웨브 국부 파괴

왜 배우는가: 웨브 국부파괴는 H형강 보의 집중하중 지점에서 웨브가 국부적으로 항복·좌굴·측방변형되는 현상으로, 실무에서는 크레인 거더 바퀴하중이나 지점반력 부근 보강 판단의 기초가 된다. 시험에서는 네 가지 파괴 형태를 구분해 그림과 함께 설명하도록 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제139회 1교시 9번, 제110회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

웨브 국부파괴는 H형강 보 웨브가 집중하중이나 지점반력 부근에서 국부적으로 항복하거나 좌굴·변형되는 현상이다.

• 웨브 국부파괴
• 집중하중
• 웨브 크리플링
• 웨브 국부항복
• 웨브 압축좌굴
• 웨브 횡좌굴
• 플랜지 횡구속
• 스티프너

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 보 위에 짐이 한 점에 몰려 얹힐 때 그 바로 아래 세로 판인 웨브가 눌려 찌그러지는 현상이다. 플랜지는 휨에 강하고 웨브는 얇아서, 하중이 플랜지를 거쳐 웨브로 전달되는 지점에서 응력이 크게 집중된다.

정식으로는 집중하중 또는 지점반력이 작용하는 위치에서 웨브 판요소에 압축·전단·국부 응력이 복합으로 작용하여, 웨브가 항복하거나 면외로 좌굴하거나 플랜지와 함께 측방으로 변형되는 한계상태를 말한다. 건축구조기준에서는 이를 보의 웨브 국부 검토(웨브 국부항복, 웨브 크리플링, 웨브 압축좌굴, 웨브 횡좌굴)로 나누어 각각 설계강도를 구한다.

웨브 국부항복은 하중 전달부의 웨브 응력이 항복강도에 도달해 국부적으로 소성변형하는 현상이다. 좌굴이 주된 양상이 아니라 재료가 먼저 항복하는 것이 특징이다.

웨브 크리플링은 집중하중 아래 웨브가 국부적으로 압괴되어 주름지듯 접히는 파괴다. 플랜지가 웨브를 누르는 응력이 웨브 면 안에서 좌굴을 일으키는 형태로, 하중이 웨브 두께와 깊이에 따라 결정된다.

웨브 압축좌굴은 웨브에 걸리는 압축응력이 임계값을 넘어 웨브 판이 면외 방향으로 휘는 현상이다. 얇은 웨브일수록 좌굴이 먼저 일어난다.

웨브 횡좌굴은 압축플랜지의 횡방향 구속이 부족할 때 집중하중 부근의 웨브와 플랜지가 옆으로 변형되는 현상이다. 보 전체의 횡좌굴과 구별하기 위해 국부적 측방변형으로 이해한다.

3. 등장 배경과 필요성

강재 보는 휨과 전단을 플랜지와 웨브가 나누어 받는 구조다. 설계 초기에는 휨강도만 검토하는 경우가 많았으나, 집중하중이 작용하는 지점에서 웨브가 먼저 파괴되는 사례가 보고되면서 국부 검토가 독립된 한계상태로 정리되었다. 특히 크레인 거더처럼 바퀴하중이 반복해서 지나가는 구조에서 웨브 국부 파괴가 중요한 설계 조건이 되었다.

웨브 국부파괴를 따로 검토해야 하는 이유는 세 가지다. 첫째, 플랜지 휨강도가 충분해도 웨브가 먼저 무너지면 보 전체가 사용할 수 없게 된다. 둘째, 집중하중 부근은 응력이 급격히 변하므로 평균 응력으로는 위험을 판단할 수 없다. 셋째, 얇은 웨브는 두께를 줄여 경제성을 높일 수 있지만 국부 좌굴 위험이 커지므로 보강재 설치 여부를 결정하려면 각 파괴 형태를 구분해야 한다.

이러한 이유로 설계기준은 웨브 국부 파괴를 집중하중 크기, 하중 지지길이, 웨브 두께, 플랜지 구속 조건으로 나누어 검토하도록 규정한다. 보강재를 두는 것은 웨브의 국부 응력을 분산하고 좌굴 길이를 줄이는 가장 흔한 방법이다.

4. 구성요소·원리·절차

웨브 국부파괴는 보의 웨브에 집중하중이나 지점반력이 작용할 때 하중점 바로 아래 웨브가 국부적으로 손상되는 현상이다. 한계상태는 국부항복, 웨브 압축좌굴, 크리플링, 횡좌굴(측방좌굴) 네 가지로 나누어 검토한다. 각 현상은 원인과 지배 변형 형상이 다르므로 구성요소를 따로 이해해야 한다.

웨브 국부파괴는 집중하중이 플랜지를 거쳐 웨브에 좁은 폭으로 전달되면서 웨브가 국부 응력을 받아 생기는 한계상태다.

구성요소별 특징은 다음과 같다.

표의 네 현상은 모두 국부 압축에서 출발하지만 항복은 재료 강도, 좌굴은 판의 세장비, 횡좌굴은 횡구속 조건이 지배한다. 이 차이를 알면 보강재를 어디에 둘지 결정할 수 있다.

원리는 다음과 같다. 집중하중 P는 플랜지를 통해 웨브 상단에 작용하고, 웨브는 하중이 퍼지는 폭만큼만 저항한다. 하중 분산 폭을 b_{\text{eff}} (유효 분산 폭, m)로 두면 웨브의 평균 국부 응력은 다음과 같다.

$\sigma_{w} = \frac{P}{t_w \, b_{\text{eff}}}$

여기서 t_w는 웨브 두께(mm), b_{\text{eff}}는 하중 분산 폭(mm)이다. 이 응력이 웨브 재료의 항복응력을 넘으면 국부항복이 생기고, 판의 세장비가 크면 탄성좌굴이 먼저 일어난다.

절차는 다음 순서로 검토한다.

• 집중하중 또는 반력의 크기와 작용 위치를 정한다.
• 하중이 플랜지와 웨브에 분산되는 유효 폭을 계산한다.
• 웨브의 국부항복 강도를 검토한다.
• 웨브 세장비로 면외 좌굴(압축좌굴, 크리플링) 강도를 검토한다.
• 압축플랜지의 횡구속 조건을 확인하고 횡좌굴 강도를 검토한다.
• 부족한 한계상태가 있으면 웨브 보강재(스티프너)를 두거나 단면을 바꾼다.

도식 설명은 다음과 같다.

이 절차는 모든 한계상태를 같은 순서로 확인하도록 만든 것이다. 어느 한 단계에서 강도가 부족하면 보강재를 두고 앞 단계부터 다시 검토해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

웨브 국부파괴 검토는 강구조 설계기준의 보 설계 규정을 따른다. 국내에서는 건축구조기준(KDS 41 계열) 강구조 편의 보 설계 조항을 적용하고, 집중하중 검토는 웨브 국부항복과 웨브 크리플링, 웨브 압축좌굴, 횡좌굴을 각각 한계상태로 본다. 조항 번호는 확인된 범위에서만 쓴다.

기준 검토에 쓰는 대표 값은 다음 표와 같다.

설계강도는 하중 저항계수를 곱한 값으로 비교한다

개정 연혁은 건축구조기준 체계 변경에 따라 강구조 편의 조항 번호가 바뀌었을 수 있다. 개정 내용은 해당 기준의 최신판에서 확인해 쓴다.

웨브 국부항복과 웨브 크리플링은 하중점 위치가 같아도 지배 원인이 다르다. 두 값을 같은 식으로 계산하면 감점이 되므로 기준식을 따로 쓴다.

6. 유형과 비교

웨브 국부파괴는 집중하중이 작용하는 위치와 웨브의 응력 상태에 따라 여러 양상으로 나타난다. 시험에서는 네 가지 현상을 한 표에서 구분해 답하는 것이 기본이다. 각 양상의 지배 원인과 파괴 형태를 나누어 기억하면 헷갈리지 않는다.