Built-up 기둥 압축 내력

왜 배우는가: Built-up 기둥은 H형강 등 열연 단면만으로 부족한 압축내력을 판 요소의 조합으로 확보하는 구조로, 실무에서 대형 기둥이나 긴 기둥에 널리 쓰인다. 시험에서는 단면 성능 계산, 중심 위치 산정, 오일러 좌굴 검토가 한 문항에 묶여 반복 출제된다.

출제 이력: 제138회 3교시 6번, 제133회 2교시 3번, 제96회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

Built-up 기둥은 여러 강재 요소를 용접이나 볼트로 조립한 압축재로, 조립재 전체의 단면성능으로 좌굴과 압축내력을 검토하는 기둥이다.

• 조립 압축재
• 충복축과 비충복축
• 도심거리와 평행축 정리
• 오일러 좌굴응력
• 유효세장비

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 기성품 형강 한 개로는 필요한 압축력을 감당하지 못할 때 강재를 여러 개 붙여 더 큰 기둥을 만드는 것이다. 이렇게 만든 압축재를 조립 압축재라고 한다. 공장에서 나오는 형강의 단면 규격은 정해져 있으므로, 설계 하중이 커지면 조립으로 단면적과 단면이차모멘트를 키운다.

정식으로는 조립 압축재를 개재(낱개 압축재)를 접합재로 연결해 하나의 부재처럼 거동하도록 만든 부재로 정의한다. 개재 사이의 접합부 간격을 a라 할 때, 개재 자체의 세장비가 전체 부재 세장비의 3/4를 넘지 않도록 설계한다. 이 조건은 개재가 먼저 국부적으로 좌굴하는 것을 막기 위한 것이다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 충복축: 조립 압축재의 도심축과 개재의 도심축이 일치하는 축이다. 이 축에 대해서는 개재의 단면이차모멘트를 그대로 합산한다.
• 비충복축: 충복축과 수직이며 조립재의 도심축과 개재의 도심축이 일치하지 않는 축이다. 개재 도심 간 거리 c를 이용해 평행축 정리로 단면이차모멘트를 구한다.
• 도심거리: 조립재 전체 도심에서 개재 도심까지의 거리이다. 두 개재가 대칭으로 놓이면 개재 도심 간 거리의 절반이 된다.
• 단면이차반경: 단면이차모멘트를 단면적으로 나눈 값의 제곱근이다. 세장비를 구하는 기본량이다.
• 유효세장비: 개재 사이 접합재의 상대변형으로 전단력이 생기는 좌굴 모드에서, 단일부재 세장비 대신 쓰는 수정된 값이다.

계산의 순서는 단면 도심 위치, 축별 단면이차모멘트, 단면이차반경, 세장비, 좌굴응력, 좌굴하중이다. 각 단계의 결과가 다음 단계의 입력이 되므로 도심 위치를 틀리면 이후 값이 모두 틀린다.

3. 등장 배경과 필요성

철골 구조물의 기둥 하중이 커지면서 압연 형강 한 개의 단면으로는 요구 강도를 맞추기 어려운 경우가 생겼다. 열간 압연 형강은 규격이 정해져 있고, 치수를 임의로 바꾸기 어렵다. 이 한계를 해결하기 위해 여러 형강과 강판을 조합하는 방식이 쓰였다.

조립 압축재가 필요한 이유는 두 가지다. 첫째, 필요한 단면적과 단면이차모멘트를 규격 밖에서도 얻을 수 있다. 둘째, 약축 방향 단면이차모멘트를 높여 휨좌굴을 제어할 수 있다. 특히 두 개의 H형강을 판으로 연결하면 약축 방향 강성이 크게 늘어난다.

반면 조립재는 개재 사이의 접합 상태에 따라 거동이 달라진다. 접합재가 약하면 개재가 따로 휘므로 단일 부재로 계산한 세장비가 과소평가된다. 그래서 설계 기준은 접합 종류에 따라 유효세장비를 쓰도록 정한다. 이 점이 Built-up 기둥을 단순 단면으로 계산하면 안 되는 이유다.