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응력(Stress, 應力)이란 어떤 부재에 외력이 작용했을 때 이 힘에 저항하기 위해 내부에서 발생하는 힘을 말합니다. 말 그대로 내부에서 일어나는 스트레스입니다. 여기서 저항한다는 것은 변형되지 않고 정지상태를 유지한다는 뜻입니다. 외력이 작용할 때 변형되지 않고 그대로 있으려면 외력에 대응하는 내부의 힘이 있어야만 합니다.
응력이라는 개념이 언뜻 이해되지 않기도 합니다. 그런데 막대 양쪽 끝을 잡고 당겼을 때 막대가 늘어나지 않고 그대로 있다면 당연히 막대 내부에는 이 인장력에 대응하는 힘이 있어야 합니다. 막대를 잡아당기는 힘에 저항하는 힘이 있기 때문에 늘어나지 않고 안정된 상태를 유지하겠지요. 고무줄은 내부 응력이 작기 때문에 쭉 늘어나게 됩니다. 이렇게 외력에 대해 내부에서 발생하는 저항력을 응력이라고 할 수 있습니다.
응력은 영어로 Stress
응력의 영어 표현인 Stress에 대해 살펴보겠습니다. 스트레스라는 말은 일상적으로 더 많이 사용되는 것 같습니다. 이 말은 라틴어 'Strictus, Stringere'에서 유래했다고 하는데 '팽팽하게 죄다'라는 뜻이라고 합니다. 어떤 물체에 외력을 가하면 변형(Strain; 스트레인)이 발생합니다. 이 변형에 맞서 평형상태를 유지하기 위해 내부 상호간에 발생하는 힘으로 '팽팽하게 죄는' 힘이 스트레스의 원래 의미입니다.
우리가 스트레스를 받으면 근육이 긴장되고 뻣뻣해지는 느낌을 표현하는 것이기도 합니다. 어쨌든 영어의 Stress가 외력에 대한 대응력으로서 평형상태를 유지하기 위해 내부에서 발생하는 힘이라는 의미를 더 명확히 나타내는 것 같습니다.
응력의 단위
응력은 외력에 짝을 이루어 대응하는 힘이므로 단위는 뉴튼(N)이 됩니다. 모든 재료는 외력이 작용했을 때 저항하는 능력이 다르게 나타납니다. 각각의 재료가 가진 응력을 비교하기 위해 응력도라는 개념을 사용합니다.
응력도는 힘을 단위면적으로 나눈 값(N/mm²)입니다. 재료의 두께가 달라지면 저항하는 능력이 달라지기 때문에 동일한 단면적으로 비교해서 나타낸 값입니다. 즉 단위면적당(1 mm²) 응력의 크기가 얼마나 되는지 나타낸 것이 응력도입니다. 재료의 응력도를 알면 외력이 작용할 때 이 힘에 저항하기 위해 부재의 크기를 어느 정도로 해야 할지 구할 수 있습니다.
응력의 종류
부재를 잡아당기면 늘어나고, 누르면 찌그러지며, 구부리면 휘어지고, 엇갈리게 누르면 비스듬히 미끄러집니다. 외력이 작용하는 방식에 대응하여 각각 인장, 압축, 휨, 전단응력이라고 부릅니다.
인장과 압축은 부재의 축방향으로 늘어나거나 줄어들어 축력(축방향력)으로 묶을 수 있습니다. 휨이나 전단도 결국 내부에서 인장과 압축이 복합적으로 작용해서 생기는 것으로 파악할 수 있기 때문에 인장과 압축은 가장 기본적인 응력이라고 할 수 있습니다. 비틀림응력도 있지만 많이 발생하지는 않습니다.
▶ 인장응력
▶ 압축응력
▶ 휨응력
▶ 전단응력
인장응력은 부재의 길이방향으로 잡아당기는 힘이 작용할 때 발생합니다. 주변에서 볼 수 있는 거미줄이 대표적입니다. 이처럼 인장응력만으로 버티게 만들면 부재가 가늘어도 충분히 버틸 수 있어서 날렵한 형태로 만들 수 있습니다.
압축응력은 부재를 길이방향으로 누르는 힘이 작용할 때 발생합니다. 건물에서는 주로 기둥에서 발생하는 응력입니다. 달걀이나 조개껍질에 외력이 작용할 때도 껍질 내부에는 주로 압축응력이 발생합니다. 완만한 곡선 때문에 압축응력이 생기는데 이런 방식으로 저항하는 구조시스템을 쉘(Shell) 구조라고 합니다.
휨응력은 가로로 놓인 부재를 누를 때 구부러지면서 발생합니다. 내부 공간을 육면체로 만들려면 보처럼 가로로 놓이는 부재가 필요한데, 이 보는 중력 방향을 가로질러서 놓이기 때문에 가운데가 구부러집니다. 휨응력은 결국 압축과 인장이 복합적으로 작용하는 것으로 분해할 수 있습니다.
전단응력은 부재에 엇갈리게 누르는 힘이 작용할 때 발생합니다. 두 판을 볼트로 체결한 후 서로 엇갈리게 당기면 볼트에는 전단응력이 발생합니다. 전단응력도 결국 압축과 인장이 복합적으로 작용하는 것으로 분해할 수 있습니다.
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