압축응력

기둥처럼 부재가 서 있는 방향(길이 방향)으로 가해지는 외부 힘을 축력(축방향력)이라고 합니다. 가장 기본이 되는 축력에는 인장응력과 압축응력이 있습니다. 축력을 받는 부재는 내부에 한 가지 응력만 발생하기 때문에 재료를 효율적으로 쓸 수 있습니다. 다만 압축을 받는 기둥은 찌그러지면서 휘어지는 경우가 많아 주의해야 합니다.

 

▶ 응력이란

▶ 인장응력

압축응력

기둥을 위에서 누르면 내부 입자들이 찌그러집니다. 기둥을 가로로 얇게 잘라서 보면, 내부 입자들이 눌리면서 똑같이 납작하게 됐다고 생각할 수 있습니다. 물론 가정한 것이기는 하지만 거의 평평하게 납작해집니다. 

기둥에 발생하는 압축응력

너무나 당연한 이야기지만 사실 기둥이 통통해지면 달라질 수 있습니다. 어쨌든 보통 크기의 기둥에서는 이 가정이 타당하다고 볼 수 있습니다. 축력이 작용하면 부재 내부 단면에 발생하는 응력은 매우 단순하게 나타나고(Uniform stress distribution), 기둥 내부에 있는 입자들은 서로 비슷하게 누르는 힘을 받습니다. 그래서 압축을 받는 기둥에는 압축력에 강한 재료만 쓰면 됩니다. 전통적으로 돌과 콘크리트가 압축력에 강하지요.

 

가늘고 긴(세장한) 부재가 압축력을 받을 때 옆으로 휘면서 부러지는 현상을 좌굴(Buckling)이라고 합니다.

 

▶ 기둥의 좌굴

▶ 기둥의 구조적 역할

 

세장한 기둥이 압축력을 받으면 자신의 최대 강도에 도달하기 전에 휘어서 부러지는 현상이 발생합니다. 압축을 받는 기둥은 압축파괴보다는 좌굴 때문에 일어나는 휨파괴가 더 중요합니다. 강구조의 기둥이나 트러스 부재는 반드시 압축력 때문에 발생할 수 있는 좌굴을 검토해야 합니다.

좌굴의 특성

그런데 좌굴 현상은 매우 복잡합니다. 재료 및 길이, 단면모양, 고정방법 등에 따라 좌굴되는 정도가 다르게 나타납니다. 한옥이나 고대 그리스 신전은 가운데가 불룩한 배흘림 양식이 많은데, 의장적인 면에서나 구조적인 면에서 매우 유리합니다. 기둥을 민자로 세우면 가운데가 오목하게 보일 수 있는데 배흘림으로 하면 이런 착시현상을 없앨 수 있고 가운데가 두꺼워져 좌굴현상도 줄일 수 있습니다.

 

좌굴은 길이에 민감한데 길이를 줄이면 길이의 제곱만큼 저항력이 커집니다. 그래서 기둥 길이가 두 배가 되면 좌굴에 대한 저항력은 1/4로 떨어집니다. 양끝단을 고정하는 방법도 좌굴에 영향을 미칩니다. 캔틸레버처럼 한끝을 고정하고 다른 끝이 회전하는 것보다는 양쪽을 핀으로 고정하면 좌굴능력도 4배로 증가합니다.

 

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