플레이트거더 파손

왜 배우는가: 플레이트거더는 교량과 대형 건축물의 주거더로 널리 쓰이며, 얇은 웨브와 플랜지의 파손 형태를 알아야 설계 단계에서 보강과 상세를 정할 수 있다. 1교시 용어 문제와 2~4교시 논술 문제에 공통으로 나오는 기본 개념이므로 파손 유형을 체계적으로 정리해 두어야 한다.

출제 이력: 제110회 3교시 4번, 제94회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

플레이트거더 파손은 얇은 강판을 조립한 거더가 웨브·플랜지 좌굴, 피로, 취성파괴 등으로 내하력을 잃는 현상이다.

플레이트거더 파손은 한 가지 원인으로 일어나지 않는다. 판 두께가 얇고 높이가 큰 단면 특성 때문에 좌굴이 먼저 나타나고, 용접 상세부에서는 반복하중에 의한 피로균열이 생긴다. 저온이나 두꺼운 판에서는 소성변형 없이 갑자기 파단하는 취성파괴도 발생한다. 답안에서는 파손 형태를 좌굴계, 피로계, 취성계로 나누어 쓰면 채점 항목을 빠짐없이 다룰 수 있다.

핵심 키워드

• 플레이트거더
• 웨브 좌굴
• 플랜지 국부좌굴
• 횡좌굴
• 피로균열
• 취성파괴
• 수직보강재
• 판좌굴계수

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면 플레이트거더는 큰 보를 강판으로 직접 만든 보다. 판이 얇아서 가볍고 강성이 크지만, 얇은 부분이 먼저 무너질 수 있다. 이 점이 파손 특성의 출발점이다.

정식 정의로는 플레이트거더(Plate Girder)가 강판을 용접 또는 고장력볼트로 조립하여 I형 또는 상자형 단면을 만든 휨부재다. 최소 단면으로 큰 강성을 얻을 수 있으나 복부(웨브)가 얇아 보강이 필요하다. 이 구조적 특성 때문에 파손은 판의 면외 변형과 용접부 상세에 집중된다.

플레이트거더 파손: 설계 내하력에 도달하기 전에 웨브, 플랜지, 용접부 등 부재 일부가 좌굴·균열·파단을 일으켜 기능을 잃는 상태다. 파손 원인은 하중 조건, 판 두께비, 보강 상태, 용접 품질에 따라 달라진다.

웨브 좌굴: 휨에 의한 압축과 전단응력을 받는 얇은 복부판이 면외로 휘는 현상이다. 좌굴응력은 판좌굴계수로 나타내며, 판 두께가 얇고 판 폭이 넓을수록 불리하다.

$σ_{cr}=π^2·k·D·(t/b)^2$

σcr은 좌굴응력, k는 판좌굴계수(판 형상·지지 상태·하중 종류로 결정), D는 판강성, t는 판 두께, b는 판 폭이다. 판강성 D는 E·t³/[12(1−ν²)]로 구하며, E는 강재 탄성계수 2.0×10^5 MPa 를 쓴다.

플랜지 국부좌굴: 압축 플랜지의 돌출부가 판폭두께비가 커서 먼저 좌굴하는 현상이다. 단면이 조밀하지 않으면 소성 휨능력에 도달하기 전에 이 현상이 나타난다.

횡좌굴: 압축 플랜지가 횡지지 사이 구간에서 옆으로 휘며 비틀리는 현상이다. 비지지 길이가 길수록, 단면의 횡방향 강성이 작을수록 불리하다.

피로균열: 반복하중을 받아 용접 상세부, 웨브와 플랜지의 접합부, 수직보강재 단부에서 균열이 생기고 점차 진전하는 현상이다. 응력집중과 잔류응력이 균열의 출발점이 된다.

취성파괴: 소성변형이 거의 없이 고속으로 균열이 전파되어 갑자기 파단하는 현상이다.

3. 등장 배경과 필요성

압연 H형강은 규격으로 정해진 깊이와 폭을 가지므로 장경간 교량이나 큰 하중을 받는 구조에서는 단면이 부족해진다. 이때 판을 조립하여 단면 높이와 플랜지 면적을 목적에 맞게 정하는 플레이트거더가 등장했다.

플레이트거더교는 단경간에서 중경간 교량에 적합하며, 공장에서 미리 제작한 뒤 현장에 운반하여 설치한다. 운반 수단이 길이 한계를 정하는 경우가 많다. 제작과 운반의 제약이 있으므로 현장 이음과 용접 품질 관리도 파손 방지의 중요한 과제가 된다.

플레이트거더의 필요성은 얇은 판으로 큰 강성을 얻는 데 있다. 그러나 이 장점은 파손 측면에서 불리함으로 바뀐다. 판이 얇으면 좌굴에 민감하고, 용접이 많으면 피로균열의 출발점이 늘어난다. 강재 자체의 단점도 함께 작용한다. 강재는 좌굴에 약하고, 저온에서 충격하중을 받으면 취성파괴가 일어나며, 반복하중에 의해 강도가 줄어든다.

따라서 파손 방지는 여러 단계에서 함께 다루어야 한다. 단면 설계에서는 판좌굴과 횡좌굴을 검토하고, 보강재를 배치하여 웨브 좌굴을 억제한다. 상세 설계에서는 용접 잔류응력과 응력집중을 줄여 피로균열을 막는다. 재료 선택에서는 저온 인성이 확보된 강재를 쓰고 취성파괴 위험을 낮춘다. 이 세 가지 관점이 3절 이후의 원리와 대책을 이해하는 기초가 된다.

4. 구성요소·원리·절차

플레이트거더는 상·하플랜지, 복부판(웨브), 보강재로 이루어진 조립 휨부재다. 파손은 플랜지 항복, 복부판의 전단·좌굴, 피로균열 중 어느 하나가 먼저 한계에 도달하는 데서 시작한다. 구성요소별 역할을 먼저 구분해야 파손 형태를 정확히 쓸 수 있다.

플레이트거더의 저항 원리는 휨과 전단을 분담하는 것이다. 휨모멘트는 플랜지가 주로 부담하고, 전단력은 복부판이 주로 부담한다. 복부판은 얇을수록 경제적이지만 좌굴에 취약하다. 따라서 복부판 두께비 h/t_w 를 제한하거나 보강재로 좌굴을 억제한다.

플레이트거더 파손 판정의 흐름은 다음과 같다.

• 설계하중에 대해 휨강도와 전단강도를 산정한다.
• 플랜지 국부좌굴과 복부판 좌굴 여부를 판정한다.
• 좌굴이 생기면 후좌굴 강도(장력장 작용 포함)를 검토한다.
• 용접부 상세에 대해 피로 검토를 수행한다.
• 최종적으로 가장 먼저 한계에 이르는 파손 모드를 지배 모드로 정한다.

파손 원리의 핵심은 다음과 같다. 복부판은 전단좌굴 후에도 장력장을 형성해 추가 하중을 받을 수 있다. 그러나 장력장이 형성되면 보강재와 플랜지에 큰 부가 응력이 걸린다.

복부판 좌굴은 보강재로 억제하고, 플랜지 항복과 피로는 상세 설계로 막는다

5. 관련 법령·기준·표준

플레이트거더의 설계 기준은 강구조 부재 설계기준(KDS 14 31 10)과 강교 설계기준(KDS 24 14 31)이다. 강구조 부재 설계기준은 한계상태설계법을 따르며, 총단면 항복과 유효순단면 파단에 대해 저항계수를 적용한다. 본 절의 수치는 아래 표에 정리한다. 세부 조항 번호는 확실한 범위에서만 기재한다.

표의 값은 문헌 근거에 따른 것이다.

인장재 설계의 저항계수는 기준 개정에 따라 값이 달라질 수 있다. 시험 답안에는 현행 기준 원문 값을 쓴다.

개정 연혁에서는 강구조 설계기준이 한계상태설계법 체계로 정비된 흐름을 기억한다.

6. 유형과 비교

플레이트거더의 파손은 그 원인에 따라 휨파괴, 전단좌굴(웨브 좌굴), 횡좌굴, 피로균열, 취성파괴로 나뉜다. 각 파손 형태는 판 두께, 보강재 배치, 용접 품질, 사용 환경에 따라 발생 가능성이 달라지므로 설계 단계에서 구분해 검토해야 한다. 아래 표는 파손 형태별 원인과 판정 방향을 비교한다.

표 설명: 휨파괴는 단면 강도 문제이고 웨브 전단좌굴과 횡좌굴은 판의 안정 문제다. 피로균열은 반복 응력 범위가 원인이므로 정적 강도 검토만으로는 판정할 수 없다.