H형강 보 집중하중 검토

왜 배우는가: H형강 보는 기둥 하중이나 설비 지지점처럼 한 점에 집중하중을 받을 때 웨브와 플랜지가 국부적으로 먼저 파괴되는 경우가 많다. 전체 휨 검토만으로는 이 국부 파괴를 잡아낼 수 없어서 1교시 검토사항과 4교시 국부강도 문제로 반복해 출제된다.

출제 이력: 제135회 1교시 3번, 제132회 1교시 5번, 제97회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

H형강 보 집중하중 검토는 보 플랜지에 수직으로 작용하는 집중하중에 대해 웨브와 플랜지의 국부 강도를 확인하는 설계 검토다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 집중하중
• 웨브 국부항복
• 웨브 크리플링
• 웨브 압굴
• 플랜지 국부휨
• 지압보강재
• 국부강도

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 보 위에 기둥이나 설비 받침이 한 점에 힘을 가하면 그 점 근처의 얇은 웨브가 눌려 찌그러지거나 플랜지가 휘는 현상이 먼저 생긴다. 이것은 보 전체가 휘어서 무너지는 전체 휨 파괴와는 다른 국부 거동이다.

정식으로는 집중하중이 보의 길이에 비해 짧은 길이에 작용하는 하중이며, 이 하중이 작용하는 부위의 웨브와 플랜지가 버티는 능력을 국부강도라고 한다. 국부강도는 파괴 형태에 따라 나뉘며 각 형태마다 다른 식으로 계산한다.

• 웨브 국부항복(web local yielding): 집중하중이 작용하는 좁은 구간의 웨브가 항복응력에 도달하는 현상이다. 하중이 웨브 면내로 전달되는 구간에서 생긴다.
• 웨브 크리플링(web crippling): 웨브가 압축을 받아 면외 방향으로 찌그러지며 좌굴하는 현상이다. 웨브 두께가 얇을수록 잘 생긴다.
• 웨브 압굴(sidesway web buckling): 압축 쪽 플랜지가 옆으로 밀리면서 웨브가 면외로 휘는 현상이다. 플랜지의 횡지지가 약할 때 문제가 된다.
• 플랜지 국부휨(flange local bending): 집중하중 때문에 플랜지가 휘어 힌지 형태로 변형하는 현상이다. 플랜지가 얇을수록 지배적이다.
• 지압보강재(bearing stiffener): 집중하중이 작용하는 점의 웨브 양쪽에 덧붙이는 강판이다. 웨브 국부강도가 부족할 때 쓰는 대표적 보강 방법이다.

3. 등장 배경과 필요성

H형강은 웨브 두께가 플랜지보다 얇다. 단면 효율을 높이려고 얇은 웨브를 쓰면 전단과 국부 압축에 취약해진다. 이 취약점이 집중하중이 있는 위치에서 바로 드러난다.

고층 건물이나 산업 건축물에서는 기둥이 보 위에 올라서는 접합, 크레인 주행보, 설비 받침처럼 한 점에 큰 힘이 모이는 부위가 늘어났다. 이런 부위에서 전체 휨 강도가 충분해도 웨브가 먼저 찌그러져 구조 안전성이 떨어질 수 있다.

그래서 설계기준은 보의 휨과 전단 검토와 별도로 집중하중 위치의 국부강도를 따로 검토하도록 요구한다. 국부강도 검토는 H형강 보의 단면 크기뿐 아니라 하중 작용점의 위치, 플랜지 횡지지 조건, 보강재 유무에 따라 결과가 달라진다. 이 때문에 설계자는 하중 조건을 먼저 정리한 뒤 파괴 형태별로 강도를 비교해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

집중하중이 플랜지에 작용하면 하중은 플랜지에서 웨브로 전달되며 웨브와 플랜지에 국부 응력이 생긴다. 지압보강재(스티프너)가 없는 H형강에서는 웨브 국부항복, 웨브 크리플링, 웨브 압굴, 플랜지 국부휨의 네 가지 국부강도를 검토한다. 이 네 가지가 집중하중 검토의 구성요소다.