기둥의 구조설계 - 기둥의 크기를 줄이려면?

기둥은 수직하중과 수평하중을 지지합니다. 기둥의 크기를 줄이려면 당연히 기둥에 발생하는 응력을 줄여야 합니다. 어떻게 해야 할까요?

 

■ 응력이란

■ 기둥의 구조적 역할

 

수직하중 줄이기 

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

 

 

기둥에 작용하는 축력을 줄이려면 기둥이 부담하는 슬래브 면적을 줄여야 합니다. 결국 기둥의 개수를 늘릴 수 밖에 없는데, 건축물의 용도나 설계 측면을 고려해서 적정한 크기의 경간을 결정할 필요가 있습니다.   

 

수평하중 줄이기

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

 

휨모멘트가 작용하면 동일 단면에 압축응력과 인장응력이 동시에 발생하고 단면의 효율이 떨어지게 됩니다. 결국 기둥의 크기가 커질 수 밖에 없습니다. 따라서 전단벽이나 브레이스를 설치해서 기둥이 수평하중을 부담하지 않도록 해야 합니다.

 

 

좌굴길이 줄이기

축력이 작용하는 기둥의 크기가 줄어들면 좌굴을 고려해야만 합니다. 

 

■ 기둥의 좌굴

 

좌굴에 대한 강성(탄성계수와 단면이차모멘트)이 고정되어 있다고 하면, 좌굴에 대한 저항성을 높이려면 좌굴길이를 줄여야 합니다. 좌굴길이를 줄이려면

 

• 기둥의 길이를 짧게 한다.
• 기둥 양단의 고정도를 높인다.

 

기둥의 길이를 짧게 한다는 것은 층고를 낮추는 것입니다. 아무래도 건물의 용도에 필요한 층고를 확보해야 할 필요가 있지만 층고를 낮추는 것이 좌굴을 줄일 수 있습니다.

 

그리고 기둥 아래쪽과 위쪽의 고정도를 높이면, 즉 양단을 고정단으로 하면 좌굴길이를 줄일 수 있습니다. 철근콘크리트 구조물은 대부분 고정단으로 만들어지게 됩니다.

 

인장응력이 발생하는 기둥

대부분의 건물은 하중이 기둥을 따라 아래로 전달되도록 설계합니다. 그러나 일부 기둥을 케이블로 바꿀 수도 있습니다. 이렇게 하면 힘이 흘러가는 방향이 중력과 반대가 되는데, 슬래브에 인장응력이 발생하면 기둥의 단면을 크게 줄일 수 있습니다.

 

다양한 방식이 가능하지만 아래 그림은 작은 샛기둥을 케이블로 바꾸고 중앙의 코어 기둥에 달아맨 방식입니다. 

일본 후쿠오카에 있던 이 건물은 8개의 코아 기둥을 세우고 외부 기둥과 한 가운데 기둥을 케이블 방식으로 바꾸었습니다.

 

 

 

■  기둥의 철근 배근

 

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