철골보 설계강도

왜 배우는가: 철골보는 건축 구조에서 휨과 전단을 동시에 받는 가장 기본적인 부재이며, 설계휨강도와 설계전단강도를 정확히 구하는 능력은 강구조 설계 전 과정의 출발점이다. 기술사 시험에서는 경간, 경계조건, 횡지지 간격을 달리한 계산 문항으로 거의 매년 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제113회 2교시 5번, 제108회 3교시 5번, 제101회 4교시 2번, 제92회 4교시 4번, 제91회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

철골보 설계강도는 철골보가 휨과 전단에 대해 가질 수 있는 공칭강도에 저항계수 Φ=0.9를 곱한 값으로, 소요강도와 비교하여 안전성을 판정하는 강도이다.

설계강도 = 저항계수 × 공칭강도로 구하고, 소요강도(계수하중에 의한 휨모멘트·전단력)와 비교해 안전성을 확인한다.

핵심 키워드

• 설계휨강도(design flexural strength)
• 설계전단강도(design shear strength)
• 소요강도(required strength)
• 횡지지 간격(unbraced length, Lb)
• 횡좌굴모멘트계수(Cb)
• 소성모멘트(plastic moment, Mp)
• 웨브 전단면적(web shear area, Aw)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 보가 얼마나 큰 휨과 전단을 견딜 수 있는지를 계산한 값이다. 보는 위쪽은 압축, 아래쪽은 인장을 받으므로 단면이 휨에 얼마나 강한지와 옆으로 넘어지지 않는지가 함께 중요하다.

정식으로는 공칭강도 M_n, V_n에 저항계수 \phi를 곱한 값 \phi M_n, \phi V_n이다. 여기서 \phi는 1보다 작은 값으로, 재료의 불확실성과 시공 변동을 반영한다. 한계상태설계법에서는 이 설계강도가 계수하중에 의한 소요강도 이상이어야 한다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

• 공칭휨강도(nominal flexural strength): 항복모멘트, 소성모멘트, 횡좌굴 등 한계상태 중 가장 작은 값으로 정한다.
• 횡좌굴(lateral-torsional buckling): 압축 플랜지가 옆으로 휘면서 비틀리는 현상으로, 횡지지 간격이 길수록 강도가 낮아진다.
• 공칭전단강도(nominal shear strength): 웨브가 전단력을 받아 항복하거나 좌굴할 때의 강도이다.

3. 등장 배경과 필요성

허용응력설계법은 탄성응력을 기준으로 안전율을 적용하는 방법이었다. 이 방법은 강재의 소성 능력을 충분히 반영하지 못하고, 하중의 확률적 변동을 체계적으로 다루지 못하는 한계가 있었다. 이에 따라 강도 한계상태에서 저항계수와 하중계수를 함께 쓰는 한계상태설계법이 도입되었다.

한계상태설계법에서는 저항계수 \phi가 1보다 작고 하중계수 \gamma가 1보다 큰 값을 가진다. 이 구조에서 보의 설계휨강도와 설계전단강도는 부재 설계의 핵심 비교 대상이 된다. 휨은 횡지지 조건과 단면 형상에 따라 강도가 달라지므로, 경계조건과 횡지지 간격을 함께 검토해야 한다. 전단은 주로 웨브가 담당하므로 웨브 두께와 단면 높이가 중요하다.

이처럼 설계휨강도와 설계전단강도를 함께 검토하는 절차가 필요해진 배경이 바로 한계상태설계법의 도입이다.