스티프너

왜 배우는가: 스티프너는 철골 보와 플레이트거더의 웨브 좌굴과 집중하중 부위의 국부 변형을 막는 핵심 보강재다. 설계에서 단면 크기와 좌굴 검토를 좌우하고, 시공 단계에서는 용접 품질과 부착 위치가 구조 안전을 결정하므로 1교시 용어 문제와 논술 문제에 반복해 나온다.

출제 이력: 제122회 1교시 12번, 제101회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의(스티프너는 보의 웨브나 판재에 부착해 좌굴을 방지하고 집중하중을 분산·전달하는 보강재다.)

핵심 키워드

• 웨브 좌굴(Web Buckling)
• 전단좌굴
• 집중하중 분산
• 수직 스티프너(Vertical Stiffener)
• 수평 스티프너(Horizontal Stiffener)
• 지점 스티프너(Bearing Stiffener)
• 플레이트거더(Plate Girder)
• 보강재 간격

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 스티프너는 얇은 강판 웨브가 휘지 않도록 옆에 덧대는 뼈대다. 얇은 판은 두께에 비해 면적이 넓어 압축이나 전단을 받으면 판 자체가 물결처럼 휘는데, 이를 막는 것이 스티프너의 역할이다.

정식 정의는 강구조에서 하중을 분산하거나, 전단력을 전달하거나, 좌굴을 방지하기 위해 보의 웨브나 판재에 부착하는 소재를 말한다. 보통 ㄱ형강이나 강판을 쓴다.

핵심 용어는 다음과 같다.

웨브 좌굴(Web Buckling)은 웨브 판이 압축 또는 전단을 받아 면 밖으로 휘는 현상이다. 판두께가 얇을수록 쉽게 일어난다.

중간 스티프너(Intermediate Stiffener)는 웨브 중간에 대는 수직 보강재로, 전단좌굴을 막는다.

지점 스티프너(Bearing Stiffener)는 보의 지점이나 집중하중 위치에 대는 보강재로, 웨브의 국부 압괴와 크리플링을 막는다.

수평 스티프너(Longitudinal Stiffener)는 압축 플랜지 근처 웨브에 대는 가로 보강재로, 큰 웨브 높이에서 휨좌굴을 줄인다.

3. 등장 배경과 필요성

철골 보의 단면 효율을 높이려면 플랜지는 두껍게, 웨브는 얇게 설계하는 것이 경제적이다. 그러나 웨브가 얇아지면 전단과 휨 압축에서 좌굴 강도가 낮아진다. 이 문제를 해결하려고 웨브를 두껍게 하기보다 보강재를 붙이는 방식이 널리 쓰였다.

플레이트거더는 큰 스팬과 큰 하중을 받기 위해 웨브를 높게 만든 조립 보다. 웨브 높이가 커질수록 좌굴 위험이 커지므로 스티프너 설치가 필수가 된다. 교량과 대형 건축물의 주보에서 스티프너가 필요한 이유가 여기에 있다.

또 집중하중이 작용하는 지점에서는 웨브가 국부적으로 눌리거나 찢어질 수 있다. 지점 스티프너는 이 국부 변형을 막아 구조 안전을 확보한다. 설계 기준은 웨브의 판두께비와 보강재 배치 간격을 정해 이 요구를 충족하도록 한다.

보강재 간격은 보 높이의 1.5배 이하로 두고, 웨브 양측에 대칭으로 붙이는 것이 일반적이다. 이 값은 교재에서 널리 쓰는 기준이다.

즉 스티프너는 강재량을 크게 늘리지 않으면서 웨브 좌굴을 막는 경제적 수단이다. 시험에서는 '왜 쓰는가'와 '어디에 쓰는가'를 함께 답해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

스티프너(Stiffener)는 강재 보의 웨브나 판재에 붙이는 보강재다. 웨브의 좌굴을 막고, 집중하중을 분산하며, 전단력을 전달하는 역할을 한다. 플레이트거더처럼 웨브가 얇은 부재에서 특히 중요하다.

구성요소를 역할별로 나누면 다음과 같다.

표의 설치 위치와 역할은 스티프너의 기본 분류다. 설계 시 어느 위치에 어떤 역할을 맡기는지 먼저 정해야 한다.

원리는 판의 좌굴 강도에서 나온다. 웨브 판은 전단과 휨 압축에 의해 좌굴하며, 좌굴 응력은 판두께비 b/t의 제곱에 반비례한다. 따라서 웨브를 얇게 쓰면 좌굴이 먼저 일어난다. 스티프너는 웨브를 여러 개의 작은 패널로 나누어 판의 좌굴 길이를 줄인다. 그 결과 웨브의 좌굴 응력이 높아진다.

스티프너의 면적과 관성모멘트는 웨브 패널의 좌굴을 막을 만큼 충분해야 한다. 중간 스티프너는 웨브 양측에 대칭으로 붙이는 것이 원칙이다. 한쪽에만 붙이면 편심이 생겨 비틀림과 변형이 커진다.

스티프너 설치 절차는 다음과 같다.

• 보의 웨브 두께와 높이를 확인하여 판두께비를 계산한다.
• 전단력 분포와 집중하중 위치를 구한다.
• 웨브 좌굴 검토 결과에 따라 중간 스티프너 간격을 정한다. 간격은 보 높이의 1.5배 이하로 한다.
• 지점과 집중하중 위치에 지점·하중점 스티프너를 배치한다.
• 스티프너 폭과 두께를 정하고 웨브 양측에 대칭으로 배치한다.
• 용접 또는 고력볼트로 플랜지와 웨브에 접합한다. 용접부는 필릿용접으로 시공한다.
• 제작도면과 시공상세도에 위치, 치수, 용접 크기를 표시한다.

스티프너 면적의 개략 검토는 다음 식으로 시작한다. 여기서 A_s는 스티프너 단면적(mm²), D는 웨브 높이(mm), t_w는 웨브 두께(mm)다.

$A_s \ge 0.1\,D\,t_w \text{ (교차 스티프너가 없는 경우의 개략값)}$

위 식은 설계 초기의 개략 검토용이다. 최종 검토는 설계기준의 상세 식으로 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

스티프너의 설계는 강구조 설계기준과 건축구조기준을 따른다. 국내에서는 건축구조기준(KDS)의 강구조 편이 기준이다. 시공 품질은 표준시방서(KCS)의 강구조 공사 항목을 따른다. 안전 관리는 「산업안전보건법」과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」을 적용한다.

기준값을 표로 정리하면 다음과 같다.

위 표의 값은 설계 관례로 널리 쓰이는 수치다. 구체 조문 번호는 이 절에서 쓰지 않는다. 개정 연혁은 건축구조기준의 강구조 편 개정 시마다 바뀔 수 있으므로 현행 기준으로 적용한다.

스티프너 관련 기준은 판의 좌굴 검토식과 함께 적용한다. 판좌굴계수 k와 판강성 D를 쓰는 좌굴 응력식은 다음과 같다.

$\sigma_{cr} = \pi^2 k D \left(\frac{t}{b}\right)^2$

여기서 \sigma_{cr}은 좌굴응력(MPa), k는 판좌굴계수, D는 판강성, t는 판 두께(mm), b는 판 폭(mm)이다. 스티프너는 b를 줄여 \sigma_{cr}을 높이는 방법이다.

스티프너의 치수 결정은 공학적 판단이 함께 필요하다. 폭은 플랜지 폭의 절반 이상으로 두는 경우가 많다. 두께는 웨브 두께 이상으로 정한다. 이 값도 설계 관례로 쓰이는 범위다.

6. 유형과 비교

스티프너는 보강 목적과 부착 위치에 따라 나뉜다. 가장 흔한 구분은 중간 스티프너(수직 스티프너)와 지점·하중점에 붙이는 지점 스티프너(단부 스티프너)다. 웨브 좌굴을 막는 것이 주 목적이므로 부착 위치와 형상을 목적에 맞게 골라야 한다.

• 중간 스티프너(수직 스티프너): 웨브의 전단좌굴을 막기 위해 보 길이 방향 사이에 웨브 양측에 대칭으로 붙인다. 간격은 보 높이의 1.5배 이하로 한다.
• 지점 스티프너(단부 스티프너): 지점 반력이나 집중하중을 받는 부분에 붙여 웨브의 국부 압축 좌굴과 국부 파괴를 막는다.
• 하중 스티프너: 집중하중이 작용하는 위치에 붙여 플랜지 하중을 웨브로 분산한다.
• 수평 스티프너: 웨브 상부(압축 측)에 길이 방향으로 붙여 휨 압축 좌굴을 막는다. 웨브가 두꺼워질 때보다 웨브 높이가 커서 수직 스티프너만으로 부족할 때 쓴다.