건축 구조재료의 특성 마지막편(철)

오늘은 철에 대해 알아보겠습니다. 철의 역사는 청동기시대로 거슬러올라갑니다. 메소포타미아 문명권과 이집트, 소아시아 등에서 구리와 주석을 이용한 철을 생활용품에 일부 이용했다는 증거(자료)들이 나왔습니다. 좀 더 자세한 기원은 기원전 15세기경입니다. 무기를 비롯한 여러 도구들 만드는 제철기술에 눈을 떠서 바빌로니아를 멸망시켰고 이집트까지 위협할 정도의 나라였던 소아시아의 히타이트 왕국이 최초로 철기 문화(iron culture)을 가진 민족으로 알려지게 됩니다. 게다가 기원전 10세기경엔 이집트와 인도까지도 본격적으로 철을 제조하며 사용하였다는 기록들을 발견할 수 있습니다. 하지만 그들이 사용한 그 첯ㄹ들은 섭씨 4~800도씨의 낮은 온도에서 만들어졌으므로 철광석이 용해된 상태에서 두드리기때문에 철 이외의 다른 불순물을 제거한 단철이라고 예측되고 있습니다.

15세기경부터는 독일 지역에서 우리가 흔이 알고 있는 숯(목탄)을 원료로 해서 섭씨 1200도의 엄청안 고온을 얻을 수 있는 고로를 개발하였습니다. 그 결과 비교적으로 탄소함유량이 높은 선철(Pig Iron)을 만들기 시작하게 됩니다. 그래서 근대적 재료인 철강의 본격적 시대는 선철이 그 시발점이라고 말할 수 있습니다. 하지만 탄소의 양이 많은 선철은 철강제조에 어려움미 많았기 떄문에 이점들을 극복하기위해서 주로 영국을 중심으로 석탄을 코크스화하여 이전에 만들엇던 철광석을 용해시켜버리는 탈탄제철법의 활용 및 연구가 전성기를 맞게됩니다.

그렇게 여러 연구와 제련법에 대한 여러 시도가 철강생산량을 비약적으로 상승시킬 수 있었습니다. 하지만 기술적으로 극복할 수 없는 탄소함유량과 재료의 물리성능 개선의 단점들 때문에 조건이 다른 구조물을 구축하기 위한 압연가공상태의 건축물 시공은 엄청나게 어려운 실정이었습니다. 이점들을 고려하였고 압엽가공이 좀더 용이하도록 선철 자체를 주물로하는 주철제품을 선보이게 됩니다. 용융상테에선 주형을 부어서 주물인 상태로 제품이 생산되는 주철은 BC600년경부터 중국에서 사용했다는 기록이 나옵니다. 1779년에는 영국의 코브룩데일 새븐(Coalbrookdale Senern)강에 설치한 Iron Bridge는 성능이 개선된 최초의 근대적 주철 구조물로 알려지게 됩니다.

철은 비중와 강도가 아주 높기 때문에 대스팬구조, 초고층건물에 적합하며, 재료가 항복응력에 도달하여도 갑자기 파괴되지 않는 소성변형응력때문에 꽤 큰 하중을 버틸 수 있습니다. 철은 반복하중에 의한 열화가 적다는 특징이 있는데 연성의 증대로 내진성이 우수하며 공기가 단축되면서 구조해체는 물론이고 재사용까지 가능하다는 장점이 있습니다. 단점으로는 관리비가 높은편이며 내화성이 낮고, 좌굴(찌그러짐,휘어짐)의 위험성과 반복응력에 따른 강도저하가 심각하고 접합의 어렴움이 있습니다.