붕괴유발부재

왜 배우는가: 붕괴유발부재는 한 부재의 파단이 곧 교량 붕괴로 이어지는 구조를 가리키므로 강교 설계와 점검의 출발점이 된다. 여유도 개념과 함께 반복해서 출제되는 이유도 이 두 개념이 설계 판단과 유지관리 판단을 함께 묶기 때문이다.

출제 이력: 제129회 1교시 6번, 제128회 1교시 7번, 제126회 3교시 1번, 제124회 2교시 1번, 제110회 3교시 2번, 제96회 1교시 2번, 제64회 1교시 4번, 제63회 2교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

붕괴유발부재는 인장을 받는 부재가 파단되었을 때 대체 하중경로가 없어 구조물 전체가 무너지는 부재이다.

붕괴유발부재는 강교 설계와 점검에서 가장 먼저 확인하는 위험 부재다. 시험에서는 여유도 개념과 함께 묻는 경우가 많으므로 두 용어를 한 묶음으로 정리해야 한다. 답안 첫 줄에는 위 정의 한 문장을 쓰고, 이어서 여유도와의 관계를 한 줄로 붙인다.

핵심 키워드

• 붕괴유발부재(Fracture Critical Member): 파단 시 붕괴로 이어지는 인장 주부재
• 여유도(Redundancy): 한 부재가 끊어져도 하중을 나눠 받는 능력
• 인장응력(Tensile Stress): 휨이나 축력으로 부재에 생기는 인장 응력
• 대체 하중경로(Alternate Load Path): 파단 후 하중이 흘러갈 다른 경로
• 계통 여유도(System Redundancy): 주부재가 파단되어도 붕괴하지 않는 구조 성질
• 내부 여유도(Internal Redundancy): 부재 내부에서 파괴가 전파되지 않는 성질
• 피로균열(Fatigue Crack): 반복하중으로 생긴 균열
• 취성파괴(Brittle Fracture): 항복 없이 갑자기 끊어지는 파괴

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 다리 부재 하나가 끊어졌을 때 다른 부재가 그 힘을 떠맡을 수 있는지를 묻는 개념이다. 떠맡을 길이 없으면 그 부재는 붕괴를 일으키는 부재가 된다.

정식으로는 인장응력 또는 축인장력을 받는 주부재 중에서, 파단 시 하중을 안전하게 재분배할 수단이 없는 부재를 말한다. 압축을 받는 부재도 갑자기 좌굴로 무너질 수 있다. 그러나 균열이 생기고 자라서 파괴되는 경로는 인장 부재에서 대부분 나타난다. 그래서 붕괴유발부재의 판정은 인장 부재를 중심으로 한다.

여유도(Redundancy)는 한 부재가 파괴되어도 하중을 다른 경로로 나눠 전달하여 전체 붕괴를 막는 구조의 능력이다. 붕괴유발부재는 여유도가 없는 인장 부재라고 정리하면 된다. 미국 국가교량점검기준(NBIS)은 2022년 5월 지침에서 여유도를 세 가지로 세분했다. 계통 여유도는 주부재가 파단되어도 붕괴하지 않는 경우이다. 내부 여유도는 부재 자체가 여유를 가져 파괴가 부재 안에서 멈추는 경우이다. 하중경로 여유도는 주하중 저항 요소가 주부재 3개 이상인 경우이다.

판정의 기본 흐름은 다음과 같다. 첫째, 인장응력을 받는 주부재를 찾는다. 둘째, 그 부재가 파단되었다고 가정하고 남은 구조의 하중 재분배를 검토한다. 셋째, 대체 하중경로가 없으면 붕괴유발부재로 분류한다. 두 주거더로 된 거더교에서 한쪽 거더가 끊어지면 나머지 거더 하나가 전체 하중을 받아야 하므로 여유도가 없는 구조로 본다. 이 예는 일반적인 구조 판단의 예시이며 특정 사고 사례가 아니다.

3. 등장 배경과 필요성

붕괴유발부재의 개념은 1967년 미국 Silver Bridge 붕괴 사고 이후 정립되었다. 웨스트버지니아주 Point Pleasant의 이 다리는 아이바(eyebar) 하나가 파단되면서 오하이오강으로 무너졌고, 사망 46명의 인명 피해가 발생했다. 이 사고를 계기로 붕괴유발부재를 지정하고 점검하는 절차가 만들어졌으며, 국가 교량 목록과 교량점검기준 체계가 정비되었다.