전단응력

보 부재에는 휨응력이 크게 생기지만 전단응력도 발생합니다. 중력방향으로 떨어지려는 보를 기둥이 위쪽으로 밀면서 서로 엇갈리는 힘이 작용하기 때문입니다. 전단력을 발생하면 평행사변형으로 변형됩니다. 전단변형도 압축과 인장으로 분해할 수 있습니다. 이렇게 분해해서 보면 보가 어떻게 파괴되는지 쉽게 이해할 수 있습니다.

 

▶ [힘과 응력] - 응력이란

▶ [힘과 응력] - 인장응력

▶ [힘과 응력] - 압축응력

▶ [힘과 응력] - 휨응력

 

전단변형

탄성이 있는 스티로폼을 직육면체로 잘라서 앞쪽을 바둑판처럼 그려보면 크기가 작은 사각형으로 나타낼 수 있습니다. 스티로폼 한쪽을 누르면 사각형 미소 입자는 사다리꼴로 변하고 휨응력이 발생합니다. 만일 스티로폼 위쪽을 아래쪽과 엇갈리게 밀면 사각형 미소 입자는 평행사변형으로 변하고 전단응력이 발생합니다. 이처럼 전단응력은 엇갈리는 힘이 작용해서 분자들이 서로 미끄러질 때 발생합니다.

 

휨응력과 전단응력이 작용할 때의 변형

 

두 부재를 결합하고 있는 리벳에 서로 엇갈리는 힘이 작용할 때 전단응력이 발생하는 것처럼 보에서도 비슷한 방식으로 전단응력이 발생합니다. 보는 중력 때문에 아래로 떨어지려고 하지만 기둥이 보를 붙잡고 떨어지지 못하게 막고 있기 때문에, 마치 기둥과 보가 엇갈리게 미끄러지는 것처럼 힘이 작용합니다. 

 

 

전단응력이 발생하면 미소 입자는 평행사변형으로 변형됩니다. 평행사변형은 대각선 방향으로 짧은 쪽과 긴 쪽이 있는데 각각 압축응력과 인장응력이 작용하는 방향으로 분해할 수 있습니다.

전단응력은 기둥과 보가 만나는 지점에서 가장 크게 나타납니다. 그리고 보의 경간을 따라 중앙으로 갈수록 점점 줄어들고 중앙부에서 가장 작게 나타납니다.

보의 휨 파괴, 전단 파괴

보 부재에는 휨응력과 전단응력이 경간을 따라 복잡하게 나타납니다. 휨응력도 경간을 따라 크기가 달라지지만 전단응력도 경간을 따라 달라집니다. 휨응력은 보 경간 중앙부에서 가장 크지만 전단응력은 기둥과 면한 위험단면에서 가장 크게 나타납니다.

휨응력과 전단응력은 압축과 인장으로 각각 분해할 수 있지만 분해되는 방향이 다릅니다. 따라서 인장응력이 발생하는 지점에서 어느 쪽으로 벌어지려는 힘이 작용하는지 이해하는 것이 중요합니다. 휨응력은 중앙부 하단에서 양옆으로 벌어지지만 전단응력은 단부에서 경사방향으로 벌어집니다.

 

보 부재에는 휨응력과 전단응력이 경간을 따라 복잡하게 작용한다.

 

콘크리트로 만들어진 보는 모멘트 때문에 중앙부가 아래쪽으로 휘지만 단부는 기둥에 고정되어 있기 때문에 위로 휜니다. 그래서 중앙부 하단쪽에 균열이 생기지만 기둥과 가까운 단부는 위쪽에 균열이 발생합니다. 

전단응력을 분해하면 대략 10시 방향과 5시 방향으로 인장응력이 작용하면서 늘어납니다. 경사지게 당기기 때문에 균열도 경사지게 생기는데 사인장(斜引張)균열이라고 합니다.

세라믹 계열에 속하는 돌과 콘크리트는 압축만 강하고 인장에는 약합니다. 구조계산에서는 콘크리트의 인장강도가 0이라고 간주합니다. 세라믹 재료는 탄성이 없어서 인장력을 받으면 늘어나지 않고 갈라집니다. 그래서 콘크리트로 보를 만들 때는 강재로 된 철근으로 보강해야 합니다. 문제는 어떻게 철근을 배치하느냐 인데, 기본적으로 인장력이 작용하는 곳에 늘어나는 방향으로 철근을 집어넣어야 콘크리트에 금이 가지 않습니다. 원리는 단순하지만 실제로 철근을 배치하는 방법은 꽤 복잡합니다. 

 

▶ 전단응력에 대응하는 보 스터럽 배근

▶ 휨 응력에 대응하는 보 주근 배근

 

구조재료로 많이 쓰는 재료 중에 압축과 인장에 모두 강한 것은 목재와 강재(Steel)입니다. 전통적으로 많이 써 온 목재는 압축보다 인장이 강한 편이고, 강재는 압축과 인장에 모두 강합니다.

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