구조물의 지점과 절점

구조물을 만들 때 구조물을 지지하는 장소를 지점(Support)이라고 합니다.  구조물을 지지하는 지반과 같이 구조물에 작용하는 힘이 지반으로 전달되면 이 힘에 대응하는 반력을 발생하면서 지지하게 됩니다. 절점(Joint)은 구조물 내부의 부재와 부재 사이에서의 접합방식을 말합니다.

 

■ <이전 글> 구조물의 모델화와 자유물체도(Free body diagram)

 

지점의 종류

 

▒ 반력 = 뉴튼의 제3법칙(작용과 반작용의 원리)

각 지지점에서 발생하는 반력은 수직·수평방향의 변위와 회전을 구속하는 수만큼 발생하게 됩니다. 이것은 뉴튼의 제3법칙인 작용과 반작용의 원리를 따른 것입니다.

 

 

얼어붙은 호수 위에 올라섰을 때 얼음이 깨지지 않고 내 몸무게를 지탱하고 있다면 안정된 구조 위에 서 있다고 할 수 있습니다. 내 몸무게만큼의 힘을 얼음에 가하면 얼음도 그만큼의 힘으로 나를 밀어 올리기 때문에 안정된 상태가 유지됩니다. 

 

이것이 뉴턴의 제3법칙 작용과 반작용인데요, 모든 작용에는 그 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 있다는 원리입니다.  즉 물체에 힘이 작용할 때면 항상 한 쌍의 힘으로 나타나는데, 한쪽이 작용해서 힘을 가하면 짝이 되는 반작용이 나타나게 됩니다. 이것은 각 지점에서도 동일하게 나타나게 됩니다.

 

▒ 지점의 종류

지점을 만드는 방법은 고정단(Fixed), 회전단(Hinge), 이동단(Roller) 세 가지가 있습니다. 각각의 방식은 수직반력, 수평반력, 모멘트에 대해 저항가능한 범위에 따라 달라집니다. 이동단은 수직반력만 지지할 수 있고, 회전단은 수직반력과 수평반력만 지지할 수 있습니다. 고정단은 수직반력, 수평반력, 모멘트 세 가지 모두 지지할 수 있습니다.

 

 

이 지점을 기호로 나타낼 때는 보통 다음과 같이 나타냅니다.

 

 

▒ 이동단

이동단은 은 상하로만 고정이 되어있고 좌우로 자유롭게 이동이 가능하고 회전도 가능합니다. 영어 명칭이 롤러(Roller)인데요 마치 위로 들리지 않는 롤러가 달려있는 것처럼 생각하시면 됩니다. 그래서 상하로는 고정되어 있지만 좌우로 이동이 가능하고 회전도 가능한 상태입니다. 좌우로 이동이 가능하기 때문에 좌우로 미는 힘이 작용하면 이 힘에 저항할 수 있는 반력이 발생하지 않습니다. 하지만 건축물에서는 이동단을 거의 사용하지 않습니다.

 

 

▒ 회전단

롤러가 달린 이동단을 좌우로 움직이지 못하게 고정한 것이 회전단입니다. 예를 들어 나무판의 한쪽 끝을 못으로 박는다면 못때문에 이동하지는 못하겠지만 못을 중심으로 회전할 수 있습니다.  상하좌우로 고정되어 있기 때문에 수직·수평방향 반력이 발생하지만 모멘트는 전달되지 않습니다. 

 

▒ 고정단

강접합은 고정단을 의미하는데 이동도 회전도 되지 않는 지점입니다. 따라서 이 지점에서는 수직방향의 반력, 수평방향의 반력, 모멘트의 반력이 작용하기 때문에 모든 힘에 저항할 수 있게 됩니다. 

 

건축물에서는 이동단을 거의 사용하지 않고 회전단도 완전하게 회전단으로 설계하는 경우는 거의 없습니다.

교량은 경간의 거리도 길고 온도 변화에 따른 신축이 커서 이동단으로 하는 편이 교각에 미치는 영향을 줄일 수 있습니다. 그러나 건축물은 교량에 비해 경간이 비교적 작고 지지점이나 절점의 수도 매우 많습니다. 또 외장재로 덮어서 마감하기 때문에 온도의 변화가 교량보다는 작습니다. 따라서 이동단이나 회전단으로 만들면 설비배관이나 외장재 처리가 불편해질 수 있습니다.

 

정리하면 다음과 같습니다.

 

절점의 종류

구조물을 지지하는 지반 같은 지지부를 지점(Support)이라고 한다면 구조물 내부의 부재와 부재 사이에서의 접합방식을 절점(Joint)이라고 합니다. 이 절점에는 회전절점(Hinged joint), 고정절점(Fixed joint) 두 가지가 있습니다.

 

 

▒ 회전절점(Hinged joint)

회전절점은 핀절점, 힌지절점이라고도 합니다. 절점을 중심으로 부재가 자유롭게 회전할 수 있는 상태로 접합됩니다. 따라서 부재를 회전시키는 힘이 작용하더라도 이것에 저항하는 모멘트가 발생하지 않습니다. 압축력이나 인장력과 같은 힘만 전달됩니다.

 

회전절점으로 접합된 대표적인 구조방식이 트러스 구조입니다.

 

■ 트러스구조

 

회전절점은 보에 생기는 모멘트를 20% 이하로 전달하는 전단(단순)접합과 20∼90%를 전달하는 반강접합으로 할 수도 있습니다.

 

▒ 고정절점(Fixed joint)

고정절점은 강절점이라고도 하는데 접합부가 단단히 고정된 상태를 말합니다. 이 절점에서는 부재가 회전할 수 없도록 고정되어 있기 때문에 휨 모멘트도 전달하면서 압축력과 인장력도 전달됩니다.  

 

■ 강구조의 모멘트접합과 전단접합

 

철근콘크리트구조에서는 기둥과 큰보를 일체로 타설하기 때문에 대부분 고정절점이 됩니다.

 

실제 구조계산에서 절점을 어떻게 적용하는지는 다음 글을 참고하시기 바랍니다. 

▶ 구조역학의 기본 개념/ 구조물의 모델화/ 보의 하중 계산/ 일방향슬래브

 

■ <다음 글> 단순보와 구조역학

 

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