판요소 국부좌굴과 단면 분류

핵심 정리

강재 단면은 얇은 평판이 모여 이루어진다. 얇은 판은 임계 하중을 받으면 평면 밖으로 좌굴하는데, 판은 기둥과 달리 좌굴이 일어난 뒤에도 하중을 계속 지지할 수 있다. 이 현상을 국부좌굴이라 한다. 판요소가 국부좌굴을 먼저 일으키면 단면 전체의 강도를 끝까지 쓰지 못하므로, 국부좌굴이 부재의 강도와 소성 능력을 어디까지 제한하는지 가리는 것이 이 단원의 출발점이다.

설계에서는 압축을 받는 판요소의 판폭두께비를 기준으로 단면을 나눈다. 조밀단면이라고도 하는 콤팩트단면은 휨을 받을 때 국부좌굴 없이 완전소성상태에 도달하는 단면이다. 판정은 압축요소마다 따로 하며, 콤팩트단면의 모든 압축요소는 판폭두께비가 콤팩트 요소의 제한값 λp 이하이어야 한다.

비콤팩트단면은 국부좌굴이 발생하기 전에 압축요소에 항복응력이 생길 수 있다. 국부좌굴 전에 압축요소가 항복응력에 도달하더라도 소성힌지 회전능력이 없는 단면은 비조밀단면이다.

콤팩트단면은 완전소성 응력분포가 발생하고 국부좌굴 전에 약 3의 곡률연성비를 발휘할 수 있다. 반면 세장판단면은 항복 전 탄성 범위에서 국부좌굴이 먼저 일어나 소성범위에 이르지 못한다.

구속판요소는 하중 방향과 평행한 양 가장자리가 직각 방향 판요소에 연결되어 연속된 압축을 받는 평판요소이다. 반대로 한쪽 가장자리만 연결된 판은 자유돌출판요소로 보며, 이 둘을 가르는 것이 판폭 산정과 판정의 출발점이다.

단면 분류의 결과에 따라 같은 판이라도 설계에서 쓸 수 있는 소성 능력이 달라진다. 그래서 판요소의 종류와 폭 기준을 함께 익혀야 한다.

자세히

단면 분류와 소성 능력

단면이 콤팩트단면인지는 압축을 받는 요소를 하나씩 확인해서 정한다. 요소 가운데 하나라도 제한값을 넘으면 그 단면은 콤팩트단면이 아니다. 콤팩트 판정의 기본 틀은 압축요소 전부 λp 이하이다. 단면 전체가 좋다고 해서 한 요소의 초과를 덮을 수는 없다.

세 단면을 가르는 축은 국부좌굴과 항복 중 무엇이 먼저 일어나느냐이다. 아래 표는 그 순서가 달라질 때 소성 능력이 어떻게 달라지는지 보여준다.

표의 세 행을 비교하면 비콤팩트단면은 항복까지는 가능하지만 회전이 모자라고, 세장판단면은 항복 자체가 국부좌굴보다 뒤로 밀린다는 차이가 있다. 두 단면 모두 소성 능력이 제한되지만 제한의 원인이 다르다는 점을 구별해야 한다.

설계에서 완전소성 응력분포를 기대할 수 있는지는 콤팩트단면인지에 달려 있다. 따라서 단면을 판정할 때는 먼저 각 압축요소의 판폭두께비를 확인하고, 그 결과로 소성 능력을 읽는 순서가 바르다. 콤팩트 판정과 소성 능력 판정은 같은 단면을 두고 서로 다른 질문에 답한다. 전자는 요소가 기준을 지키는지, 후자는 그 결과 어디까지 소성을 쓸 수 있는지를 묻는다.

자유돌출판 폭의 산정

자유돌출판 폭은 판 한쪽 끝이 자유로운 부분의 폭이다. 플레이트의 자유돌출판 폭은 자유단에서 첫 파스너 줄 또는 용접선까지의 길이로 본다. 이 길이는 측정 끝점이 접합부에 있으므로, 기준선이 파스너 줄인지 용접선인지에 따라 같은 플레이트라도 폭이 달라질 수 있다.