기둥의 구조적 역할

기둥은 수직하중과 수평하중을 지지합니다. 상부로부터 누적해서 내려오는 수직하중을 부담하는 것이 기둥의 가장 근본적인 역할입니다. 기둥은 이 연직방향의 하중을 기초로 전달합니다. 그러나 기둥이 순수하게 압축력만 받는 경우는 드물고 대부분 휨모멘트가 동시에 작용합니다. 기둥이 하는 역할과 각각의 힘에 대해 어떻게 거동하는지 살펴보겠습니다.

 

수직하중의 분담

기둥의 가장 기본적인 역할은 상부에서 전달되는 축하중을 기초로 전달하는 것입니다. 통상 인접한 기둥끼리 경간의 절반 정도씩 분할한 영역을 각자 지지합니다.

기둥은 수직하중에 대해 인접한 기둥끼리 경간의 절반 정도씩 분할한 영역을 각자 지지한다.

 

축하중은 위에서 아래로 내려갈수록 누적되면서 증가하게 됩니다. 그래서 위와 아래의 기둥 크기가 달라지지는데 위로 올라갈수록 기둥 크기가 줄어듭니다. 그런데 기둥 크기가 너무 자주 바뀌게 되면 거푸집 철근이나 거푸집 작업이 그만큼 복잡해지기 때문에 시공성을 감안에서 기둥 크기를 결정해야 합니다.

 

구조설계기준에서 철근콘크리트 기둥은 한 변의 길이가 최소 200mm 이상이 되어야 하고, 단면적이 60,000 mm² 이상이 되도록 규정하고 있습니다. 

 

철근콘크리트 기둥에서는 기둥에 작용하는 축력을 콘크리트 단면이 거의 대부분 부담하게 됩니다. 그리고 철근은 콘크리트단면으로 부담하기에 부족한 축력과 휨모멘트를 부담합니다. 

 

▶ 기둥 배근 일반

▶ 구조도면에서 기둥을 표기하는 방법

 

휨모멘트 

기둥은 대부분 연직하중에 의한 축력을 부담하지만 휨모멘트가 크게 작용하는 기둥도 있습니다. 최상층에 있는 기둥이나 외곽에 있는 기둥은 모멘트에 의해 단면의 크기와 철근량이 결정됩니다.

 

위 그림에서 볼 수 있는 것처럼 양쪽 보의 경간과 하중이 동일한, 내부 기둥은 모멘ㅌ가 없이 축력만 작용하지만, 외부에 면한 기둥은 모멘트가 발생합니다. 특히 지붕층에서는 보 단부의 모멘트가 기둥에 전달되기 때문에, 지붕층 기둥의 모멘트가 가장 크게 나타납니다. 

 

이외에도 양쪽 보의 경간(Span)의 길이가 달라 보 단부에 작용하는 모멘트가 다르면, 그 차이만큼의 모멘트가 기둥으로 전달되게 됩니다.  

 

 

수평하중 지지

기둥과 보가 강접합되거나 편심하중이 작용하면 기둥에도 모멘트가 발생합니다. 강접합으로 연결된 보가 휘어지면 기둥도 따라 휘어지고 휘어지는 정도는 보와 기둥의 강성에 따라 달라집니다. 

 

기둥과 보로 강접합된 라멘구조방식은 기둥이 어느 정도 수평하중을 부담할 수 있습니다. 이렇게 수평하중이 작용하게 되면 기둥에는 휨모멘트뿐 아니라 전단응력도 발생합니다. 

 

 

기둥에 수평하중이 작용할 때 기둥에 생기는 휨모멘트는 기둥과 보의 접합상태 그리고 기둥과 기초의 접합상태에 따라 달라집니다.

 

 

철근콘크리트처럼 기둥이 기초와 보 모두에 강접합되어 있다면 휨응력이 반전되는 곳(반곡점)은 중앙에 위치하게 됩니다. 즉 아래쪽과 위쪽의 구부러지는 방향이 다르게 나타납니다. 휨모멘트의 크기는 지지점을 회전단(Pin)으로 만든 것보다 상대적으로 작게 나타납니다.

 

강구조는 기둥을 보나 기초에 접합할 때 회전단으로 접합할 수 있는데 이렇게 되면 휨모멘트 분포가 달라집니다(위 그림에서 가운데와 아래쪽) . 회전단은 회전이 가능해서 휨모멘트를 부담할 수 없기 때문에 기둥의 반대쪽 단부의 휨모멘트가 커집니다. 따라서 기둥의 크기도 커져야 합니다. 

 

기둥에 수평력이 작용하면 전단력도 고려해야 합니다. 옆에서 미는 수평력이 수직하중이 되게끔 기둥을 시계방향으로 90도 회전해 보면, 보에 전단력이 발생하는 조건과 동일해집니다. 따라서 보와 인접한 기둥의 단부에 띠철근을 더 촘촘히 배근할 필요가 있습니다. 기둥의 내진설계 상세를 고려해야 합니다.

 

 

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