강은 수평 하중을 견디는 하이브리드 건축 시스템을 형성합니다. 벽 단열 효과를 보장하기 위해 유리섬유로 채워진 벽 스터드 외에도 외벽재에 단열층을 시공합니다. 이 방법을 사용하면 벽 스터드에서 벽 패널로 이어지는 열교를 효과적으로 차단할 수 있습니다.

B. 일본의 강판 주택 건설

일본은 지진 다발 지역이고 경량 강철은 내진 효과가 좋은 특성을 가지고 있기 때문에 경량 강철이 지역적으로 인기가 있습니다.일본은 고유한 특성에 따라 아래 그림 4와 같이 시트 스틸 하우징이라는 경량 강철 주택을 건설합니다[8,9].이 구조는 새로운 건축 공정을 사용합니다.즉, 비용접 아연 도금 냉간 성형 강철 조합을 사용하는 것으로, Steel 2 × 4라고도 하며 플레이트 리브 구조의 주거용 공예입니다.구조는 이전 북미의 건축 형태입니다.벽 패널과 바닥은 상자를 기반으로 목재를 사용하여 제작됩니다.그러나 시트 스틸 하우징에서는 시트 재료가 두께가 1.0mm 정도인 스틸로 대체됩니다.두 면에는 경량 석고 보드가 부착됩니다.이 방법을 통해 안정성, 내구성, 단열성, 방음 특성 등과 같은 전체 구조의 성능이 달성됩니다.

실제로 이 강판 구조 건물은 강재와 판재 리브 공법의 장점과 장점을 결합한 공법입니다. 건축 현장의 실험 결과, 내진성, 풍하중 성능, 내설하중 성능 등 우수한 성능을 입증했습니다. 2003년, 일본의 건축 자재는 목재에서 얇은 강철 용골로 변경되었습니다. 건축적 특징, 일본 건축법규, 건축 시 특별 지침에 따라 자동 소화 및 자동 배기 시스템을 설치하고, 내부 마감재를 통해 벽체 간 열 전달을 최소화했습니다.

C. 유럽의 에너지 효율적인 주거용 건물

독일은 2002년부터 새로운 건물 에너지 사양을 시행하기 시작했습니다[9]. 핵심은 에너지 소비의 정량화입니다. 각 주택의 에너지 소비량은 주택의 필요 서류로서 유관 당국에 건물 에너지 계산을 제공해야 합니다. 이는 국가의 주택 개발 및 건축 자재 시장에 큰 영향을 미칩니다. 에너지 절약형 주거용 건물에서 스웨덴은 풍력, 태양열, 지열 및 기타 에너지원을 포함하여 가능한 한 재생 에너지를 사용하고 이러한 기술을 통합합니다. 간단히 말해, 유럽 국가들은 에너지 효율과 친환경 건축에 더 중점을 둡니다. 이제 냉간성형 강철 구성 요소를 빠르고 정확하게 조립하여 현장으로 배송할 수 있습니다. 영국에서는 대부분의 외곽 호텔과 모텔이 이제 이러한 방식으로 건설됩니다. 영국 건설 산업은 현재 연간 30만 톤 이상의 냉간성형 강철 제품을 사용하고 있으며 이 소비율은 꾸준히 증가하고 있습니다[10].

III. 중국의 경강재 주택

가. 경량철골주택의 개발 현황

오랫동안 중국에서는 주택 건설이 대부분 콘크리트로 이루어져 왔습니다. 콘크리트는 큰 자재와 긴 공사 기간이 필요하기 때문에 오늘날의 친환경 건물이라는 주제에 더 이상 적합하지 않습니다. 그림 5에서 볼 수 있듯이 중국은 1996년부터 세계 최대의 철강 생산국이 되었기 때문에 주 정부는 토목 공학 산업에서 철강 사용을 장려하기 시작했습니다. 건설용 철강 가공 산업이 날로 성장함에 따라 중국의 철골 구조 건설은 고속 발전기에 접어들었습니다[11]. 콘크리트 구조에서 일반 강철 건물로, 일반 강철 건물에서 경량 강철 구조로 발전하고 있습니다. 강철 주거용 건물의 개발은 첨단 기술과 특수 공구를 추구하지 않고 유럽 국가와 같이 성숙하고 통합적이며 실용적인 주택 기술에 중점을 두어야 합니다. 통합 과정에서 핵심은 세부적인 구조와 상호 융합입니다.

경량강재는 공장에서 쉽게 생산되고 기계화, 상용화, 현장 시공 속도가 빠르기 때문에 인근 주민에게 영향을 미치지 않으며, 문명 건설에 매우 유리합니다. 경량강재는 친환경적이고 지속 가능한 개발 상품이며, 종합적인 경제 지표는 철근 콘크리트 구조보다 높지 않습니다. 따라서 경량강재 건축물의 경량화와 우수한 내진 성능은 건설 산업의 주류가 되어야 합니다. 현재 건물은 전환기를 겪고 있습니다.

B. 경량강철 하우징의 특성

경량강철은 처음에는 새로운 개념이었지만, 사람들의 생활 수준이 향상됨에 따라 점차 생활 속으로 들어오고 있습니다. 베이징, 상하이 등 중국의 주요 도시에서는 북미와 일본의 기술을 도입하여 경량강철 구조 주택이 건설되고 있습니다. 현재 중국의 경량강철 주택은 대부분 철골 구조, 경량 벽체, 경량 바닥, 경량 지붕 시공 시스템을 사용하는 경량 에너지 절약형 주택입니다. 일반 H형강 용접강, 열간 압연 H형강 또는 직선형강을 사용하고, 내진벽체 횡력 계수를 결합하면 다층 구조로 건축할 수 있습니다. 이는 현행 규격 체계와 일치하며 내진 요건을 충족합니다[9]. 중국은 2011년 북미의 냉간성형강 용골 시스템을 통합하고 이 용골 시스템을 장려하는 "저급 냉간성형강 건축 기술 규정"을 발표하고 시행했습니다. C형강과 U형강을 이용한 설계 과정에서 하중지지벽은 기둥, 상하부 가이드보, 지지대, 브레이스 및 스트럿, 벽체 패널 및 기타 구조 구성요소로 구성됩니다[12]. 아래 그림 6과 같습니다. 관련 규격의 규정에도 불구하고 이 구조는 아직 널리 사용되지 않습니다. 경량강 구조는 경량, 우수한 내진 성능, 짧은 공사 기간, 구조적 안정성 및 기타 특성과 같은 몇 가지 장점이 있지만 큰 소음 및 낮은 내화성과 같은 추가적으로 해결해야 할 몇 가지 문제점도 있습니다. 이러한 건물의 짧은 공사 기간은 현재 사람들에게 인식되지 않고 있으며 안전성과 신뢰성이 검증되지 않았습니다.

하지만 이러한 경량 철골 건물은 중국 건축의 발전 추세이며, 더 많은 연구자들이 안전성, 신뢰성, 그리고 내구성에 대한 연구를 진행해야 합니다. 한마디로, 중국은 경량 주거용 철골 건물 분야에서 아직 초기 단계에 있으며, 갈 길이 멉니다. 선진국과 비교했을 때, 아직 해결해야 할 과제가 많고, 중국은 여전히 많은 부분에서 뒤처져 있습니다. 지속적인 개선과 완성이 필요합니다. [13]

C. 권장 사항 및 전략

경량 철골 주택은 우수한 성능, 경량성, 높은 공장 가동률, 빠른 시공 속도, 낮은 노동 강도 등의 장점을 가지고 있어 지난 30년간 미국과 유럽에서 점진적으로 발전하여 매우 성숙한 기술을 구축했습니다. 현재 많은 국내외 기업들이 경량 철골 주택 기술을 중국으로 이전하고자 하지만, 현실적으로 쉽지 않습니다. 그 이유는 다음과 같습니다.

1) 체계적인 경량강 규격이 없습니다.

2011년에 "냉간성형 강구조 기술 규정"이 공포되었지만, 주요 하중 지지 부재의 두께가 2mm 이하인 강구조물을 제작하는 것은 거의 고려되지 않았습니다. 해외에서는 두께 0.8~1.6mm의 도금 아연 도금 프레임 지지 시스템에 대한 이론적 분석이나 관련 실험 데이터가 전무하여 중국에서 경량 강구조 설계가 매우 어렵습니다.

2) 사회 전체가 이 새로운 주택 시스템을 수용하는 과정이 필요합니다.

사람들은 아직도 이런 구조물에 대해 매우 낯설어하며, 그 구조물의 안전성, 안정성, 편안함 등에 대해 여전히 잘 이해하지 못하고 있습니다.

3) 프로젝트 비용이 높습니다.

기술이 아직 초기 단계에 있기 때문에 숙련된 인력 부족과 해외에서 도입된 경량 강철 부품의 필요성이 주택 가격 상승의 원인이 되고 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해 다음과 같은 권장 사항과 전략을 제시합니다.

1) 경량강 규격 개선을 위해 여러 시범 사업을 구축하여 기술 격차를 해소해야 합니다. 이 분야에서 연구를 수행하는 대기업을 지원해야 합니다.

2) 시범사업의 건설과 얻은 경험을 토대로, 이에 상응하는 경량강구조 주택 기술기준 및 규정을 마련할 수 있는 기회를 잡아야 한다.

3) 기술 표준이 공포되면 기술 시스템을 전문학교의 교육 내용으로 통합해야 합니다.

4) 외국의 성공 사례 중 일부를 흡수하고, 특정 상황을 목표로 과학적 연구를 수행합니다. 각국은 이 기술 연구를 지원하는 정책을 마련하여 경량 철골 구조가 단계적으로 대중화되도록 해야 합니다. 이를 통해 더 많은 사람들이 이 구조를 인식하게 되기를 기대합니다.

IV. 결론

간단히 말해, 중국의 저조도 강재 다층 주거용 건물은 자재 사용량이 적고, 오염이 적으며, 공사 기간이 짧고, 국내 건축 발전 추세에 부합하여 발전 가능성이 높습니다. 이는 중국 주거용 건물의 새로운 국면을 맞이할 것입니다. 강재 주거용 건물 기술 지침 및 규격이 발표됨에 따라, 저조도 강재 다층 주거용 건물 또한 더욱 발전해야 합니다. 해외 경량 강재 구조 시스템 기술을 흡수하고 개선하며, 생산 능력과 강재 기술 개발을 확대함으로써, 경량 강재 구조가 중국에서 널리 사용되고 발전될 것으로 기대합니다.