구조 용어의 정의: 강성·강도·부재력

핵심 정리

강성은 구조물이나 구조부재의 변형에 대한 저항능력이다. 같은 힘을 받더라도 강성이 큰 구조물은 변형이 작게 생기고, 강성이 작은 구조물은 변형이 크게 생긴다. 강성은 힘과 변위의 관계로도 나타낸다. 구조물이나 부재에 발생한 변위 또는 회전에 대한 적용 힘 또는 모멘트의 비율이 강성이다.

강도는 구조물이나 구조부재가 외력에 의해 생기는 힘 또는 모멘트에 저항하는 능력이다. 설계에서 이 능력은 공식과 규정된 값으로 계산해 정한다. 구조역학 원리나 실험 결과로부터 유도된 공식과 규정된 재료강도·부재치수로 계산한 저항능력을 공칭강도라고 한다.

공칭강도는 저항능력이며, 사용하중에 하중계수를 곱한 값은 계수하중(소요강도)이다. 계수하중은 하중 쪽의 크기이므로 저항 쪽인 공칭강도와 방향이 다른 값이다. 설계 검토의 기본은 저항 쪽과 하중 쪽을 이렇게 나눠 보는 데 있다.

부재력은 하중 및 외력에 의하여 구조부재에 생기는 힘이나 모멘트이다. 부재력은 힘이나 모멘트 부재력은 구조부재 안에 생기는 힘과 모멘트를 가리키며, 부재가 그 힘을 견뎌야 한다는 점에서 강도와 짝을 이룬다. 응력은 이와 다르다. 부재의 단면에서 단위면적당 발생하는 내력의 크기가 응력이다.

설계에서는 강도감소계수가 함께 등장한다. 강도감소계수는 공칭강도에 곱한다 강도감소계수는 공칭강도에 곱하여 재료 강도와 시공상 불확실성을 고려하는 계수다. 강도감소계수를 적용한 강도는 공칭강도가 아니라 설계강도다. 강도가 충분하더라도 사용성이 확보되지 않으면 구조물은 제 기능을 하지 못한다.

자세히

공칭강도와 설계강도

공칭강도와 계수하중은 이름이 비슷해 혼동하기 쉽지만 역할이 다르다. 공칭강도는 부재가 버틸 수 있는 능력을 계산으로 정한 값이고, 계수하중은 작용하는 하중에 하중계수를 곱해 키운 값이다. 공칭강도를 계산하려면 공식, 규정된 재료강도, 부재치수가 필요하다. 설계는 이 두 쪽을 맞대어 저항 쪽이 하중 쪽을 감당하는지 확인하는 방식으로 진행된다.

다음 표는 이 쟁점에서 자주 맞바꿔 쓰이는 용어를 정리한 것이다.

표에서 공칭강도와 설계강도는 둘 다 저항 쪽이지만, 설계강도는 강도감소계수가 곱해진 뒤의 값이라는 점에서 다르다. 공칭강도를 그대로 설계에 쓰지 않고 한 번 낮춘 값을 쓰는 이유는 재료 강도와 시공상 불확실성을 반영하기 위해서다. 실수는 주로 이름이 비슷하다는 점과 계산 순서에서 생긴다. 공칭강도는 계산된 저항능력이고, 계수하중은 하중에 계수를 곱한 값이며, 설계강도는 공칭강도에 강도감소계수를 곱한 값이다. 순서를 기억하면 세 값을 헷갈리지 않는다.

실제 설계 검토에서는 계수하중이 설계강도를 넘지 않는지를 살핀다. 이 비교가 성립하려면 두 값을 하중 쪽과 저항 쪽으로 정확히 나눠 놓아야 하므로, 공칭강도를 계수하중으로 바꿔 쓰는 실수는 검토 결과 자체를 뒤집는다.

강성과 사용성

강성과 강도는 모두 부재의 성능을 나타내지만 묻는 대상이 다르다. 강도는 힘에 대한 저항이고 강성은 변형에 대한 저항이므로, 강성이 크다고 강도가 큰 것은 아니다. 두 값은 서로 독립된 성능으로 보고 따로 확인해야 한다. 강성을 힘과 변위의 비율로 나타내는 이유는 같은 힘을 받았을 때 얼마나 적게 변형하는지를 비교하기 위해서다. 이 비율은 구조물의 크기나 재료에 따라 달라지므로, 같은 힘이라도 구조물마다 변형의 크기가 다르게 나온다.

사용성은 강도와 별도로 검토된다. 구조물이 무너지지 않더라도 과도한 처짐이나 진동이 생기면 사용자가 불편을 느끼고, 균열이 생기면 외관과 내구에 문제가 생긴다. 사용성은 과도한 처짐, 진동, 장기변형과 균열에 저항하여 구조물 본래 모양 유지와 쾌적성을 확보하는 성능이다. 처짐은 변형이라는 점에서 강성과 가깝지만, 사용성은 사용자가 느끼는 기능의 문제를 다룬다는 점에서 강성과 구별된다.

변위를 다룰 때는 대상과 방향을 구분해야 한다. 층간변위처럼 층과 층 사이에서 생기는 변위는 방향과 기준을 함께 확인해야 한다. 같은 변위라도 어느 방향의 상대 변위인지에 따라 검토 결과가 달라진다.