강구조 좌굴

좌굴의 정의

좌굴은 압축력을 받는 부재가 하중 증가 없이 횡방향 변위가 급증해 강도를 잃는 불안정 현상이다.

재료가 항복하기 전에 부재 전체가 무너지므로 강재의 강도를 다 쓰지 못한다.

좌굴의 세 가지 형태

부재 형태에 따라 좌굴은 크게 세 가지로 나뉜다.

기둥이 휘는 부재 전체 좌굴, 판이 파형으로 휘는 국부좌굴, 플랜지가 비틀리는 횡좌굴이다.

휨좌굴과 횡좌굴은 부재 전체가 지배하고, 국부좌굴은 판요소에서 먼저 일어난다.

오일러 임계하중

오일러 공식은 이상적인 양단 핀 기둥의 탄성 임계하중을 설명하는 이론식이다.

임계하중은 유효길이 KL의 제곱에 반비례하므로 길이를 두 배로 하면 1/4이 된다.

여기서 E는 탄성계수, I는 최소 단면 2차 모멘트, K는 유효좌굴길이계수다.

유효좌굴길이계수 K

유효좌굴길이계수 K는 부재 단부의 구속 조건에 따라 정해진다.

양단 핀이면 K는 1.0, 양단 고정이면 0.50, 일단 고정 타단 핀이면 0.70이다.

단부가 강하게 구속될수록 K가 작아져 임계하중이 커진다.

정답은 양단 고정 기둥이다. K가 0.50으로 작아 임계하중은 약 4배가 된다.

국부좌굴과 판폭두께비

얇은 판요소가 면내 압축을 받아 국부적으로 휘는 현상을 판좌굴이라 한다.

판좌굴응력은 b/t의 제곱에 반비례하므로 폭두께비가 클수록 판이 먼저 휜다.

그래서 웨브와 플랜지에는 폭두께비 제한을 두어 국부좌굴을 막는다.

횡좌굴

H형강처럼 높이가 크고 폭이 좁은 보는 압축 플랜지가 옆으로 밀리며 비틀린다.

이것이 횡좌굴이며, 비지지 길이 Lb가 길수록 탄성횡좌굴모멘트 Mcr은 작아진다.

중간에 횡지지를 두어 Lb를 줄이면 Mcr이 커져 횡좌굴 강도가 올라간다.

정리와 답안 구성

좌굴은 부재 전체 좌굴과 판요소의 국부좌굴을 나눠 각각 검토한다.

두 검토를 모두 통과해야 부재 강도가 확보된다. 답안에는 정의와 원리를 함께 쓴다.

대책은 세장비 저감, 판폭두께비 제한, 보강재 설치의 세 축으로 나눠 쓴다.