강구조물에 사용되는 강재의 종류와 특징

1.서 론

강재는 높은 강도, 연성, 그리고 다양한 형태로 제작될 수 있는 뛰어난 가공성 덕분에 구조 공학 분야에서 핵심적인 재료로 널리 사용되고 있습니다. 건축, 교량, 플랜트 등 다양한 건설 분야에서 강구조물의 중요성은 지속적으로 증가하고 있으며, 이에 따라 구조물의 안전성과 효율성을 확보하기 위해서는 사용되는 강재의 종류와 특성, 그리고 이를 규정하는 설계 기준에 대한 깊이 있는 이해가 필수적입니다.

이번 시간에는 현재 강구조물에 사용되는 주요 강재의 종류를 분류하고, 각 강재별 주요 특징인 항복 강도, 인장 강도, 연신율, 화학 성분 등을 대해서도 알아보도록 하겠습니다. 또한, 현재 국내 강구조 설계 기준인 KDS 14 30 00 (허용응력설계법)과 KDS 14 31 00 (하중저항계수설계법)의 주요 내용을 분석하고, 특히 강재의 종류 및 재료 특성과 관련된 규정을 심층적으로 다루도록 하겠습니다. 이를 통해 강재의 선택, 사용 시 고려 사항, 품질 기준 등에 대한 종합적인 정보를 제공하고, 더불어, 최근 2024년에 개정된 강구조 설계 기준의 주요 변경 사항을 반영하여 최신 정보에 대해서도 알아 보도록 하겠습니다.

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2. 강구조물에 사용되는 강재의 종류

강구조물에 사용되는 강재는 그 용도와 요구되는 성능에 따라 다양한 종류로 분류될 수 있습니다. 주요 분류 기준은 제조 방법, 화학 성분, 기계적 성질, 그리고 특정 구조적 목적에의 적합성 등입니다.

 

2.1 일반구조용 압연강재 (KS D 3503)

일반구조용 압연강재는 일반적인 구조물에 널리 사용되며, 특별히 용접성이 강조되지 않는 부재에 적합합니다. SS275, SS315, SS410, SS450, SS550 등의 등급이 있으며 , SS275는 보나 기둥과 같은 일반적인 구조 부재에 주로 사용됩니다. SS315는 용접에는 불리하여 볼트 접합 구조물에 한하여 사용되고 , SS410은 철탑이나 타워 크레인과 같은 순수 볼트 구조물에 사용됩니다. KS D 3503은 원칙적으로 비 용접 부재에 적용되지만, 특정 조건 하에 SS275 강종에 한하여 용접 시공 시험을 통해 용접성에 문제가 없음이 확인되면 사용이 가능합니다.  

 

2.2 용접구조용 압연강재 (KS D 3515)

용접구조용 압연강재는 용접성이 우수하여 용접 구조물에 적합합니다. SM275A, B, C, D; SM355A, B, C, D; SM420A, B, C, D; SM460B, C 등의 등급을 포함하며, SM355는 일반적인 용접 구조물의 보나 기둥에 널리 사용됩니다. SM460B, C는 열간압연 온도제어 방식(TMCP)으로 제조된 고강도강입니다. 다양한 하위 등급(A, B, C, D)은 화학 성분과 충격 인성 요구 사항에 따라 용접성과 저온 성능에 차이를 보입니다.  

 

2.3 건축구조용 압연강재 (KS D 3861)

건축 구조물의 내진 성능 향상을 위해 개발된 강재로, 기존 SS 및 SM 강재에 비해 항복비, 용접성, 소성 변형 능력 등이 개선되었습니다. SN275A, B, C; SN355B, C; SN460B, C 등의 등급이 있으며 , 내진 성능이 요구되는 보나 기둥에 주로 사용됩니다.  

 

2.4 건축구조용 열간압연형강 (KS D 3866)

SN 강재와 유사한 용접성과 소성 변형 능력을 가지며, 충격 인성(0℃, 27J)이 기본적으로 확보된 열간 압연 형강입니다. SHN275, SHN355, SHN420, SHN460 등의 등급이 있으며 , 내진 성능이 요구되는 보나 기둥에 사용됩니다.

 

 

2.5 기타 관련 강재

• 내후성 강재 (KS D 3529 - SMA 시리즈) : 구리(Cu), 크롬(Cr), 인(P), 니켈(Ni) 등을 소량 첨가하여 일반 강재 대비 4~8배 높은 내식성을 나타내며, 교량 및 외부 노출 구조재에 적합합니다.  
   
• 건축구조용 고성능 압연강재 (KS D 5994 - HSA 시리즈) : 높은 강도(예: HSA650)를 가지며, 초고층 및 대형 구조물에 사용됩니다.  
   
• 강관 (KS D 3566 - SGT 시리즈, KS D 3568 - SRT 시리즈, KS D 3632 - SNT 시리즈) : 트러스 부재 및 기둥재로 사용됩니다.  
   
• H형강 말뚝 (KS F 4603 - SHP 시리즈) : 건축 토목용 기초 말뚝으로 사용됩니다.  
   
• 일반구조용 경량형강 (KS D 3530 - SSC 시리즈, KS D 3558 - SWH 시리즈) : 소규모 건물 2차 부재에 사용됩니다.  
   
• 열간압연 강널말뚝 (KS F 4604 - SY 시리즈) : 흙막이, 물막이용 구조물에 사용됩니다.  
   
• 건축구조용 내화강재 (KS D 3865 - FR 시리즈) : 화재 발생 시 강도 저하를 방지하여 내화 성능을 향상시키거나 피복 두께를 줄이는 데 사용됩니다.  
   
• 항만 및 해양 구조용 내식성 강관 (KS D 3003 - HSM 시리즈, KS D 3300 - STKM 시리즈) : 해양 환경에 특화된 내식성 강재입니다.  
   

이러한 다양한 강재 종류는 국내의 구조 공학 분야가 특정 구조적 요구에 맞춰 재료를 전문화하는 방향으로 발전해 왔음을 보여줍니다. 특히 내진 성능(SN, SHN)과 용접성(SM)에 특화된 강재의 개발은 재료 과학 및 구조 공학 기술의 진보를 반영합니다. 또한, 동일한 구조 요소(예: 보, 기둥)에 다양한 강재 등급을 사용할 수 있다는 점은 강재 선택이 구조적 요구 사항, 설계 방법, 경제성 등 여러 요인의 복합적인 고려에 의해 이루어진다는 것을 시사합니다. 과거 SS400이 SS275로 대체된 사례 는 국내 기준이 국제 표준에 부합하고 재료 성능을 향상시키기 위해 지속적으로 업데이트되고 있음을 나타냅니다.  

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 3. 강재 종류별 상세 특징

강구조물에 주로 사용되는 강재들의 상세 특징은 다음과 같습니다.

3.1 일반구조용 압연강재 (KS D 3503 - SS 시리즈)

• SS275 : 최소 항복 강도 275 MPa을 가지는 가장 널리 사용되는 강재 중 하나입니다. 인장 강도는 410~550 MPa 범위이며 , 두께 16mm 이하의 경우 연신율은 18% 이상입니다. 화학 성분은 탄소(C) 최대 0.25%, 규소(Si) 최대 0.45%, 망간(Mn) 최대 1.40%, 인(P) 최대 0.050%, 황(S) 최대 0.050%를 포함합니다. 이는 이전 SS400 규격이 인과 황만을 규정한 것에 비해 개선된 사항입니다. 일반적인 구조물에 적합하며, 두께 25mm 이하에서는 용접성이 양호합니다.  
   
• SS355 : 최소 항복 강도는 355 MPa로 SS275보다 높은 강도를 요구하지만, SM이나 SN 강재의 특수한 성능이 필요하지 않은 경우에 사용될 가능성이 높습니다. 
   
• SS410 : 최소 항복 강도 410 MPa을 가집니다. 철탑과 같은 볼트 접합 구조물에 사용됩니다.  
   
• SS450 : 최소 항복 강도 450 MPa을 나타냅니다. 고강도 등급이지만, 이러한 강도 수준에서는 일반 구조용 강재보다는 SM이나 SN 강재가 더 일반적으로 사용됩니다.  
   
• SS550 : SS 시리즈 중 가장 높은 최소 항복 강도인 550 MPa을 가집니다. 특수한 고강도 강재의 사용 가능성으로 인해 적용 범위가 제한적일 수 있습니다.  
   

3.2 용접구조용 압연강재 (KS D 3515 - SM 시리즈)

• SM275 : 최소 항복 강도 275 MPa을 가집니다. 용접성 및 저온 성능에 영향을 미치는 다양한 화학 성분 및 충격 인성 요구 사항을 가진 A, B, C, D 등급으로 제공됩니다. SM275A는 탄소 최대 0.23~0.25%, 망간 최소 2.5xC의 화학 성분을 가집니다.  
   
• SM355 : 최소 항복 강도 355 MPa을 나타냅니다. A, B, C, D 등급으로 제공되며, SM275와 유사하게 다양한 특성을 가집니다. SM355A는 탄소 최대 0.20~0.22%, 규소 최대 0.55%, 망간 최대 1.60%의 화학 성분을 가집니다.  
   
• SM420 : 최소 항복 강도 420 MPa을 가집니다. 더 높은 강도를 요구하는 응용 분야에 사용됩니다. SM420B는 탄소 최대 0.20~0.22%, 규소 최대 0.55%, 망간 최대 1.60%의 화학 성분을 가집니다.  
   
• SM460 : 최소 항복 강도 460 MPa을 가집니다. 향상된 성능을 위해 TMCP 방식으로 생산되는 고강도강입니다. SM460B는 탄소 최대 0.20%, 규소 최대 0.55%, 망간 최대 1.70%의 화학 성분을 가집니다.  
   

3.3 건축구조용 압연강재 (KS D 3861 - SN 시리즈)

• SN275 : 최소 항복 강도 275 MPa을 가집니다. 내진 성능을 위한 특정 요구 사항을 가진 A, B, C 등급으로 제공됩니다. SN275A는 항복 강도 275 MPa (두께 <= 40mm), 인장 강도 410-520 MPa, 연신율 >= 18%입니다.  
   
• SN355 : 최소 항복 강도 355 MPa을 나타냅니다. 내진용으로 설계된 B, C 등급이 있습니다. SN355B는 항복 강도 355 MPa (두께 <= 40mm), 인장 강도 490-610 MPa, 연신율 >= 17%입니다.  
   
• SN460 : 최소 항복 강도 460 MPa을 가집니다. 고강도 내진 응용 분야를 위한 B, C 등급이 있습니다. SN460B는 항복 강도 460 MPa (두께 <= 40mm), 인장 강도 570-720 MPa, 연신율 >= 19%입니다.  
   

3.4 건축구조용 열간압연형강 (KS D 3866 - SHN 시리즈)

• SHN275 : 최소 항복 강도 275 MPa을 가집니다. 내진용으로 설계되었으며, 항복비는 85% 이하로 제한됩니다.  
   
• SHN355 : 최소 항복 강도 355 MPa을 나타냅니다. 내진 응용 분야에 사용되며, 항복비 제한은 85%입니다.  
   
• SHN420 : 최소 항복 강도 420 MPa을 가집니다. 내진 등급이며, 항복비는 85% 이하입니다.  
   
• SHN460 : 최소 항복 강도 460 MPa을 가집니다. 고강도 내진 등급이며, 항복비 제한은 85%입니다.  

 

강재등급	KS표준	최소항복강도(MPa)	인장강도(MPa)	최소연신율(%)	주요화학성분(%)
SS275	D 3503	275 (t≤16mm)	410-550	18 (t≤16mm)	C: ≤0.25, Si: ≤0.45, Mn: ≤1.40, P: ≤0.050, S: ≤0.050
SS355	D 3503	355 (예상)	-	-	-
SS410	D 3503	410 (t≤40mm)	540 이상	-	-
SS450	D 3503	450 (t≤16mm)	590 이상	-	C: ≤0.30, Si: ≤0.55, Mn: ≤1.60, P: ≤0.040, S: ≤0.040
SS550	D 3503	550 (t≤16mm)	690 이상	-	C: ≤0.30, Si: ≤0.55, Mn: ≤1.80, P: ≤0.030, S: ≤0.030
SM275A	D 3515	275 (t≤50mm)	410-550	22 (t≤16mm)	C: ≤0.23-0.25, Mn: ≥2.5xC, P: ≤0.035, S: ≤0.035
SM355A	D 3515	355 (t≤16mm)	490-630	22 (t≤16mm)	C: ≤0.20-0.22, Si: ≤0.55, Mn: ≤1.60, P: ≤0.035, S: ≤0.035
SM420B	D 3515	420 (t≤16mm)	520-720	19 (t≤16mm)	C: ≤0.20-0.22, Si: ≤0.55, Mn: ≤1.60, P: ≤0.030, S: ≤0.030
SM460B	D 3515	460 (t≤16mm)	570-720	19 (t≤16mm)	C: ≤0.20, Si: ≤0.55, Mn: ≤1.70, P: ≤0.030, S: ≤0.030
SN275A	D 3861	275 (t≤40mm)	410-520	18 (t≤16mm)	-
SN355B	D 3861	355 (t≤40mm)	490-610	17 (t≤16mm)	-
SN460B	D 3861	460 (t≤40mm)	570-720	19 (t≤16mm)	-
SHN275	D 3866	275-395 (t≤40mm)	410-520	21 (t≤40mm)	C: ≤0.20, Si: ≤0.40, Mn: ≥2.5xC, P: ≤0.035, S: ≤0.030, Ni: ≤0.60, Cr: ≤0.45, Cu: ≤0.35
SHN355	D 3866	355-475 (t≤40mm)	490-610	21 (t≤40mm)	C: ≤0.20, Si: ≤0.40, Mn: 0.5-1.5, P: ≤0.035, S: ≤0.030, Ni: ≤0.60, Cr: ≤0.45, Cu: ≤0.35
SHN420	D 3866	420-540 (t≤40mm)	520-640	19 (t≤40mm)	C: ≤0.20, Si: ≤0.40, Mn: 0.5-1.5, P: ≤0.035, S: ≤0.030, Ni: ≤0.60, Cr: ≤0.45, Cu: ≤0.35
SHN460	D 3866	460 이상 (t≤40mm)	570-720	17 (t≤40mm)	C: ≤0.20, Si: ≤0.40, Mn: 0.5-1.5, P: ≤0.035, S: ≤0.030, Ni: ≤0.60, Cr: ≤0.45, Cu: ≤0.35

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4. 강구조 설계기준

강구조 설계 기준은 다음과 같은 두 가지 주요 기준으로 구성됩니다.

• KDS 14 30 00 : 강구조 설계기준 (허용응력설계법) : 이 기준은 허용응력설계법에 기반한 강구조물 설계를 위한 지침을 제공합니다. 가장 최근 개정은 2019년 5월 26일에 시행된 국토교통부고시 제2019-244호입니다. 이 기준은 사용 하중 하에서 발생하는 응력을 허용 응력 값 이하로 제한하는 방식으로 강구조물을 설계하는 방법을 규정합니다.  
   
• KDS 14 31 00 : 강구조 설계기준 (하중저항계수설계법) : 이 기준은 하중저항계수설계법(LRFD)에 기반한 강구조물 설계를 다룹니다. 가장 최근 개정은 2024년 5월 3일에 시행된 국토교통부고시 제2024-223호입니다. 이 기준은 하중 계수와 저항 계수를 사용하여 목표 안전 수준과 신뢰성을 확보하는 설계 방법을 제시합니다.  
   

2024년 개정된 국토교통부고시 제2024-223호 의 주요 목적은 다른 강구조 설계 기준과의 중복 내용을 통합하고, 최신 KS 표준 및 선진국 설계 기준을 반영하여 강구조 설계 기준을 정비하는 것입니다. 주요 변경 사항으로는 건축물 강구조 설계 기준과 중복되는 내용을 이동 및 통합하고 , 가설 구조물의 세장비 제한을 완화하여 구조 전문가의 안전성 확인 후 현장 여건에 따라 설계 및 제작할 수 있도록 권고 사항으로 변경한 점 , 유효 순단면적 및 핀 접합 부재와 관련된 미국 강구조 기준을 반영한 점 , 그리고 강구조 연결 설계 기준(하중저항계수설계법)을 토목 및 건축 구조물로 구분한 점 등이 있습니다.  

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5. 결 론

이번 시간에는 강구조물에 사용되는 주요 강재 종류(SS, SM, SN, SHN 등)와 그 특징, 그리고 관련 KS 표준을 상세히 살펴보았습니다. 각 강재는 고유한 기계적 및 화학적 특성을 가지며, 특정 구조적 요구 사항 및 응용 분야에 맞춰 선택됩니다. 현재 강구조 설계 기준인 KDS 14 30 00과 KDS 14 31 00은 강재의 선택, 사용, 품질 관리에 대한 중요한 규정을 제공하며, 특히 2024년 KDS 14 31 00의 개정은 기준의 조화, 최신 표준 반영, 국제적 설계 관행 도입에 중점을 두고 있습니다.

강구조물의 안전하고 내구성이 뛰어난 성능을 확보하기 위해서는 구조 엔지니어 및 관련 이해 관계자들이 이러한 설계 기준의 최신 버전을 숙지하고 그 규정을 준수하는 것이 필수적입니다. 지속적인 기준 업데이트와 개선은 강구조 공학 분야가 안전하고 효율적인 건설 기술을 발전시키는 데 중요한 역할을 할 것입니다.

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