강재 압축-휨부재 설계

왜 배우는가: 압축력과 휨모멘트를 동시에 받는 강부재(보-기둥)는 강구조 설계에서 가장 자주 검토되는 부재 형태이며, 교량 주부재와 건축 기둥 모두에서 반복된다. 기술사 시험에서는 KDS 설계기준의 상관식 검토와 계산 문제로 함께 출제되므로 개념의 정의와 원리를 정확히 잡아야 한다. 이 절은 정의, 배경, 필요성을 먼저 정리하여 이후 설계식과 계산 예제의 기반을 마련한다.

출제 이력: 제129회 4교시 2번, 제122회 2교시 2번, 제64회 3교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의는 다음과 같다.

압축력과 휨모멘트를 동시에 받는 강부재는 축력과 휨의 상호작용을 검토하여 설계한다

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 압축-휨부재(beam-column)
• 축력-휨 상호작용식
• 좌굴(buckling)
• 세장비(slenderness ratio)
• 횡좌굴(lateral-torsional buckling)
• 폭두께비(width-thickness ratio)
• 2차 모멘트(P-Δ effect)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 정리하면, 기둥처럼 축방향 압축을 받으면서 동시에 보처럼 휨을 받는 부재를 뜻한다. 실제 구조물에서는 축력만 작용하는 경우보다 축력과 휨이 함께 작용하는 경우가 많다. 예를 들어 골조의 기둥은 자중과 상부 하중에 의한 압축과 횡하중 또는 보 단부 모멘트에 의한 휨을 동시에 받는다.

정식 정의는 다음과 같다. 압축-휨부재는 부재축 방향 압축력 P와 단면 주축 둘레의 휨모멘트 M이 동시에 작용하는 부재를 말한다. 두 응력은 단순히 더해지지 않는다. 축력이 커지면 휨에 의한 변형이 증가하고, 그 변형이 다시 휨모멘트를 키우는 2차 효과가 생긴다. 이 때문에 축력과 휨의 상호작용을 식으로 검토한다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

• 압축-휨부재(beam-column): 압축과 휨을 함께 받는 부재로, 축력 P와 휨모멘트 M이 같은 단면에서 조합된다. 기둥과 보의 성질을 모두 가진다.
• 축력-휨 상호작용: 두 힘의 조합 한계를 나타내는 관계식이다. 축력이 크면 허용 휨모멘트가 줄고, 휨이 크면 허용 축력이 줄어든다.
• 2차 모멘트(P-Δ 효과): 부재 변형 \Delta에 축력 P가 작용하여 추가로 생기는 모멘트 P\Delta를 말한다. 해석 시 무시하지 않는다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조 부재는 얇은 판을 조립하여 단면을 만들기 때문에 압축 상태에서 국부좌굴과 전체좌굴이 먼저 발생한다. 축력만 고려하면 좌굴 강도를 얻을 수 있지만, 실제 부재는 편심과 횡하중으로 휨을 함께 받는다. 따라서 축력만으로 설계하면 실제 파괴 하중을 과대평가할 위험이 있다.

또한 교량의 주부재와 골조의 기둥은 연속성과 구속조건 때문에 단부 모멘트가 생긴다. 이 모멘트가 축력과 결합하면 부재 단면의 항복 또는 좌굴이 먼저 일어날 수 있다. 설계 기준이 상호작용식을 요구하는 이유는 이 조합 파괴를 막기 위해서다.

세장비는 관련 설계기준의 제한 범위 안에서 검토한다. 세장비가 커지면 좌굴 강도가 급격히 떨어지므로, 압축-휨 검토에서도 세장비 확인을 먼저 한다.