철골기둥 압축·휨 설계

철골기둥 압축·휨 설계란

철골기둥 압축·휨 설계는 축력과 휨을 함께 받는 강재 기둥의 안전성을 검토하는 것이다.

기둥은 길고 가늘수록 압축력이 작은 값에서도 옆으로 휘며 무너진다. 이것이 좌굴이다.

그래서 압축강도와 휨강도를 상호작용식으로 묶어 한꺼번에 검토한다.

축력과 휨이 함께 작용할 때

편심 축하중이나 초기 휨이 있으면 기둥에는 축응력과 휨응력이 함께 생긴다.

두 효과가 겹치면 기둥의 하중 재하 능력이 줄어든다. 그래서 두 값을 묶어 본다.

설계에서는 축강도와 휨강도를 따로 구하지 않고 상호작용식으로 묶어 검토한다.

세장비와 탄성 좌굴응력

세장비는 유효좌굴길이 KL을 좌굴축의 단면 2차 반경 r로 나눈 값이다.

탄성 좌굴응력 Fe는 재료 강도와 무관하고 탄성계수 E와 세장비로 정해진다.

실제 기둥은 잔류응력과 초기 휨 때문에 탄성 한계 이전에 강도가 떨어진다.

그래서 한계 세장비로 탄성과 비탄성 영역을 나눠 다른 식을 쓴다.

검토 절차 한눈에 보기

기둥 검토는 정해진 순서를 따른다. 순서대로 계산하면 빠지는 항목이 없다.

먼저 K로 강축과 약축의 세장비를 각각 구하고, 국부좌굴 기준으로 단면을 분류한다.

다음으로 Fcr로 압축강도를 구하고 φc·Pn을 계산한다. 휨강도 φb·Mn도 두 축을 따로 구한다.

마지막으로 축력과 휨의 상호작용식으로 비율이 1.0 이하인지 확인한다.

시험에서 감점되는 실수

시험 답안에서 감점이 많이 나는 실수는 몇 가지로 정해져 있다.

강축과 약축에 같은 K와 r을 쓰면 안 된다. 좌굴축마다 따로 택한다.

계수하중은 각각 계수를 곱해 더한다. 휨 곡률 방향에 따라 Cm도 달라진다.

상호작용식은 두 항을 모두 확인해야 최종 판정이 된다.

직접 풀어 보기

H형강은 두 축의 강성 차가 커서 약축 세장비를 먼저 확인하는 것이 관례다.

이제 방금 설명한 내용을 적용하는 문제를 풀어 보자.

정리

정리하면 세장비로 좌굴 영역을 정하고, 압축강도와 휨강도를 구한다.

마지막으로 상호작용식으로 축력과 휨을 함께 검토하면 적합 여부가 판정된다.

유효좌굴길이 근거, 탄성과 비탄성 구분, 상호작용식 적용을 빠뜨리지 않는다.