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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.
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.
▶ 케이블의 형태
재료역학에 대한 자세한 설명은 다음을 참고하시기 바랍니다.
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