H형강보 단면분류

왜 배우는가: H형강보는 휨을 받을 때 플랜지와 웨브의 폭두께비에 따라 소성힌지 형성과 횡좌굴·국부좌굴 거동이 달라지므로, 내진설계에서 단면분류를 먼저 판정해야 한다. 기술사 시험에서는 단면분류의 정의, 세 가지 단면의 차이, 압연 H형강과 용접 H형강의 제한값 비교, 모멘트-회전각 관계를 묻는 문제로 반복해서 나온다.

출제 이력: 제130회 1교시 13번, 제125회 1교시 7번, 제108회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

H형강보 단면분류는 판요소의 폭두께비에 따라 강재단면을 조밀·비조밀·세장판단면으로 구분하고, 각 단면의 휨강도 발현 한계를 정하는 것이다.

• 단면분류
• 폭두께비
• 조밀단면
• 비조밀단면
• 세장판단면
• 국부좌굴
• 소성힌지 회전능력

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 얇은 판으로 된 단면은 압축을 받을 때 판이 먼저 휘어 버린다. 이 휘어짐이 얼마나 쉽게 일어나는지를 폭과 두께의 비로 나타내고, 그 비에 따라 단면을 세 가지로 나눈 것이 단면분류다.

정식 정의는 다음과 같다. 단면의 모든 압축 요소의 폭두께비 λ를 조밀단면 한계 λp, 비조밀단면 한계 λr과 비교하여 단면을 구분한다. 조밀단면은 모든 압축 요소가 λ ≤ λp인 단면이다. 비조밀단면은 한 개 이상의 요소가 λp < λ ≤ λr이고 나머지는 λp 이하인 단면이다. 세장판단면은 한 개 이상의 요소가 λ > λr인 단면이다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다. 조밀단면은 판이 항복응력에 도달한 뒤에도 국부좌굴 없이 소성모멘트 Mp까지 저항하며 소성 회전을 할 수 있는 단면이다. 비조밀단면은 판이 항복한 뒤 국부좌굴이 일어나기 전에 소성모멘트 근처까지 저항하지만 회전능력이 제한되는 단면이다. 세장판단면은 판이 탄성 범위에서 국부좌굴하므로 공칭강도를 유효폭으로 줄여 계산해야 하는 단면이다.

판요소의 종류에 따라 λ의 정의가 달라진다는 점도 함께 알아야 한다. 양연지지판요소(웨브처럼 양쪽이 지지된 판)와 자유돌출판요소(플랜지처럼 한쪽만 지지된 판)는 한계값이 다르다. 따라서 단면분류를 할 때는 단면 전체의 판 요소를 하나씩 확인하여 가장 불리한 요소로 단면을 정한다.

3. 등장 배경과 필요성

초기 설계는 항복강도만으로 강도를 정했다. 그러나 단면이 얇으면 항복 전에 국부좌굴이 생겨 강도가 떨어진다. 이 문제를 해결하려고 판 두께에 따른 좌굴 한계를 규정하였다. 폭두께비 제한은 판이 좌굴하기 전에 얼마나 변형할 수 있는지를 보장하는 장치이다.

내진설계에서 필요성은 더 크다. 지진 하중을 받는 골조는 보 단부에 소성힌지를 만들어 에너지를 흡수한다. 이때 힌지가 충분히 회전하려면 플랜지와 웨브가 국부좌굴 없이 변형을 견뎌야 한다. 따라서 내진 설계기준은 보의 판요소를 조밀 또는 내진 조밀 수준으로 제한한다. 단면분류는 골조의 연성능력과 직접 연결된다.

또한 강재 강도가 높아질수록 같은 두께에서 항복응력이 커지므로 폭두께비 한계값이 강재 등급에 따라 달라진다. 이 때문에 강재 종류와 단면 형상을 함께 보고 분류해야 한다.

λp·λr은 판요소 종류와 강재 항복강도에 따라 다르다

단면분류는 국부좌굴 없이 소성힌지를 얼마나 회전시킬 수 있는지를 결정하는 기준이다.

4. 구성요소·원리·절차

H형강보의 단면분류는 압축을 받는 판요소가 국부좌굴 전에 얼마나 큰 소성변형능력을 가지는지를 폭두께비로 나누는 작업이다. 구성요소는 플랜지와 웨브로 나뉘며, 판요소 지지 조건에 따라 두 종류로 다시 구분한다.