합성기둥의 구조제한과 힘전달

핵심 정리

합성기둥은 강재와 콘크리트를 한 단면 안에 함께 두어 두 재료의 역학적 장점을 결합한 기둥이다. 구조 형식은 강재를 콘크리트 속에 묻는 매입형과 강관 안에 콘크리트를 채우는 충전형으로 나뉜다. 두 형식 모두 강재와 콘크리트가 하나의 부재처럼 거동해야 하므로, 설계의 출발점은 두 재료가 힘을 주고받는 통로가 확보되는지를 확인하는 것이다. 형식에 따라 적용되는 세부 규정은 다르므로 매입형과 충전형의 규정을 섞어 쓰지 않는다.

두 재료 사이의 힘은 세 가지 기구로 전달된다. 합성기둥의 힘전달기구는 직접부착작용, 전단접합, 직접지압이다. 강재와 콘크리트 사이에는 길이방향 전단력이 생기므로, 합성부재는 이 전단력을 전달할 수 있도록 설계하여야 한다. 힘전달기구의 강도는 가장 작은 공칭강도를 사용하며, 힘전달기구들을 중첩하여 더하지 않는다.

매입형 합성기둥은 콘크리트 속에 묻힌 강재코어와 철근이 함께 저항하는 구조이다. 매입 콘크리트는 연속된 길이방향철근과 띠철근 또는 나선철근으로 보강한다. 이 보강 철근은 콘크리트가 압축을 받을 때 콘크리트를 묶어 저항을 유지하는 역할을 하며, 횡방향철근의 간격과 직경도 함께 정해진다.

압축력을 받는 충전형 합성부재의 단면은 조밀, 비조밀, 세장으로 분류한다. 이 분류는 국부좌굴 거동이 어느 수준인지를 나누는 기준이므로, 단면이 속하는 등급에 따라 강도를 판단하는 방식이 달라진다. 설계강도 산정의 출발점이 되므로 조밀, 비조밀, 세장의 구분을 먼저 확인한다.

충전형 합성부재가 콘크리트로 채워져 있다고 해서 강관의 국부좌굴을 검토하지 않아도 되는 것은 아니다. 충전형 합성부재도 강관과 충전 콘크리트에 대해 국부좌굴을 검토하여야 한다. 횡방향철근의 간격 상한도 강재코어의 항복강도에 따라 달라지므로 세부 규정까지 함께 확인해야 한다.

자세히

횡방향철근 간격

강재코어 항복강도가 450MPa을 초과하면 횡방향철근 최대 간격은 부재 최소 치수의 0.25배를 넘을 수 없다. 이 한계는 콘크리트를 구속하는 횡방향철근이 제 역할을 하도록 간격 상한을 둔 장치로 이해하면 된다. 한계가 부재 최소 치수를 기준으로 하므로, 부재 크기가 달라지면 허용 간격의 값도 그에 따라 달라진다. 450MPa 이하의 강재코어는 이 조건에 해당하지 않으므로, 이 한계를 모든 강재코어에 일률적으로 적용하면 안 된다. 따라서 항복강도의 조건과 부재 최소 치수 0.25배 이하를 한 쌍으로 기억해야 한다.

매입형 합성 부재의 횡방향철근 중심간 간격은 D10 철근을 사용할 경우 300mm 이하로 한다. 이 값은 철근 직경이 D10인 경우에만 주어진 것이므로, 다른 직경의 철근에 같은 값을 그대로 옮기지 않는다. 간격 규정은 철근 직경과 강재코어 항복강도라는 두 조건이 함께 맞아야 하는 구조이다.

매입형 강재코어

매입형 합성기둥에서 강재코어의 단면적은 합성기둥 총단면적의 1% 이상으로 한다. 이 기준은 강재의 치수가 아니라 총단면적에 대한 면적 비율이므로, 강재 두께나 폭을 기준으로 판단하면 안 된다. 축력을 받는 매입형 합성부재에서 연속된 길이방향철근의 최소철근비 0.004는 0.004이다. 강재코어의 면적비와 철근비는 기준 대상이 다르므로 두 숫자를 서로 바꿔 쓰면 안 된다. 두 기준은 모두 매입형 부재의 구조 제한이므로 한 묶음으로 기억하는 것이 효율적이다.