수직·수평보강재 역할

왜 배우는가: 강교의 플레이트거더 복부판은 얇아서 전단좌굴과 국부좌굴에 취약하므로 수직·수평보강재의 역할을 정확히 알아야 한다. 이 개념은 1교시 용어 문제와 4교시 논술 문제로 여러 회차에 걸쳐 반복 출제되었으므로, 설치 목적과 원리를 함께 익혀야 한다.

출제 이력: 제135회 1교시 6번, 제99회 1교시 2번, 제91회 4교시 3번, 제65회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

수직보강재는 복부판의 전단좌굴을 막고, 수평보강재는 휨압축에 의한 복부판 좌굴을 막기 위해 복부판에 붙이는 강판 부재다.

핵심 키워드

• 복부판 좌굴: 얇은 복부판이 전단응력이나 휨압축응력을 받아 면외로 휘는 현상
• 수직보강재: 복부판에 세우는 보강재로 전단좌굴을 억제한다
• 수평보강재: 복부판의 압축 영역에 수평으로 붙는 보강재로 휨좌굴을 억제한다
• 판좌굴: 판 폭두께비가 커서 판 면외로 좌굴하는 현상
• 전단좌굴: 복부판이 순수 전단응력을 받아 대각선 방향으로 좌굴하는 현상
• 인장장(Tension Field): 좌굴 후 복부판이 대각 인장으로 전단력을 전달하는 거동
• 폭두께비: 판의 폭과 두께의 비로 좌굴 민감도를 나타내는 지표

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 플레이트거더의 복부판은 얇은 철판이라 힘을 받으면 종이처럼 휜다. 보강재는 이 얇은 판에 뼈대를 붙여 휘지 않도록 잡아 주는 부재다.

정식 정의는 다음과 같다. 플레이트거더의 복부판은 전단력과 휨응력을 받는다. 두께에 비해 높이가 큰 복부판은 이 응력에 의해 좌굴한다. 수직보강재와 수평보강재는 복부판을 면 내 방향에서 구획하여 판의 좌굴 길이를 줄이고 좌굴강도를 높이는 부재다.

복부판 좌굴은 웨브판이 면외로 변형되는 현상이다. 전단좌굴은 전단응력이 지배할 때 나타나고, 휨좌굴은 휨압축 응력이 지배할 때 나타난다. 두 현상을 구분하면 보강재 위치를 결정할 수 있다. 수직보강재는 전단에, 수평보강재는 휨압축에 대응한다.

인장장 거동은 보강된 복부판이 좌굴 후에도 추가 하중을 받는 현상이다. 이때 수직보강재는 인장장의 대각 인장력을 플랜지로 전달하는 앵커 역할을 한다.

3. 등장 배경과 필요성

강교는 경제성을 위해 복부판을 얇게 설계한다. 얇은 복부판은 중량을 줄이지만 판좌굴 강도가 낮아진다. 복부판 전체를 두껍게 하면 무게와 비용이 크게 늘어난다. 따라서 얇은 판을 보강재로 구획하는 방법이 널리 쓰인다.

플레이트거더는 대경간 교량에 쓰이면서 복부 높이가 커졌다. 높이가 커질수록 복부판의 폭두께비가 증가하고, 좌굴에 대한 여유가 줄어든다. 이때 수평보강재를 압축 영역에 두면 휨좌굴을 억제할 수 있다. 수직보강재는 지점과 집중하중 위치에 추가로 배치되어 국부 좌굴을 막는다.