건축물에서의 힘의 전달(하중 경로)

건축물에 작용하는 하중은 구조부재를 타고 어떻게 흘러갈까요? 하중은 건축물의 뼈대를 타고 매끄럽게 흘러서 지반에 전달되어야 합니다. 하중이 건축물의 뼈대를 따라 어떻게 전달되는 그 원리를 살펴보겠습니다.

 

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뉴턴의 제3법칙(작용과 반작용의 원리)

힘에 관한 고전적인 이론은 뉴턴에 의해 확립되었습니다. 건축물에서 하중이 전달되는 원리는 뉴튼의 제3법칙을 통해 이해할 수 있습니다.

 

 

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 반작용입니다. 모든 작용에는 그 크기가 같고 방향이 반대인 반작용이 있습니다. 즉 물체에 힘이 작용할 때면 항상 한 쌍의 힘으로 나타나는데, 한쪽이 작용해서 힘을 가하면 짝이 되는 반작용이 나타나게 됩니다.

 

구조 부재를 따라 힘이 흘러갈 때도 뉴턴의 제3법칙이 작용합니다. 서로 접합된 부재들은 작용과 반작용이 짝을 이루면서 힘을 전달합니다.

 

하중경로

우리는 슬래브 밑에 보를 두고 기둥으로 받치는 라멘(Rahmen)구조 방식을 많이 사용하는데 이때 보는 지붕이나 바닥의 무게를 지탱합니다. 사람이나 가구 등 활하중을 슬래브가 지탱하는 것처럼 보이지만 사실 보가 받치고 있어서 슬래브가 밑으로 무너지지 않습니다.

 

 

▶ 구조시스템의 분류

▶ 라멘구조

 

보에서 기둥으로 어떻게 하중이 전달되는지 살펴보기 위해 두 개의 기둥이 보를 받치고 있는 간단한 구조체를 살펴보겠습니다.

 

 

만일 보 위에 무게가 W 인 상자를 올려놓았다면 보에는 상자와 보 자체의 무게만큼 하중이 실리게 됩니다. 이 구조물이 안정된 상태를 유지하려면 상자 의 하중 P1과 보 자체의 하중 P2의 합이 R1과 R2 의 합과 같아야 합니다.

 

즉 P1 + P2 = R1 + R2

 

이렇게 분배된 반작용(반력) R1과 R2는 아래에 있는 기둥에 다시 하중으로 작용합니다. 기둥이 보를 받치고 있는 접합부에도 작용과 반작용이 짝을 이루어야만 하기 때문에 크기가 같고 방향이 반대인 힘이 기둥을 누르는 하중으로 변환됩니다. 즉 작용 R1과 R2는 각각 반작용 CP1, CP2로 변환되어 압축력을 기둥에 가하게 됩니다.

 

이처럼 작용과 반작용이 짝을 이루면서 복잡하게 얽힌 구조 부재를 따라 힘이 전달됩니다.

 

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▶ [힘과 응력] - 뉴튼, 힘의 단위

▶ 힘의 개념/중량과 힘의 차이/스칼라와 벡터

▶ 힘의 표현(화살표), 힘의 합성과 분해

 

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