철골 압축재 설계

압축재 설계란

철골 압축재 설계는 압축력을 받는 강재 부재가 좌굴 없이 버티는지 확인하는 과정이다.

핵심은 설계압축강도가 소요압축강도 이상이 되도록 단면과 길이를 정하는 것이다.

시험에서는 세장비, 단면 분류, 설계압축강도를 묶은 계산형 문제가 반복해서 출제된다.

안전성 검토식

검토식은 설계압축강도 φcPn이 소요압축강도 Pu 이상인지 비교하는 것이다.

압축재의 저항계수 φc는 0.9를 쓴다. 공칭강도 Pn은 Fcr과 총단면적 Ag의 곱이다.

Fcr은 휨좌굴강도이며, 탄성과 비탄성 구간에 따라 식이 달라진다.

휨좌굴강도 Fcr

휨좌굴강도는 먼저 탄성좌굴응력 Fe를 구해서 정한다.

Fe는 π²E를 (KL/r)²으로 나눈 값이다. 세장비가 커질수록 Fe는 급격히 작아진다.

Fy/Fe가 2.25 이하이면 비탄성 식을, 2.25를 넘으면 탄성 식을 쓴다.

이 경계가 한계세장비에 대응하므로 두 식을 나눠 쓴다.

단면 분류

단면 분류는 플랜지와 웨브 같은 판요소의 폭두께비로 정한다.

조밀단면은 모든 압축요소가 λp 이하이며, 전단면을 그대로 쓴다.

비조밀단면은 국부좌굴 감소계수를, 세장단면은 유효단면적을 쓴다.

국부좌굴이 먼저 지배하는 세장단면은 유효단면을 따로 계산하거나 단면을 바꿔야 한다.

예제 계산

양단 단순지지 H형 압축재를 예로 들어 안전성을 검토해 본다.

고정하중과 활하중에 계수를 곱해 소요압축강도를 먼저 구한다.

Pu는 1.2PD와 1.6PL을 더해 얻으며, 이 예제에서는 1440kN이 된다.

세장비는 약 79.5로 200 이하이므로 단면을 다시 가정하지 않는다.

헷갈리는 점

자주 틀리는 부분은 단면 분류를 건너뛰고 바로 Fcr을 구하는 것이다.

절점이동 여부를 잘못 보면 유효좌굴길이계수 K를 잘못 택한다.

약축 횡지지를 놓치면 강축 세장비로만 판정하는 실수가 생긴다.

직접 풀어 보자.

정리

문제의 답은 큰 세장비다. 두 축 중 큰 값으로 Fe와 Fcr을 정한다.

압축재 설계 순서는 소요강도, 단면 분류, 세장비, Fcr, φcPn이다.

답안에는 단면 분류, 유효좌굴길이계수, Fe와 Fcr, 설계강도 판정을 명시한다.

그 근거를 쓰면 채점에서 감점을 줄일 수 있다.