조밀단면, 비조밀단면, 세장단면

강구조에서 조밀단면(compact section), 비조밀단면(non-compact section), 세장단면(slender section)은 단면의 좌굴(국부좌굴, local buckling) 특성을 기준으로 분류됩니다. 이러한 분류는 구조 설계에서 부재의 거동을 평가하고 설계 기준을 적용하는 데 중요한 역할을 합니다.

강구조 구조물

1. 강구조 단면의 분류 기준

강구조 부재는 압축력과 휨을 받을 때 국부좌굴(local buckling)로 인해 성능이 저하될 수 있습니다. 이에 따라 단면의 판요소(플랜지 및 웨브)의 폭-두께 비(폭 두께비, width-to-thickness ratio)를 기준으로 단면을 조밀단면, 비조밀단면, 세장단면으로 구분합니다.

이러한 구분은 국내의 강구조 설계기준(KDS 14 31 10, 강구조설계기준) 및 미국 AISC(ANSI/AISC 360) 에서도 정의하고 있으며, 각 기준마다 세부적인 수식이 다를 수 있습니다.

---

2. 조밀단면 (Compact Section)

2.1 조밀단면의 정의

조밀단면(compact section)은 휨 모멘트가 작용할 때, 국부좌굴이 발생하기 전에 소성변형이 충분히 발생할 수 있는 단면을 의미합니다. 즉, 단면이 소성 모멘트를 발휘할 수 있으며, 소성힌지(plastic hinge) 형성이 가능한 단면입니다.

 

2.2 조밀단면의 특징

• 휨을 받을 때 완전 소성 상태까지 응력이 증가할 수 있음.
• 소성힌지(plastic hinge) 형성 가능 → 구조물의 연성 거동(ductile behavior)에 유리.
• 강재의 항복강도를 최대한 활용할 수 있음.
• 내진설계(seismic design)에서 연성 거동을 확보하기 위해 조밀단면을 선호.

---

3. 비조밀단면 (Non-Compact Section)

3.1 비조밀단면의 정의

비조밀단면(non-compact section)은 소성 변형이 발생하기 전에 국부좌굴이 먼저 발생하는 단면을 의미합니다. 즉, 조밀단면보다 폭-두께비가 크기 때문에 완전 소성 모멘트를 발휘하지 못하고, 탄성-소성 전이 단계에서 국부좌굴이 발생하여 강도 저하가 일어나는 단면입니다. 비조밀단면의 폭-두께비 조건은 다음과 같이 정의됩니다.

• 플랜지 :  $ \frac{b}{t} \; \leq \; 0.56\sqrt{\frac{E}{F_{y}}} $
• 웨 브 :  $ \frac{h}{t_{w}} \; \leq \; 1.49\sqrt{\frac{E}{F_{y}}} $

여기서, 

b : 플랜지의 폭 (전체 폭의 1/2)

t : 플랜지의 두께

h : 웨브의 높이

tw : 웨브의 두께

E : 강재의 탄성계수

$F_{y}$ : 강재의 항복강도

 

3.2 비조밀단면의 특징

• 소성 모멘트 도달 전에 국부좌굴이 발생하여 구조적 성능이 저하됨.
• 항복 후 응력 재분포가 제한되며, 연성 변형이 상대적으로 부족.
• 조밀단면에 비해 사용 가능한 휨 모멘트가 감소함.
• 일부 내진설계 및 반복 하중(피로 하중) 적용 구조물에서 사용이 제한될 수 있음.

---

4. 세장단면 (Slender Section)

4.1 세장단면의 정의

세장단면(slender section)은 탄성 영역에서도 국부좌굴이 발생할 수 있는 단면을 의미합니다. 즉, 매우 얇은 플랜지 또는 웨브를 가진 단면으로서, 하중이 작용하면 항복 강도에 도달하기도 전에 국부좌굴이 먼저 발생할 수 있습니다.

​

4.2 세장단면의 특징

• 국부좌굴이 탄성 상태에서도 발생 가능 → 강도 감소가 매우 크며, 설계 시 보강이 필요할 수 있음.
• 하중이 증가하면 국부좌굴이 먼저 발생하므로, 단면이 충분한 강성을 유지하기 어려움.
• 휨과 축력을 함께 받을 경우 더욱 취약.
• 일반적으로 고강도 강재 사용할 때 세장단면이 될 가능성이 높음.
• 세장단면은 구조물에서 직접 사용하기 어려우며, 보강이 필요할 수 있음.

---

5. 조밀단면, 비조밀단면, 세장단면의 비교

구 분	단면의 거동	국부좌굴 발생 여부	소성모멘트 도달가능여부	사용예시
조밀단면(Compact)	완전 소성 가능	없음	가능	내진설계, 중요구조물
비조밀단면(Non Compact)	소성 모멘트 도달 전 좌굴발생	가능	불가능	일반적인 강구조 부재
세장단면(Slender)	탄성 상태에서도 좌굴 가능	가능	불가능	얇은 판형구조물, 보강필요

---

6. 강구조 설계 시 고려사항

• 설계기준에서 제시하고 있는 폭 두께비 한계를 만족하는지 확인해야 함.
• 내진 성능을 요구하는 구조물에서는 조밀단면(compact section)을 사용하는 것이 구조적으로 유리함.
• 비조밀단면(non-compact section)은 소성 모멘트 도달이 어렵기 때문에, 설계 시 비조밀 단면의 특성을 고려해야 함.
• 세장단면(slender section)을 사용할 경우, 좌굴 저항을 높이기 위해 보강재(stiffener)를 추가하거나 폭-두께비를 줄여야 함.

---

7. 결 론

강구조 설계에서 조밀단면, 비조밀단면, 세장단면의 구분은 구조 부재의 안전성과 연성 거동을 평가하는 중요한 기준입니다. 조밀단면은 연성 거동이 우수하여 소성힌지 형성이 가능하지만, 비조밀단면과 세장단면은 국부좌굴이 발생하여 구조적 성능이 저하될 수 있습니다. 따라서 구조 설계 시, 사용 목적과 하중 조건에 따라 적절한 단면을 선택하고, 설계 기준을 준수하는 것이 중요합니다.

특히 내진 성능이 요구되는 구조물에서는 조밀단면을 적용하는 것이 바람직하며, 비조밀단면은 사용 가능한 휨 강도가 제한되므로 적용 시 세심한 검토가 필요합니다. 세장단면의 경우, 국부좌굴이 탄성 상태에서도 발생할 가능성이 크기 때문에 직접적인 사용보다는 보강을 통해 안전성을 확보해야 합니다.

최근 강구조 설계에서는 고강도 강재가 점점 더 많이 사용되고 있으며, 이에 따라 세장단면의 사용 가능성이 증가하고 있습니다. 따라서 고강도 강재를 사용할 경우 국부좌굴을 방지하기 위한 추가적인 보강(리브 보강, 판 요소 두께 증가 등)이 필요합니다. 또한, 비선형 유한요소해석(FEM) 기법을 활용하여 단면 거동을 보다 정밀하게 평가하는 연구도 진행되고 있습니다. 향후 강구조 설계에서는 AI 및 최적화 설계를 활용하여 조밀단면을 극대화하고, 비조밀단면과 세장단면의 단점을 보완하는 기술이 발전할 것으로 기대됩니다. 이를 통해 구조물의 안정성을 더욱 향상시키고, 경제적이면서도 내구성이 우수한 강구조 설계가 가능해질 것입니다.

강구조 설계에서 단면 분류는 부재의 성능을 결정하는 핵심 요소이므로, 설계 기준을 철저히 준수하고 최적의 단면을 선택하는 것이 필수적입니다. 이를 통해 강구조물의 안전성과 내구성을 확보하고, 장기적인 유지보수 비용을 최소화할 수 있습니다.

---