인장응력

기둥처럼 부재가 서 있는 방향(길이 방향)으로 가해지는 외부 힘을 축력(축방향력)이라고 합니다. 축력은 기둥을 누를 수도 있지만 잡아당길 수도 있습니다. 축력을 받는 부재는 내부에 한 가지 응력만 발생하기 때문에 재료를 효율적으로 쓸 수 있습니다.

 

▶ 응력이란

▶ 압축응력

▶ 휨응력

▶ 전단응력

 

한쪽 끝을 고정하고 다른 끝은 자유롭게 회전할 수 있게 만들어진 외팔보를 캔틸레버(Cantilever)라고 합니다. 캔틸레버는 끝단이 휘어지면서 휨응력이 발생합니다. 휨응력이 발생하는 구조물에는 인장력과 압축력에 모두 강한 재료를 써야 합니다.

 

휨응력이 발생하는 캔틸레버와 트러스 형태의 인장 구조물

 

캔틸레버 끝에 끈을 매달아 고정하면 트러스처럼 안정된 구조물을 만들 수 있는데, 이 밧줄에는 늘어나면서 내부 분자들이 팽팽하게 당겨지는 응력이 발생합니다. 눌리거나 휘어지는 부재는 어느 정도 두꺼워야 하지만 인장만을 받는 부재는 가늘어도 충분히 지탱할 수 있습니다.

 

압축응력도 축력이지만 가늘면 휘어질 수 있기 때문에 두께가 있어야 합니다. 하지만 인장력은 하중을 받아 당겨지면서 형태가 유지되기때문에 좌굴과 같은 현상을 고려할 필요가 없습니다. 인장력이 강한 강재(Steel)를 쓰면 재료량을 줄일 수 있는데, 그래서 인장력을 이용한 구조시스템은 단순하면서 날렵한 형태가 많습니다.

 

 

인장구조가 얼마나 효율적인지 따져보기 위해 지름 5mm 철사가 얼마나 힘을 받을 수 있는지 따져보겠습니다. 철사의 재질에 따라 달라질테니 일단 철사의 인장 응력도는 240MPa(2,400kgf/cm²)라고 가정하겠습니다.

 

만일 철사의 지름이 5mm라면 응력도를 이용해서 몇 사람이나 매달릴  수 있을까요? 철사의 인장응력도로부터 철사가 부담할 수 있는 하중은 다음과 같이 계산할 수 있습니다. 

 

σ(응력도) = P(power)/A(area: 단면적) 이기 때문에 P= σ × A로 계산할 수 있습니다. 

 

우선 철사 5mm의 단면적을 계산하면 0.25x0.25x3.14 = 0.196cm² 입니다.

따라서 σ x A = 2,400(kgf/cm²) x 0.196(cm²) = 470 kg입니다.

 

결국 이 철사는 70kg 인 사람을 약 6명 까지 매달고도 50kg이 남습니다. 인장재는 단면적의 크기에 비례해서 지탱할 수 있기 때문에 이와 같은 계산방식은 모든 인장재에 적용할 수 있습니다. 그러나 이렇게 얇게 만들 수 없습니다. 압축재는 좌굴현상을 고려해야만 합니다.

 

▶ 케이블 구조의 역학

▶ 케이블의 형태

▶ 구조시스템의 분류

 

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