양압력과 부력

개요

양압력과 부력은 모두 물이 구조물을 위로 미는 힘이다.

부력은 물체가 잠긴 부피만큼 밀어 올리는 상향 힘이다.

양압력은 구조물 바닥면 한 점마다 작용하는 상향 수압이다.

부력

부력은 아르키메데스 원리로 설명한다. 밀어낸 물의 무게와 같은 힘이다.

잠긴 부피를 V라 하면 부력은 물의 밀도, 중력가속도, 부피를 곱한 값이다.

부력의 단위는 N이다. 물체 전체의 부피로 정해지는 합력이다.

잠긴 체적이 클수록 부력이 커진다.

양압력

양압력은 정수압으로 본다. 바닥면에서 지하수위까지의 높이가 기준이다.

바닥 한 점에 작용하는 양압력 u는 물의 단위중량과 수두를 곱한 값이다.

바닥 전체 양압력의 합력 U는 u에 바닥 면적을 곱한 값이다.

양압력 u의 단위는 kPa, 즉 kN/m²다.

예제 계산

가상의 지하 저수조로 계산해 보자. 저판 면적은 80m²이고 수위 깊이는 4.0m다.

양압력 강도는 단위중량 9.81에 수두 4.0을 곱해 39.24kN/m²가 된다.

전체 상향력은 39.24에 면적 80을 곱한 3139.2kN이다.

자중 2400kN을 상향력으로 나누면 안전율은 0.76이다.

1.0 미만이므로 부상 위험이 있어 배수나 앵커로 보강해야 한다.

두 개념 비교

양압력과 부력은 둘 다 물이 위로 미는 힘이지만 관점과 작용 대상이 다르다.

부력은 잠긴 부피로 정해지는 전체 힘이고, 양압력은 저면에 걸리는 압력이다.

시험에서는 두 개념의 정의와 단위를 구분해 써야 한다.

부력 안전율은 자중을 부력으로 나눈 값으로 검토한다.

흔한 실수와 정리

흔한 실수는 지하수위를 평균 수위로 잡는 것이다. 설계는 최고 수위를 기준으로 한다.

부력 안전율을 계산하지 않고 자중만 비교하는 실수도 자주 나온다.

배수 대책만 쓰고 부상 방지 앵커나 저감 공법을 빠뜨리지 않도록 한다.

부상은 되메우기 전 우기 침수 때 가장 위험하다. 안전율로 판정한다.