[FSCM KOR ver.] 파사드 구조 계산 매뉴얼 3.2 힘의 종류 편 3/3

 

들어가면서

 

오늘은 힘의 종류 편의 마지막 포스트로, 전단력 (shear force)과 비틀림력 (torsional force)에 대해서 다뤄보도록 하겠다. 두 힘은 비교적 간단한 파사드 구조 계산에서는 심각하게 고려하는 힘은 아니지만, 여전히 부재에 작용하는 대표적인 힘이다.

 

(1) 전단력 

 

전단력은 하나의 부재에 서로 다른 방향의 힘이 작용하여, 부재의 단면을 끓으려는 힘을 일컫는다. 가장 일상적인 예시로는 종이에 구멍을 내는 펀칭기가 있다. 펀칭기는 날카로운 칼날 부분을 이용해서 종이를 순간적으로 내리찍는다. 찍힌 에지에서는 전단력이 작용해, 종이를 끊어내는 것이다. 건축에서의 전단력의 작용은 어떠할까? 

 

전단력의 작용 Working of shear force

 

전단력을 받는 물체가 변형되는 양상을 살펴보면, 그림과 같이 사각형 단면이 마름모꼴을 이루면서 변형된다는 사실을 알 수 있다. 이때 마름모의 긴 대각선 방향으로는 인장력이, 짧은 대각선 방향으로는 압축력이 발생한다. 다시 말하면, 전단 응력은 부재 축의 대각선 방향으로 인장과 압축이 동시에 작용하는 응력이다. 전단 변형의 크기는 이제까지의 변형이(인장, 압축, 밴딩 모멘트의 변형) 길이의 수축, 팽창을 기준으로 하는 것과 달리 단면상 마름모 꼴로 움직인 각의 변화를 변형의 기준으로 삼는다. ¹

 

전단력에서의 단면 변화 Sectional change in shear force

 

따라서 전단력에 저항하는 부재는 부재의 전체 길이, 혹은 두께로 저항하는 것이 아니라 전단력이 가해지는 바로 그 부근의 단면이다. 그래서 전단 응력을 구할 때는 전단력을 힘을 받는 지점의 단면적으로 나누어 비율로 나타낸다. 

 

(2) 전단력을 받는 대표적인 건축 구조 부재

 

전단력을 받는 보 Beams in shear force

 

서로 다른 방향으로 엇갈리는 힘을 받는 건축 구조 부재는 전단력을 받는다. 예를 들어 기둥과 보가 만나는 부분에서 전단력이 발생한다. 기둥은 보를 정착하는 곳으로 기본적으로 보의 입장에서는 위로 솟구치는 방향의 힘을 갖는다. 그러나 또한 보는 중력으로 인해 중앙부에서부터 아래로 끌어당기는 힘을 받는다. 이렇게 두 가지 서로 다른 힘이 보에 존재하여 보는 휨과 동시에 전단력을 받게 되는 것이다.

 

전단 파괴면은 전단력이 가해지는 단면의 대각면이다. 전단력에 저항하기 위해 보에 철근을 심기도 하는데, 이를 스터럽 철근이라고 하며 전단력이 가해지는 지점에서 지면과 45도를 이루는 면에 배근된다.

 

(3) 비틀림력 

비틀림력의 작용 Working of torsional froce

 

비틀림력은 물체에 모멘트가 가해졌을 때 나타나는 변형 상태이다. 이 비틀림으로 인해서 모멘트의 반지름 방향과 직각 방향으로 부재는 전단 응력을 낸다. ² 일상적인 예시로 우리가 빨리를 짤 때 발생하는 힘이 비틀림인데, 양쪽에서 서로 다른 방향으로 물체가 돌아간다. 이때 빨래의 단면은 서로 다른 방향의 힘을 받으므로 전단력이 발생하는 것이다. 

 

건물 강성의 중심과 기하적 중심의 일치와 불일치 Building's accordance and disaccordance in center of rigidity and center of mass

 

건축에서 발생하는 비틀림력은 땅에 굳건히 자리 잡은 건물들의 중심이 일치하지 않을 때 외부의 하중에 대해서 저항하며 발생한다. 보통 풍력은 건물의 기하학적 중심 center of geometry, 지진력은 질량의 중심 center of mass에 가해지는 반면 건물의 강성의 중심 center of rigidity 은 건물의 단단한 심인 수직 코어 주변에 배치된다. ³ 이 세 중심이 일치한다면 외부 하중에 문제없이 견딜 수 있을 테지만, 중심이 일치하지 않으면 비틀림력이 발생할 수 있다. 예를 들어 코어가 한쪽 코너에 몰려 있는 경우를 생각해보자. 이때 풍하중은 건물의 기하적 중심에 가해진다. 그러나 건물은 코너에 꽉 붙잡혀 있는 상황이니, 코너를 마치 힌지로 하여 건물의 기하적 중심을 돌리려는 상황이 되는 것이다. 이러한 이유에서 고층 빌딩의 경우 건물의 코어가 생뚱맞게 배치되기 어려운 구조이나, 필요한 경우 댐퍼와 같은 기계 장치를 달아 건물의 중심이 하중에 의해 옮겨지려고 할 때마다 중심을 재배치하는 도구를 사용하기도 한다. 

 

나가면서

 

지금까지 부재에 작용하는 대표적인 힘인 인장력, 압축력, 밴딩 모멘트, 전단력, 그리고 비틀림력에 대해서 다루었다. 건축 부재는 위 힘들에 대항하여 내야 하는 응력에 따라서 부재 설계가 특화되어있다. 쉽게 얘기하자면 부재마다 잘하는 게 다르다는 것이다. 예를 들어 기둥은 압축력을 잘 다루고, 보는 밴딩 모멘트를 잘 다룬다. 하지만 이렇게 부재 자체의 능력이 좋다고 하더라도, 이들을 서로 잘 연결하여 전체적인 하중을 효과적으로 흡수하는 것은 또 다른 문제이다. 다음 포스트는 이러한 힘을 받는 부재들을 연결하고 체결하는 방법인 지점에 대해서 다룬다. 

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¹ 이주나, 박찬수, 건축과 구조, 2015

² 위키백과, 비틀림 ko.wikipedia.org/wiki/비틀림

³ 함인선, 구조의 구조, 발언, 2000

 

*note: 첨부된 스케치는 이주나, 박찬수 저 건축과 구조, 2015의 시각 자료를 참고하였습니다.