트러스(Truss)의 어원은 "함께 결합된 모음"이라는 뜻의 프랑스어 "Trousse"에서 나왔다고 알려져 있으며, 공학적인 의미의 트러스는 "몇 개의 직선 부재를 한 평면 내에서 연속된 삼각형의 뼈대 구조로 조립한 것"을 말합니다.
공학에서 트러스 구조를 성립시키기 위해서 아래와 같이 몇 가지 가정을 합니다.
① 트러스 부재의 연결은 핀으로 연결되어 모든 부재는 축력만을 전달한다.
② 모든 하중과 반력은 트러스격점에 재하된다.
③ 모든 부재는 직선이며 격점은 해당 부재의 교차점에 위치한다.
④ 트러스의 축방향 변형은 미소하여 전체 구조에 영향을 주지 않는다.
위의 가정을 만족하도록 만든 트러스 모형을 보며 트러스의 거동을 더욱 자세히 살펴봅시다.
옆의 그림과 같은 캔틸레버 트러스 모형에 연직방향으로 하중을 주면 아래 그림처럼 변형이 될 겁니다.
휘어진 부재는 압축을, 휘어지지 않은 곳은 인장을 받는 부재입니다. 사진의 트러스에서는 상현재(상부에 있는 부재)와 수직재는 인장을 , 하현재(하부에 있는 부재)와 사재(대각으로 위치한 부재)는 압축을 받는 것을 알 수 있습니다. 하지만 교량에 적용되는 규모가 큰 트러스의 경우 부재의 연결을 핀으로만 할 수 없고 보통 여러 개의 볼트나 리벳으로 연결합니다. 이 경우 첫 번째 가정에 어긋나 실제로는 부재에 축력과 함께 휨모멘트가 발생하게 되는데 전형적인 트러스구조에서는 휨모멘트의 영향이 그리 크지 않는 경우가 많습니다.
이러한 트러스의 가정은 구조계를 간단하게 하여 다소 복잡한 트러스의 수계산이 가능하도록 하였으나 요즈음에는 컴퓨터 하드웨어 및 소프트웨어의 발달로 굳이 이런 가정 하에서 설계를 진행하지 않습니다.
트러스 구조는 부재를 어떻게 배치하느냐에 따라 그 단면력이 달라지게 됩니다. 예를 들어, 위의 캔틸레버 트러스의 사재(경사 부재) 배치를 반대로 바꾸면 아래 그림과 같이 사재와 수직재의 단면력 방향(압축 ↔ 인장)이 바뀌게 됩니다. 트러스에 주로 적용되는 강재의 경우, 좌굴이 발생할 수 있는 압축력보다는 인장력을 받는 것이 더 효율적이므로(강재는 압축력보다 인장력에 더 강하다고 생각하시면 됩니다) 상대적으로 길이가 긴 사재가 인장를 받고 사재에 비해 길이가 짧아 좌굴에 대한 임계 하중이 큰 수직재가 압축을 받는것이 더 유리합니다. 따라서 아래 배치 중에서는 오른쪽의 구조가 더 효율적이라고 생각할 수 있습니다.
이렇게 트러스를 보다 효율적으로 만들기 위하여 과거 많은 엔지니어들이 연구를 하여 여러 가지 트러스의 형식이 나오게 되었는데, 트러스의 형상 및 부재 배치에 따라 Warren트러스, Howe트러스, K트러스, Pratt트러스, Parker트러스, Baltimore 트러스 등이 있습니다. 트러스의 종류에 대해서는 다음 포스트에서 기술하도록 하겠습니다.
트러스교는 이러한 트러스 구조를 교량의 주부재로 사용한 교량을 말하며 일반적인 트러스교의 구성은 아래 그림과 같습니다.
현재(상, 하현재)와 수직재, 사재가 연결되어 주트러스(Main Truss)를 이루며 횡방향 하중에 저항하기 위한 스터럿과 브레이싱이 설치됩니다. 차량등의 하중을 직접 받는 바닥판은 가로보와 세로보의 격자구조로 지지되며, 바닥판 하중은 이 격자구조의 가로보를 통하여 주트러스에 전달됩니다. 가로보는 트러스의 격점부에 위치하여 위의 트러스의 2번째 가정(하중은 격점에 재하된다)을 만족할 수 있도로 합니다.
트러스교는 강성이 크고 처짐이 작아 과거 보통 60~200m의 중/장경간 교량에 널리 사용되었으나, 부재 구성이 복잡하고 가설비가 비싼 편이며, 특히 응력변동이 큰 부재의 연결부 등이 피로등에 취약하여 이를 정기적으로 점검, 유지관리해야 하므로 유지관리 측면에서 많이 선호되지 않고 있습니다. 그리고 여러 부재가 복잡하게 얽혀있어 미관적으로 우수하지 않고 트러스교 하면 왠지 산업, 공장, 공단 같은 이미지가 있어 사람들에게 그다지 선호되지 않아 도심지에는 잘 적용되지 않고 있습니다. 국내의 트러스교는 조금 오래된 철도 교량이 대부분이며 트러스교 하면 철도교(철교)를 떠올리는 사람들도 많습니다. 포스트 작성을 위해 트러스교를 검색해 보니, 토목쪽 웹사이트 보다는 오히려 철도 관련 웹사이트에 사진 등의 정보가 더 많이 있었습니다.
강성이 크고 내풍 안전성이 좋은 트러스 형식은 현수교의 보강형(1900년대초의 여러 현수교 들 영종대교, 광안대교 등)으로 많이 사용되고 있으나 최근에는 복층 교량 등 특별한 경우가 아니면 그리 많이 적용되지 않고 있는 것 같습니다.
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