형강

각형강은 단면이 사각형 모양인 형강이다. 단면의 네 모서리는 일반적으로 직각을 이루지만, 일부는 모서리가 둥근 형태로 제작되기도 한다. 단면의 가로와 세로 길이가 같은 것을 정방형강, 다른 것을 장방형강 또는 평강이라고 구분한다.

각형강은 주로 건축 구조물의 기둥이나 보, 철골 구조물의 주요 부재로 널리 사용된다. 또한 기계 부품의 프레임이나 지지대, 선박의 내부 구조, 자동차의 섀시 부품 등 다양한 분야에서 구조용 재료로 활용된다. 단면의 형태가 단순하고 대칭적이어서 가공과 조립이 비교적 용이하다는 장점이 있다.

제조는 대부분 열간 압연 방식을 통해 이루어진다. 압연 공정을 통해 일정한 단면 형상과 길이를 가진 제품으로 생산되며, 필요한 경우 추가적인 절단이나 냉간 성형 가공을 거치기도 한다. 재료는 일반 탄소강이 가장 흔히 사용되며, 내식성이 요구되는 환경에서는 스테인리스강으로 만들어진 각형강도 사용된다.

각형강의 규격은 단면의 치수(너비와 높이)와 벽 두께, 그리고 길이로 표시된다. 이러한 규격은 국가별 또는 국제적인 산업 표준에 따라 정해지며, 설계 시에는 필요한 하중을 견딜 수 있는 적절한 단면 치수와 재료 등급을 선정하는 것이 중요하다.

H형강은 단면 모양이 알파벳 'H'와 유사한 형강으로, 두 개의 수평 플랜지와 이를 연결하는 수직의 웨브로 구성된다. 이 독특한 단면 형상은 건축 구조에서 휨과 압축 하중을 효율적으로 지지하는 데 매우 유리하다. 주로 철골 구조물의 기둥과 보로 널리 사용되며, 특히 고층 빌딩이나 대형 공장의 골조를 구성하는 핵심 자재이다.

H형강의 주요 장점은 단위 무게당 높은 단면 성능을 발휘한다는 점이다. 넓은 플랜지는 휨 강성과 휨 모멘트 저항 능력을 크게 향상시키고, 웨브는 전단력을 효과적으로 전달한다. 이러한 특성 덕분에 동일한 하중을 지지할 때 다른 형상의 형강보다 더 가볍고 경제적인 설계가 가능해진다. 또한, 용접과 볼트 체결이 비교적 용이하여 현장 시공성이 우수하다.

규격에 따라 H형강은 일반적으로 웨브의 높이와 플랜지의 너비가 거의 동일한 '광폭 H형강'과, 웨브 높이가 플랜지 너비보다 현저히 큰 '표준 H형강'으로 구분된다. 광폭 H형강은 주로 기둥으로, 표준 H형강은 주로 보로 사용되는 경향이 있다. 제조는 대부분 열간 압연 공정을 통해 이루어지며, 재료는 일반 탄소강이 주류를 이룬다.

I형강은 단면이 알파벳 'I'자 모양을 띠는 형강의 한 종류이다. 주로 건축 구조물의 보나 기둥으로 사용되며, 높은 휨 강도를 발휘하는 것이 특징이다. I형강은 플랜지라고 불리는 두 개의 수평판과, 이를 연결하는 수직의 웨브로 구성되어 있다. 이러한 구조는 재료를 효율적으로 분배하여 동일한 무게 대비 높은 단면 2차 모멘트를 확보할 수 있게 해준다.

I형강은 주로 열간 압연 공정을 통해 제조된다. 표준화된 규격에 따라 생산되며, 그 치수는 높이, 플랜지 너비, 웨브 두께 등으로 정의된다. H형강과 형태가 유사하지만, 일반적으로 I형강은 플랜지의 내면에 테이퍼가 있어 단면이 더 가늘어지는 특징이 있다. 이에 반해 H형강은 플랜지 내면이 평행한 경우가 많다.

주된 용도는 철골 구조 건물의 골조, 공장 건물의 트러스, 크레인의 거더, 그리고 다양한 교량의 주형으로 활용된다. 또한 선박의 용골이나 선체 보강재, 그리고 대형 기계의 프레임을 구성하는 데에도 널리 사용된다. I형강의 단면 효율성 덕분에 장대한 스팬을 가진 구조물을 경제적으로 구현할 수 있다.

I형강을 선정할 때는 필요한 하중과 지간 길이에 따라 적절한 단면 치수와 강재 등급을 선택해야 한다. 설계 시에는 휨과 전단 응력은 물론, 좌굴에 대한 안정성도 고려해야 한다. 특히 웨브의 높이가 클수록 좌굴에 취약할 수 있으므로, 필요 시 스티프너를 추가하여 보강하는 경우도 있다.

채널강은 단면이 'C'자 또는 'U'자 모양을 띠는 형강의 한 종류이다. 두 개의 평행한 플랜지와 이를 연결하는 하나의 웨브로 구성되어 있으며, 단면의 모양이 채널과 유사하여 이러한 명칭이 붙었다. 주로 열간 압연 방식으로 제조되며, 강철을 주된 재료로 사용한다.

채널강은 주로 건축물의 골조나 철골 구조물에서 보조 보, 브레이싱, 프레임 등에 널리 사용된다. 또한 기계의 프레임이나 하우징, 선박의 내부 구조재, 자동차의 섀시 부품 등 다양한 기계 구조 분야에서도 중요한 역할을 한다. 단면의 비대칭적인 형상 때문에 주로 휨 하중을 받는 부재로 활용된다.

채널강의 주요 규격은 플랜지의 너비와 높이, 두께로 표시되며, 각국의 산업 표준에 따라 다양한 치수가 정해져 있다. 설계 시에는 필요한 휨 강도와 단면 2차 모멘트 등의 단면 성능을 고려하여 적절한 규격을 선정한다. 다른 형강에 비해 한쪽 방향으로의 강성이 우수하지만, 비대칭 단면으로 인해 비틀림에 대한 저항은 상대적으로 약한 편이다.

채널강은 단독으로 사용되기도 하지만, 각형강이나 H형강 등 다른 형강과 조합하여 복합적인 구조물을 구성하는 데에도 자주 활용된다. 특히 건축 현장에서는 채널강을 절단하거나 구멍을 뚫어 볼트와 너트로 쉽게 연결할 수 있어 시공성이 뛰어나다는 장점이 있다.

원형강은 단면이 원형인 형강이다. 다른 형상의 형강과 마찬가지로 주로 강철을 열간 압연 방식으로 제조하여 긴 봉 형태로 생산된다. 단면이 대칭적인 원형이기 때문에 모든 방향에서 동일한 단면 성능을 보이는 것이 특징이다. 이러한 특성은 축이나 볼트, 리벳과 같은 기계 부품, 그리고 다양한 구조물의 연결 부재로 사용될 때 유리하게 작용한다.

주요 용도로는 건축물의 철골 구조보다는 기계 공학 분야가 더 두드러진다. 예를 들어, 회전 운동을 전달하는 동력 전달 장치의 샤프트나 기어의 소재, 자동차의 서스펜션 부품, 그리고 공장 설비의 롤러 등 다양한 기계 부품의 기본 소재로 널리 활용된다. 또한, 펜스나 난간, 의자의 다리와 같은 생활 용품의 구조재로도 사용된다.

원형강은 그 자체로 사용되기도 하지만, 추가 가공을 통해 파이프나 튜브의 제조 원료가 되기도 한다. 냉간 성형 공정을 통해 정밀한 치수와 표면 상태를 가진 봉강으로 제조될 수 있으며, 이는 고정밀 기계 부품에 적합하다. 규격은 지름과 길이, 그리고 재료의 강도 및 탄소 함량 등에 따라 다양하게 분류되어 있다.

형강의 가장 일반적인 제조 방법은 열간 압연이다. 이 공정은 강괴나 빌릿과 같은 원재료를 재결정 온도 이상으로 가열한 후, 일련의 롤러 사이를 통과시켜 원하는 단면 모양으로 성형하는 방식이다. 고온 상태에서 가공되기 때문에 재료의 변형 저항이 낮아 대형 단면의 제품을 비교적 쉽게 생산할 수 있으며, 생산 효율이 매우 높다는 장점이 있다. 열간 압연을 통해 제조된 형강은 표면에 얇은 산화 피막이 생성되는 것이 특징이다.

주로 대량 생산되는 표준 단면의 형강, 예를 들어 H형강, I형강, 각형강, 채널강 등은 대부분 이 열간 압연 공정을 통해 만들어진다. 이 방법으로 제조된 제품은 일반적으로 냉간 성형 제품에 비해 표면 정밀도는 다소 낮을 수 있으나, 단면 크기와 길이에 제약이 적어 대형 구조물에 널리 사용된다. 특히 건축 골조나 교량, 철도 차량, 조선과 같은 중공업 분야에서 핵심 자재로 활용된다.

열간 압연 공정은 형강 산업의 근간을 이루며, 철강 소재의 가공성과 경제성을 결합하여 현대 인프라와 중공업 발전에 필수적인 역할을 해왔다. 이 공정을 통해 생산된 형강은 그 우수한 강도와 안정성으로 토목 공학 및 기계 공학 분야에서 널리 신뢰받고 있다.

냉간 성형은 상온에서 강재를 가공하여 원하는 단면 모양을 만드는 제조 방법이다. 이 공정은 열간 압연으로 생산된 냉연 강판 또는 열연 강판을 원료로 사용하며, 주로 롤 성형이나 프레스 성형 방식을 통해 이루어진다. 열간 압연에 비해 표면이 매끄럽고 치수 정밀도가 높으며, 얇은 두께의 제품 생산에 유리하다는 장점을 가진다.

냉간 성형의 대표적인 방식은 롤 성형이다. 이 방법은 일련의 성형 롤 사이에 강판을 연속적으로 통과시켜 채널강이나 각형강과 같은 특정 단면 모양으로 점진적으로 굽히는 과정이다. 이 공정은 대량 생산에 적합하며, 자동차 차체 부품이나 건축자재의 외장 패널 등을 제조하는 데 널리 사용된다. 또한 프레스 성형은 금형을 사용해 강판을 한 번에 찍어내는 방식으로, 복잡한 형상의 부품을 제작할 수 있다.

냉간 성형은 가공 중에 가공 경화 현상이 발생한다는 특징이 있다. 이는 재료의 강도와 경도를 증가시키지만, 동시에 연성을 감소시켜 추가 가공이나 변형에 취약해질 수 있다. 따라서 제품의 최종 용도에 따라 필요 시 열처리 공정을 병행하기도 한다. 이 방법으로 제작된 형강은 정밀한 치수와 양호한 표면 상태 덕분에 가전제품의 프레임이나 사무기기의 구조체 등 외관과 정밀도가 중요한 분야에서 선호된다.

형강의 재료로 가장 널리 사용되는 것은 탄소강이다. 탄소강은 철과 탄소를 주성분으로 하는 합금으로, 탄소 함량에 따라 그 성질이 크게 달라진다. 일반적으로 형강 제조에는 탄소 함량이 비교적 낮은 연강이 많이 사용된다. 이는 가공성이 우수하고, 용접 및 성형이 비교적 용이하며, 경제성이 높기 때문이다.

탄소 함량이 증가할수록 강도와 경도는 상승하지만, 인성과 연성은 떨어지고 취성파괴의 위험이 커진다. 따라서 고층 건축물의 주요 골조나 교량과 같이 높은 강도와 동시에 충격에 대한 저항성이 요구되는 구조물에는 특정 범위의 탄소 함유량을 가진 강재가 선정된다. 형강의 기계적 성질은 이 탄소 함량과 함께 열처리 공정에 따라 최종적으로 결정된다.

형강용 탄소강은 주로 열간 압연 공정을 통해 제조된다. 고온에서 압연되므로 표면에 스케일이 생성되는 것이 특징이다. 이 스케일은 방청 처리 전에 제거되어야 하며, 냉간 성형된 제품에 비해 표면 정밀도는 다소 낮은 편이다. 그러나 대규모 생산이 가능하고 복잡한 단면 형상도 비교적 쉽게 얻을 수 있어 건설 자재의 주류를 이루고 있다.

합금강은 탄소강에 특정 합금 원소를 첨가하여 특성을 향상시킨 강철이다. 주로 첨가되는 원소로는 크롬, 니켈, 몰리브덴, 망간, 규소 등이 있으며, 이러한 원소들은 강의 경도, 강도, 내식성, 내마모성, 내열성 등의 기계적 및 화학적 성질을 개선하는 역할을 한다.

합금강은 첨가하는 합금 원소의 종류와 함량에 따라 다양한 등급으로 분류된다. 예를 들어, 크롬을 첨가하면 내식성과 경도가 향상되어 베어링이나 금형 등에 사용되고, 니켈은 인성과 내충격성을 높여 저온 환경에서 사용되는 구조재에 적합하다. 몰리브덴은 강도와 내열성을 증가시켜 고온에서 작동하는 엔진 부품이나 터빈 날개 등에 활용된다.

합금강으로 제조된 형강은 일반 탄소강 형강보다 우수한 성능을 요구하는 특수한 환경이나 구조물에 사용된다. 이는 고층 건물의 주요 골조, 대형 교량, 발전소 설비, 선박의 선체 구조, 그리고 항공기나 군사 장비의 프레임 등에 적용되어 높은 하중과 열, 마모, 부식에 견딜 수 있는 내구성을 제공한다.

형강의 재료로 사용되는 스테인리스강은 크롬을 주성분으로 하여 내식성을 크게 향상시킨 합금강이다. 일반적으로 크롬 함량이 10.5% 이상인 강종을 지칭하며, 표면에 형성되는 얇고 치밀한 크롬 산화막이 부식을 방지하는 역할을 한다. 이로 인해 습기가 많거나 화학 물질에 노출되는 환경에서도 우수한 내구성을 발휘한다.

스테인리스강 형강은 주로 오스테나이트계와 페라이트계로 구분된다. 오스테나이트계 스테인리스강은 니켈을 추가하여 내식성과 인성이 매우 뛰어나며, 냉간 가공에 의해 강도를 높일 수 있다. 반면 페라이트계 스테인리스강은 니켈을 함유하지 않아 상대적으로 경제적이며, 자성을 가진다는 특징이 있다. 이러한 특성 차이에 따라 각각 다른 용도에 적용된다.

내식성이 요구되는 특수한 환경의 구조물에 스테인리스강 형강이 사용된다. 예를 들어, 해수에 노출되는 해양 구조물, 화학 플랜트의 지지대, 식품 가공 설비, 또는 외관 마감이 중요한 건축물의 외부 골조 등에 적용된다. 또한 의료 기기나 정밀 기계의 프레임 제작에도 활용될 수 있다.

일반 탄소강 형강에 비해 재료비가 높고 가공이 다소 어려운 단점이 있지만, 장기적인 유지보수 비용 절감과 구조물의 수명 연장이라는 장점을 제공한다. 따라서 초기 투자 대비 전체 수명 주기 비용을 고려한 선정이 이루어진다.

형강의 기계적 성질은 구조물의 안전성과 내구성을 결정짓는 핵심 요소이다. 주요 성질로는 항복 강도, 인장 강도, 연신율, 충격 값 등이 있으며, 이는 재료 시험을 통해 평가된다. 특히 건축 구조나 교량과 같은 주요 하중을 지지하는 부재에서는 항복 강도가 설계의 기준이 된다. 이러한 기계적 성질은 사용되는 강철의 화학 성분과 열처리 공정, 그리고 압연 방식에 따라 크게 달라진다.

형강의 단면 모양은 단순히 외형뿐만 아니라 단면의 단면 2차 모멘트와 단면 계수 같은 단면 성능에 직접적인 영향을 미쳐 기계적 거동을 변화시킨다. 예를 들어, H형강은 플랜지와 웨브의 배치로 인해 휨에 대한 저항이 우수한 반면, 원형강은 비틀림 하중에 비교적 강한 특성을 보인다. 따라서 용도에 맞는 형강을 선정할 때는 재료 자체의 강도뿐만 아니라 형상에 의한 구조적 효율을 종합적으로 고려해야 한다.

기계적 성질은 국제 표준화 기구나 각국의 산업 표준에 따라 등급이 부여되며, 품질 관리의 중요한 지표가 된다. 표준에 명시된 최소 항복 강도나 인장 강도를 만족하는 제품만이 해당 등급으로 인정받아 건설 현장이나 제조업에 투입될 수 있다. 이는 구조물의 신뢰성을 확보하고 표준화된 설계를 가능하게 하는 기반이 된다.

형강의 단면 성능은 그 형상에 따라 결정되는 구조적 특성을 의미한다. 단면의 모양과 치수는 단면 2차 모멘트, 단면 계수, 단면 반경 등 핵심 기하학적 성질에 직접적인 영향을 미치며, 이는 구조물이 하중을 지지하고 변형에 저항하는 능력을 규정한다.

H형강과 I형강은 주로 휨 하중을 받는 보나 기둥으로 널리 사용된다. 이들은 플랜지(폭이 넓은 부분)와 웨브(중앙의 얇은 부분)로 구성되어, 동일한 단면적 대비 높은 단면 2차 모멘트를 제공한다. 이로 인해 휨 강성과 강도가 우수하며, 특히 H형강은 두 축 방향의 단면 성능이 균형 잡혀 있어 기둥으로서 안정성이 높다. 반면, 채널강은 비대칭 단면으로 한쪽 방향의 휨 강성이 뛰어나 주로 보강재나 지붕 트러스의 구성 요소로 활용된다.

각형강은 사각 또는 정사각형의 닫힌 단면을 가지며, 비틀림 저항 성능이 우수하다. 또한 두 축 방향의 단면 성능이 동일하거나 유사하여 다양한 하중 조건에 적용 가능하다. 원형강은 파이프 형태로, 축 방향의 압축이나 인장 하중에 효율적이며, 유체의 흐름이나 외부 압력에 대한 저항이 필요한 경우에도 사용된다. 구조 설계 시에는 필요한 하중 조건과 공간적 제약을 고려하여, 이러한 단면 성능 특성을 바탕으로 최적의 형강을 선정한다.

형강은 현대 건축 구조물의 핵심적인 골조 재료로 널리 사용된다. 특히 철골 구조 건물에서 기둥, 보, 트러스, 빔 등 주요 하중을 지지하는 부재를 구성하는 데 필수적이다. H형강과 I형강은 높은 휨 강도와 효율적인 단면 성능 덕분에 대규모 빌딩의 주골조나 공장 건물의 프레임에 주로 사용된다. 각형강은 보조 보강재나 브레이싱에, 채널강은 벽체의 스터드나 퍼펜디큘러 보강에 활용된다.

교량과 같은 대형 인프라 구조물에서도 형강은 중요한 역할을 한다. 교량의 주탑, 거더, 데크 지지대 등에 다양한 형강이 조합되어 사용된다. 내진 설계가 요구되는 건축물에서는 형강의 높은 인성과 연성이 우수한 에너지 흡수 능력을 제공하여 지진력에 저항하는 데 기여한다. 또한 공장이나 창고와 같은 단층 대공간 구조물의 지붕 트러스와 컬럼을 구성하는 데에도 형강이 적극적으로 사용된다.

형강을 이용한 건축 구조는 프리패브리케이션 공법과 잘 결합된다. 공장에서 미리 가공 및 조립된 철골 부재를 현장에서 볼트 체결이나 용접으로 신속하게 설치할 수 있어 공사 기간을 단축시키는 장점이 있다. 이는 스틸 하우스나 모듈러 건축과 같은 빠른 시공이 필요한 프로젝트에서 특히 유리하다. 또한 강재는 재활용이 용이한 친환경 재료로서, 지속 가능한 건축의 관점에서도 그 가치가 인정받고 있다.

형강은 다양한 기계의 구조물 및 부품 제작에 핵심적으로 사용된다. 기계 구조는 정적 하중과 동적 하중을 지속적으로 받으며, 정밀한 치수와 높은 강도, 내구성이 요구되는 경우가 많다. 이에 따라 각형강과 원형강은 정밀한 기계 가공이 용이하고, H형강과 I형강은 높은 굽힘 강도를 바탕으로 기계의 주요 지지 프레임이나 베이스 플레이트로 활용된다. 특히 채널강은 경량이면서도 강성이 요구되는 보강재나 가이드 레일로 널리 사용된다.

기계 부품으로서의 형강은 절삭 가공, 드릴링, 용접 등 후속 공정을 통해 최종 형태로 가공된다. 예를 들어, 원형강은 샤프트, 롤러, 기어의 소재로, 각형강은 지그나 고정구의 베이스로 선호된다. 또한, 열간 압연 방식으로 대량 생산된 형강은 균일한 품질과 경제성을 제공하여, 공작 기계, 농업 기계, 건설 기계 등 다양한 산업 분야의 기체를 구성하는 기본 자재 역할을 한다.

기계 설계 시에는 형강의 단면 성능이 매우 중요하게 고려된다. 단면 2차 모멘트와 단면 계수는 굽힘 강도와 처짐 저항을, 단면적은 인장 강도와 압축 강도를 결정하는 주요 요소이다. 따라서 하중 조건, 공간 제약, 중량 제한 등을 종합적으로 분석하여 최적의 형강 종류와 규격을 선정한다. 이를 통해 기계 구조물의 안전성과 신뢰성을 확보하면서도 자재 비용과 제조 비용을 절감할 수 있다.

형강은 교량과 선박의 구조물을 구성하는 핵심 재료로 널리 사용된다. 특히 교량의 주탑, 거더, 보강재 등 주요 부재를 제작하는 데 적합한 단면 성능과 내구성을 제공한다. 대형 교량의 경우 높은 강도와 피로 저항성을 요구하는데, H형강과 I형강은 이러한 요구를 충족시키는 효율적인 단면 형상을 가지고 있어 널리 채택된다. 또한 해상 교량이나 해양 구조물에는 부식에 강한 스테인리스강이나 특수 합금강이 적용되기도 한다.

선박 건조 분야에서는 선체의 주요 골격인 용골, 횡격벽, 데크 빔 등을 제작하는 데 형강이 필수적으로 사용된다. 선박 구조는 복잡한 하중과 해수 부식 환경에 노출되므로, 높은 인성과 용접성을 갖춘 강재가 요구된다. 일반적으로 조선소에서는 선급 협회의 규정에 맞는 선급 인증 강재를 사용하며, 채널강이나 각형강 등이 선체의 보강재로 활용된다.

교량과 선박 모두 구조물의 안전성과 수명에 직접적인 영향을 미치는 핵심 부재이므로, 형강의 선정 시에는 설계 하중, 사용 환경, 경제성 등을 종합적으로 고려해야 한다. 이를 위해 각국의 건축 구조 설계 기준과 선급 규정은 사용 재료의 최소 강도, 두께, 검사 기준 등을 상세히 규정하고 있다.