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건축재료학

사랑마을장 2020. 2. 8. 04:15
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1. 개념 및 정의

1) 건축재료의 정의

건축재료는 건축물을 구성하기 위해 사용되는 모든 천연 및 인공재료의 총칭이다.1)

현대 건축에서의 건축재료는 건축공사에 있어서 기초, 지정, 구조체, 지붕, 외벽, 바닥, 등의 건축물 각부에 사용되어 건축물을 구성하는 재료 및 부속재료를 포함하여 건축재료라고 한다.2) 인류는 안전한 주거생활을 위하여 환경에 적응할 수 있도록 건축을 하기 시작하였다. 초기에는 흙, 나무, 돌 등과 같은 주변의 손쉬운 재료를 이용하였으나 인류의 발전과 더불어 현대에 이르기까지 다양한 재료를 통해 건축기술을 발전시켜왔다. 그러나 무엇보다도 건물을 만드는 재료로서 갖추어야 할 조건으로서 자연재해나 화재 등의 재해로부터 안전해야 할 것과 내구성이 있어 장시간 사용이 가능하고 경제적일 것, 그리고 공급이 용이하고, 가공이나 활용도가 높은 재료라야 건축재료로서 훌륭한 재료가 될 수 있다.

2) 건축재료학

건축재료학(建築材料學, construction materials)은 건축물에 사용되는 다양한 재료들의 물리적 특성과 역학적 성능, 미적 활용도 등을 명확하게 규명하여 합리적이고 안전하게 사용할 수 있는 방법을 체계적으로 연구하는 학문이다. 따라서 건축재료학은 건축에 사용되는 용도에 따라 각종 재료들을 종류별로 구분하고, 각 재료들의 구조나, 조직, 성분 등을 물리적으로 규명할 뿐 아니라, 공학적으로 화학적, 물리적, 역학적 성질의 파악을 통하여 합리적 이용방법을 연구하며, 이를 바탕으로 경제적이고 물성이 우수한 재료를 개발하여, 건축에 합리적으로 이용하는 방법을 연구하는 학문이다. 그러나 재료학이라고 해서 재료 그 자체에만 국한된 것이 아니라, 건물의 사용목적에 부합하기 위하여 사용적인 측면인 인간공학적 측면과 환경적 측면과의 연계성도 중요시되어 연구되고 있다.

2. 역사와 발전단계

건축재료의 역사는 인류가 주거생활을 하기 시작하던 원시시대의 흙과 나무 등의 자연소재를 사용하면서부터 시작하여 현대에 이르는 오랜 역사를 가지고 있으나, 학문으로서의 체계는 근현대에 이르러서야 그 면모를 갖추고 있다. 산업혁명 이후에 재료의 발전은 급속도로 발전하게 되었으며, 재료의 변화에 따른 다양한 건축기법들도 빠르게 발전하게 되었다.

1) 순수재료로서 사용

인류는 처음 주거생활은 토굴이나 동굴 같은 자연지형을 이용하여 생활하였으나 생활반경의 확대로 점차 건축물을 축조하기 시작하였다. 초기 주거현태에서 나타나는 재료의 사용으로는 나무, 흙, 돌 등의 주변에 구하기 쉬운 재료들을 자연 상태 또는, 크기나 모양을 필요에 의해 다듬어 사용하는 정도로서 사용되었다.

2) 합성, 가공재료의 사용

자연 상태로서 재료만을 사용하던 인류는 보다 내구성이 강하고 사용하기 좋은 건축재료를 연구하기 시작하였고 목재와 돌, 흙이 주 건축재료였던 과거와 달리 벽돌, 콘크리트 등의 가공재료가 등장하기 시작하였다.

(1) 벽돌의 발달

흙을 원시적으로 사용하였던 방법 중에서 짚을 넣어 벽돌을 만드는 작업에 대하여 문서로 기록되어 있는 것은 BC 1500년경 이집트의 국고성 비돔과 라암셋을 건축할 때 이스라엘 노예들의 고역으로 흙이기기와 벽돌굽기가 있었다는 기록이 구약성경에 기록되어있다.3) 원시적인 방법으로서의 벽돌제작은 흙을 틀에 넣고 성형하는 초기단계에서부터 발전하여 흙에 짚이나 다른 물질을 첨가함으로서 상대적으로 전단강도에 취약한 부분을 보강하기 시작하였다. 이후 불의 사용으로 흙을 불에 구우면 강도가 높아지는 물리적 성질을 알게 되었고 소성벽돌이라는 멋진 건축재료를 만들게 되었다. 벽돌이 건축재료로서 본격적으로 많이 사용된 시기로는 로마시대로서 벽돌의 재료적 특성상 곡선건축물의 건축에 매우 유용하게 사용함으로서 아치, 볼트 등의 건축기술의 발전을 이끌었으며, 대형 스팬의 구성에 유용하게 사용되었다.

(2) 콘크리트의 발달

로마건축에 있어서 재료학적으로 큰 의미를 주는 것은 벽돌의 발전과 함께 콘크리트의 발전을 말할 수 있다. 그러나 최초의 시멘트 사용은 아프리카에서 시작되었다. 이집트의 피라미드(BC 2700년경)에서 석고와 석회를 섞은 자연 시멘트를 돌을 접합하는 재료로 사용하였다. 로마시대에는 소석회와 화산재를 혼합한 시멘트에 모래, 자갈을 섞어 콘크리트를 만들어 사용하였으며, 접합재로 사용 할 뿐 아니라 점차적으로 벽체와 지붕에 보강재나 구조재로서도 사용하게 되었다.

3) 산업혁명과 건축재료의 발달

근대 산업혁명 이후의 건축재료로서 가장 큰 변화는 철의 다량생산으로 인한 철골의 사용과 철근콘크리트의 발전이라 말할 수 있다.

(1) 철재의 발전

산업혁명은 철의 대량생산과 더불어 제품의 기계화로 인해 철재 제품의 다양화와 규격화가 이루어지게 되었다. 건축기술 또한 발전하여 더욱 다양한 제품들이 요구되었을 뿐 아니라 제조기술의 발전도 견인하였다. 특히 철골재와 철골구조기술의 발전은 근대건축에 커다란 영향을 끼쳤으며, 판유리의 대량생산과 함께 건축에 널리 쓰이게 되었다. 이시기의 작품으로서 런던대박람회에 출품되었던 크리스털 팰리스(Crystal Palace)나 1889년 알렉상드르 구스타프 에펠(Alexandre Gustave Eiffel)의 작품인 파리 에펠탑 과 같은 대형 철재 건축물과 아르누보 양식의 작품들을 대표적인 작품으로 말할 수 있다.

(2) 철근콘크리트의 발전

1811년 프랑스인 비캇(Vicat)가 인공적으로 탄화석회와 점토를 혼합하여 고온 가열한 후 분쇄하여 수경성 결합체를 얻는데 성공하였으며, 1824년 요제프 아스피딘(Josef Aspdin)에 의해 포틀랜드 시멘트를 개발하였는데, 이것이 포틀랜드 시멘트라 불리게 된 것은 포틀랜드 지역에서 생산되는 석재와 색상이 유사하였기 때문이다.4)

콘크리트는 이런 시멘트에 모래, 자갈, 물을 적당히 배합하여 경화시킨 것을 말하며, 1832년 영국의 마크 이점바드 부르넬(Marc Isambard Brunel)경이 아치 구조에 사용하였으며, 1834년 프랑스에서 학교와 교회건축에 사용되었다.

철근콘크리트는 1854년 프랑스인 조지프 루이스 람보트(Joseph Louis Lambot)가 철망으로 보강한 보트를 제작하여 최초로 파리박람회에 출품하였다. 그 후 정원사인 조지프 모이어(Joseph Moier)는 콘크리트 파이프, 수조, 평판, 교량에 대해 특허를 받았다. 미국의 법률가 태디어스 하이야트(Thaddeus Hyatt)는 콘크리트 보와 슬라브의 휨, 수축, 철근의 팽창계수 등을 실험을 통하여 정리하였고, 최초로 미국에서 워드(W. E. Ward)에 의해 철근콘크리트 주택이 건축되었다.5) 압축강도가 높고 성형을 통해서 자유로운 마감성에 대한 매력은 근대 모더니즘 건축가들에겐 큰 유혹이었으며, 거의 모든 건축가들에게 널리 사용되기 시작하였다.

4) 현대의 건축재료

(1) 고성능 자재의 발전

사회의 발전과 함께 건축기술도 눈부시게 발전하고 있다. 미국의 시카고나 뉴욕의 마천루에서만 볼 수 있던 초고층 빌딩이 이제는 미국뿐 아니라 전 세계 모든 지역에서 볼 수 있게 되었다. 이런 초고층 건물의 건축을 가능케 하는 것은 건축자재의 고성능화에서 시작되었다. 150~300fgk/㎠의 일반 콘크리트의 강도보다 훨씬 강도가 높은 1000fgk/㎠ 이상의 초고강도 콘크리트가 개발되고, 철근 또한 인장강도가 매우 높은 고강도 철근이 개발됨으로서 초고층 건축물이 가능하게 되었다. 이런 강도의 차이는 공간을 구성하는 각 부재의 크기를 결정하는데 중요한 요소가 된다. 강도가 적은 재료는 하중을 감당하기 위해서 부재의 크기가 커야하고, 스팬의 간격을 줄여야 하므로 그만큼 공간의 사용 효율성을 떨어지게 되며, 초고층의 경우에는 아래층에 부담되는 하중의 크기 때문에 저층에서 실제 공간 효율성이 없어지게 되기 때문이다.

(2) 화학재료의 발전

현대 건축의 경우 과거와 다른 또 하나의 특징은 화학재료의 사용을 들 수 있다. 고전 건축물에 있어서 돌을 사용할 때에 그것은 구조제 역할을 하였다. 그러나 현대 건축에 있어서 석재는 구조재로서 쓰이는 경우는 별로 없다. 오히려 장식재로서 얇은 판재로서의 사용이 대부분이기 때문인데 이럴 때 일반적으로 콘크리트 구조체에 철재 프레임을 세우고 그 위에 케미컬 본드를 이용하여 접착한 후 실리콘으로 틈새를 충진하게 된다. 이때 사용하는 본드나 실리콘 등은 모두 화학재료로서 과거에는 사용하지 않았던 재료들이다. 이런 화학재료는 건식시공법과 함께 나날이 개발되고 발전하고 있다. 그뿐 아니라 기존 자재에 있어서도 자재의 성능을 높이기 위해 첨가물로서 화학재료를 첨가하는 경향이 높아지고 있다. 콘크리트의 경우에도 필요에 따라 유동화제, 섬유 보강재, 플라스틱 보강재 등의 화학물질이 첨가되기도 한다.

(3) 친환경 자재의 발전

현대 건축의 철근콘크리트와 포장된 토지는 인간을 경제와 생활을 윤택하게 만들었지만 인간의 정서는 메말라 가고 있다. 이에 반항적 시각으로 경제적 건축에서 건강한 건축으로 사고의 전환을 가져왔다. 디자인 측면에서도 친환경적 차원에서 고려가 중요시 되었으며, 자재에서도 친환경제품이 아니면 사람들에게 외면당하게 되었다. 재료의 물리적 강도의 상승과 함께 이제 반드시 요구되는 사항으로서, 안전성과 친환경성이 중요한 화두가 된 것이다. 특히 화학재료의 경우 환경호르몬의 배출여부에 따라 사용이 제한되는데 이는 완성 후 포름알데히드(formaldehyde) 같은 화학물질의 검출여부가 건축물의 품질을 측정하는 하나의 도구가 되었기 때문이다.

3. 접근방법 및 주요 연구영역

1) 접근방법

(1) 물리학적 접근방법

각 재료가 지닌 고유의 성질, 즉 물리적 특성에 기초를 두고 접근하는 방법이다. 재료자체의 성질에 대하여 연구하기 위하여 물리학이나 역학, 수학 등의 기초 학문의 우선 지식이 필요하다.

(2) 건축공학적 접근방법

건축시공을 중심으로 사용목적이나 사용조건에 따른 연구를 바탕으로 접근하는 방법으로서 건축공학적 지식과 함께 디자인에 대한 이해도 필요하다.

2) 연구영역6)

(1) 재료과학적 연구방법

단체 또는 복합적인 재료자체의 성질에 관한 연구방법으로서 각 재료의 성분과 조직 그리고 고유특성 즉, 물리적 특성, 화학적 특성, 역학적 특성, 생물학적 특성을 파악하여 경제적이고 성능이 우수한 재료를 개발하고 건축구법이나 공법에 적용될 수 있는 방법을 연구하는 방법이다.

(2) 재료공학적 연구방법

건축물의 각 부재의 사용요소에 따라 부재의 사용목적이나 사용조건이 달라진다. 재료는 사용목적에 따라 크게 구조재와 마감재로 구분되어진다. 목재나, 석재, 콘크리트, 금속재 등의 구조재는 구조재로서 갖추어야할 인장 및 압축강도, 변형, 비중, 내구성 등의 구조성능을 비롯한 자재특성을, 유리, 점토, 페인트, 아스팔트, 접착제, 플라스틱 같은 마감재는 마감재로서 갖추어야 할 불연성, 화학적 안전성, 감각적 성능 등을 갖추어야 한다.

(3) 재료생산학적 연구방법

재료의 가공 방법이나 시공 등의 생산에 연관된 실용적인 성질의 연구 또한 건축물은 외력, 빛, 열, 온도, 수분 등과 같은 다양한 환경에서 각 재료들은 제각기 다른 변형에 노출될 수 있다. 이런 외부환경과 재료가 자지고 있는 특성과의 관계를 규명하며 안전하고 튼튼하며 경제적 합리성에 근거한 이용방법을 연구함으로서 각 부재가 실용적으로 사용될 수 있도록 연구하는 방법이다.

4. 주요 용어 및 관련 직업군

1) 주요 용어

• 전단강도: 건축재료를 전단시켰을 때 파괴되는 강도를 말한다.

• 소성벽돌: 벽돌을 성형하여 불에 구어 만든 벽돌을 말한다.

• 스팬(span, 경간): 기둥과 기둥사이의 간격을 말한다.

• 크리스털 팰리스(Crystal Palace): 1951년 영국 런던국제박람회 출품작으로 팩스턴(J. Paxton)이 설계한 건축물이다. 유리와 철을 주재료로 한 투명하고, 경쾌한 건물이라 붙여진 이름이다.

 

 

 

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