개념 한 쪽
인장재는 구조물에서 당기는 힘을 주로 받는 부재로서 인장력에 대한 거동과 파단 검토가 핵심이다. 단면결손이 있을 경우 응력 집중으로 인해 예상보다 일찍 파단할 수 있으므로 설계 단계에서 단면결손과 파단강도를 반드시 검토한다.
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출제기준 단원 「인장재 설계」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 단면 적용 부재 판단 | 1 | 단면2차반경 등 계수의 적용 대상이 어느 부재인지 가리기 |
| 보 보강 목적 식별 | 1 | 커버플레이트의 주된 기능을 휨 강도 보강으로 구분하기 |
| 인장재의 필수 검토 항목 | 1 | 인장재 설계 시 단면결손과 파단 검토 필요성 판별하기 |
인장재는 말 그대로 잡아당기는 하중(인장력)을 주로 받는 부재를 지칭한다. 케이블, 로프, 강봉 등 여러 형상이 사용되며, 부재의 중심축 방향으로 하중이 전달된다는 점이 특징이다. 인장재의 설계에서는 인장력에 대한 단면의 충분한 강도와 연속성이 기본 요구사항이다.
인장재 설계에서 가장 중요한 검토 항목은 단면결손에 의한 파단 강도 검토이다. 볼트 구멍 등으로 단면이 약해지는 부분에서는 응력이 집중되므로 해당 부분에서의 파단을 확인하지 않으면 구조 안전을 해칠 우려가 있다. 따라서 단면결손이 있는 부재는 그 약화된 단면을 기준으로 파단 강도를 산정하여 안전성을 판단한다.
인장재는 좌굴과 같이 길이에 따른 좌굴거동이 주된 문제가 되는 압축재와 설계 관점이 다르다. 압축재는 좌굴을 주의 깊게 계산해야 하지만, 인장재는 인장하중 하에서의 재료 강도와 단면 연속성, 연결부의 상세가 설계의 핵심이 된다. 휨재나 전단 위주의 부재와 비교할 때 각 부재 유형별로 중점 검토 항목이 다르다는 점을 인지해야 한다.
설계 문제에서는 인장재·압축재·휨재의 대표적 파손 메커니즘을 짝지어 기억하는 것이 유리하다. 인장재는 파단, 압축재는 좌굴, 휨재는 전단 및 좌굴을 중심으로 점검해야 한다는 원리를 적용하면 설계 검토 항목을 빠짐없이 확인할 수 있다.
선지에서 '인장재는 인장력만 고려하므로 단면결손에 의한 파단 검토는 필요 없다'는 설명이 제시되면 이것은 명백한 오답이다. 단면결손이 있으면 그 부분에서 응력이 집중되어 파단이 발생할 수 있으므로 파단 강도 검토는 필수이다. 이와 대조적으로 단면2차반경이나 세장비는 주로 압축재의 좌굴 설계에서 사용되므로 인장재 설계 적용을 묻는 문항에서는 해당 개념을 혼동하면 오답으로 연결된다.
또 다른 출제 형태로는 커버플레이트나 스티프너처럼 단면을 보강하는 공법의 주된 목적을 묻는 문제가 있다. 예를 들어 커버플레이트는 보의 휨 강도를 보강하기 위해 단면계수를 증가시키는 목적으로 사용된다는 점을 기준으로 판별한다. 이는 인장재 설계와는 구분되는 보·플랜지 보강의 전형적 사례이므로 문항 문맥을 정확히 파악하여 적용 대상 부재를 구분해야 한다.
구조부재에서 단면2차반경은 어느 부재를 설계할 때 사용 되는가?
정답 ② · 단면2차반경(Radius of Gyration)은 단면적과 단면2차모멘트로부터 산정되는 기하학적 성질로, 부재가 휨이나 좌굴에 저항하는 능력을 나타냅니다. 특히 압축력을 받는 기둥과 같은 압축재에서는 세장비(유효길이/단면2차반경)를 계산하여 탄성 좌굴 여부와 좌굴 응력의 크기를 결정하는 데 핵심적으로 사용됩니다.
단면2차반경은 세장비 계산에 쓰이며, 주로 압축재의 좌굴 설계에 사용된다.
양단이 고정이고 높이가 3m인 H형강 기둥의 이론치(理論値) 좌굴길이는?
정답 ① · 좌굴 길이는 부재의 지점 조건(단선, 양단 회전 구속, 양단 이동 및 회전 구속 등)에 따라 달라지며 유효길이계수(K)를 곱하여 산출합니다. 양단이 회전과 이동이 완전히 구속된 '고정단' 조건인 경우 유효길이계수 K는 0.5입니다.
양단 고정 기둥의 유효길이계수는 0.5이므로, 실제 길이 3m에 곱하면 이론치 좌굴길이는 1.5m가 된다.
철골구조에서 보의 플랜지에 커버플레이트(cover plate)를 사용하는 경우가 있는데 그 주된 이유는?
정답 ② · 철골보의 플랜지에 커버플레이트를 붙이는 주된 이유를 묻는 문제이다. 커버플레이트는 보 플랜지의 단면을 확대하여 단면 2차 모멘트와 단면계수를 크게 함으로써 휨 강도를 보강하는 데 사용된다.
커버플레이트는 보의 단면 2차 모멘트를 증가시켜 단면계수를 키우고 휨 강도를 보강하는 데 사용된다.
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