충전형 합성기둥 설계

충전형 합성기둥이란

충전형 합성기둥은 강관 내부에 콘크리트를 채운 기둥이다.

강관과 콘크리트가 일체로 거동하며 압축력과 휨모멘트를 함께 저항한다.

두 재료가 하중을 나누어 받으므로 같은 크기의 철근콘크리트 기둥보다 단면 효율과 강성이 크다.

구성과 구속효과

강관은 콘크리트를 옆에서 구속하고, 콘크리트는 강관의 국부좌굴을 억제한다.

구속효과는 콘크리트의 횡방향 팽창을 막아 압축강도와 연성을 함께 높인다.

국부좌굴은 전체 부재가 좌굴하기 전에 강관 벽판이 먼저 휘는 현상이다.

강도식과 탄성좌굴

짧은 기둥의 압축강도는 강재 단면과 콘크리트 단면이 나누어 맡는 두 항의 합이다.

기둥이 길어지면 오일러 좌굴이 지배하며, 합성단면의 휨강성은 강재와 콘크리트 강성을 합해 구한다.

세장비가 커질수록 탄성좌굴하중이 작아지고, 설계압축강도는 감소계수를 거쳐 정해진다.

설계 절차

설계는 재료 강도와 단면 치수를 먼저 확정하는 것에서 시작한다.

강관 두께를 가정하고 폭두께비로 조밀 단면 여부를 판정한다.

유효좌굴길이로 세장비를 구한 뒤, 감소계수를 적용해 설계압축강도를 산정한다.

설계압축강도가 소요강도 Pu보다 작으면 두께를 늘려 같은 과정을 반복한다.

만족하는 최소 두께를 채택한다.

계산 예제의 가정

가상의 예로 내경 350mm 각형강관 충전 단면을 본다.

강재 항복강도는 355MPa, 콘크리트 압축강도는 50MPa로 가정한다.

소요강도 Pu는 7,500kN이며, 유효좌굴길이 KL은 1,400mm로 둔다.

힘은 kN, 길이는 mm, 응력은 MPa로 통일해 계산한다.

헷갈리는 실수와 채점

헷갈리기 쉬운 실수는 단위 통일과 KL 대입이다.

단위를 mm로 맞추지 않으면 계산이 어긋나고, 강도감소계수를 빠뜨리면 안 된다.

강관 두께는 국부좌굴 한계와 설계압축강도 조건을 동시에 만족해야 한다.

채점은 정의, 국부좌굴 한계 판폭두께비, 유효좌굴길이에서 갈린다.

정리

앞의 문제 정답은 국부좌굴이다. 두께가 얇으면 벽판이 먼저 휘어 강도가 떨어진다.

정리하면 핵심 네 가지만 기억하면 된다.

정의, 국부좌굴 한계, 유효좌굴길이, 설계압축강도 순서로 답을 구성한다.