KL-510

왜 배우는가: 교량 설계에서 차량활하중은 구조 안전성을 좌우하는 주하중이며, 설계기준이 바뀔 때마다 기준의 틀이 함께 다뤄진다. KL-510은 도로교설계기준의 설계 차량하중 체계를 묻는 대표 주제이므로 정의, 재하 방식, 다른 하중과의 관계를 함께 알아야 한다. 단속용 운행제한 기준과 설계하중을 구분하는 것도 답안의 핵심이다.

출제 이력: 제136회 1교시 5번, 제122회 1교시 7번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장은 다음과 같이 쓴다.

KL-510은 도로교 설계에서 교량 위를 통과하는 차량의 무게와 축배치를 단순화한 설계용 표준트럭하중이다.

정의문에는 세 가지를 담는다. 첫째, 실제 차량이 아닌 설계용 가상 차량이라는 점이다. 둘째, 차로 위에 재하하여 바닥판과 거더의 응력을 구한다는 점이다. 셋째, 도로 통행을 규제하는 운행제한 값과는 목적이 다르다는 점이다.

핵심 키워드

• KL-510
• 표준트럭하중
• 차선하중
• 축하중
• 충격계수
• 한계상태설계법

1교시 용어형 답안은 정의 한 문장과 "차선하중과 함께 재하하며 충격계수를 적용한다"는 두 가지를 덧붙이면 충분하다. 2~4교시 논술형은 축 구성과 재하 방식, 하중계수 조합까지 확장한다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 KL-510은 교량이 가장 무거운 차량을 만났을 때 견뎌야 할 힘을 계산하기 위해 만든 대표 트럭 모형이다. 실제 차량은 종류와 무게가 매우 다양하므로, 설계에서는 여러 차량을 하나의 기준 트럭으로 대표시킨다.

정식 정의는 도로교설계기준(한계상태설계법)이 교량 설계차량활하중으로 규정한 표준트럭하중 체계 가운데 하나이다. 교량 노면의 활하중은 이 트럭하중과 차선하중을 조합하여 적용한다. 트럭을 차로 위의 정해진 위치에 놓아 부재에 생기는 최대 응력을 찾는 것이 기본 절차이다.

핵심 용어는 다음과 같이 풀이한다.

표준트럭하중은 축간거리와 축하중을 정한 설계용 차량 모형이다. 실제 차량 무게를 그대로 쓰지 않고, 설계 기준에 정한 총중량을 쓴다.

차선하중은 차로 폭 방향으로 작용하는 등분포 하중과 집중하중의 조합이다. 트럭하중 재하만으로는 표현하기 어려운 넓은 범위의 차량 밀집 효과를 반영하며, 대체로 장경간 부재에서 중요하게 쓰인다.

축하중은 한 차축에 연결된 모든 바퀴가 지면을 누르는 하중의 합이다. 운행제한 규정 제2조 제12호의 정의와 같은 개념이다.

충격계수는 차량이 움직일 때 생기는 동적 효과를 정적 하중에 곱해 키우는 계수이다. 교량 충격하중으로 별도 취급하며, 트럭하중과 차선하중 모두에 고려한다.

한계상태설계법에서는 활하중에 하중계수를 곱해 계수하중을 만들고, 이를 다른 하중과 조합하여 가장 불리한 값을 택한다. 따라서 KL-510은 단독으로 쓰지 않고 하중조합의 한 항으로 들어간다.

혼동하기 쉬운 값도 구분한다. 운행제한 규정 제5조는 축하중 10톤 초과 또는 총중량 40톤 초과 차량을 운행제한 대상으로 정한다. 이 값은 도로 구조 보전과 통행 안전을 위한 규제 기준이며 설계하중이 아니다. 허가를 받아 운행하는 차량은 구조물 통과 하중 계산서로 교량 안전성을 따로 검토한다(규정 제9조, 제10조).

3. 등장 배경과 필요성

과거 교량 설계는 허용응력설계법을 바탕으로 한 표준트럭하중 체계(구 DB하중)를 주로 썼다. 차량이 대형화되고 총중량이 늘면서 설계하중을 실제 교통 환경에 맞출 필요가 생겼다. 이 때문에 설계 차량하중을 다시 정하고 보완하는 작업이 이어졌다.

한계상태설계법으로 기준이 전환되면서 활하중의 취급 방식도 바뀌었다. 하중계수와 하중조합을 체계적으로 정하고, 구조물이 더 이상 기능을 하지 못하는 한계 상태를 기준으로 안전 수준을 맞춘다. 도로교설계기준(한계상태설계법)이 KL-510을 포함한 차량활하중 체계를 이 틀 안에서 규정한 배경이다.

필요성은 두 방향에서 나온다. 하나는 신설 교량이 실제 통행하는 중차량을 견디도록 설계하는 것이다. 다른 하나는 기준 이상의 차량이 기존 교량을 지날 때 구조물 보강이나 통행 조건을 판단하는 것이다. 후자는 운행허가 제도와 연결된다. 설계하중은 이 두 가지 판단의 공통 기준이 되므로, 답안에서는 설계 기준으로서의 역할과 허가 관리 측면을 나누어 쓰는 것이 좋다.

KL-510은 교량 설계에 쓰는 가상 차량 하중이며, 차선하중·충격계수와 함께 하중조합에 들어간다.

4. 구성요소·원리·절차

KL-510 은 도로교 설계에서 차량 활하중을 정하는 표준트럭하중으로, 차량 한 대의 축 배치와 축하중을 정한 모델이다. 구성요소를 축 단위로 나눠 보면 설계 단면력이 결정된다. 구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

원리는 차량을 정적 등가 하중으로 치환하는 데 있다. 축 간격과 축하중을 고정하고, 교량 경간에 가장 불리하도록 차량을 위치시켜 단면력을 구한다. 차량이 한 방향으로 달리는 경우 횡방향으로는 차선 폭 안에서 편심을 고려한다. 교량 상부구조는 연속된 축하중의 영향선(Influence line)을 이용해 최대 휨모멘트와 전단력을 구한다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 설계 차로 수와 차로 폭을 정한다.
• 표준트럭하중(KL-510)의 축 배치와 축하중을 입력한다.
• 충격계수를 적용하여 동적 효과를 반영한다.
• 차로 재하 및 차선 하중과 조합하여 영향선으로 단면력을 구한다.
• 한계상태별 하중계수를 곱해 계수 하중을 만든다.
• 가장 불리한 조합으로 부재를 검토한다.

계산 예로, 임의의 축하중을 가정하면 충격계수 적용 전후 값은 다음과 같이 비교한다. 충격계수를 i 로 두면 동적 축하중은 P_d = (1+i)P 이다. 여기서 P 는 정적 축하중(kN), i 는 충격계수(무차원)다. 입력 값이 상식 범위인지 확인하기 위해 i 가 0 보다 크고 1 보다 작은지 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

차량 활하중의 근거는 도로교설계기준(한계상태설계법)과 「도로법」상 운행제한 규정이다. 운행제한 규정은 설계 활하중 자체를 정하지 않으나, 실제 차량의 축하중 상한을 정하므로 설계 입력 값의 검증 기준으로 쓴다. 기준값을 표로 정리하면 다음과 같다.