질문 요약
바보같은 질문일수도 있지만, 6강에서 하중 P가 작용할 때 beam에 대한 shear stress를 구하시는데, 어째서 normal stress는 고려되지 않는지 궁금합니다. 5강에서 말씀하신 '하나의 트러스에는 하나의 하중만 작용한다'라는 것 때문인지, 그렇다면 어째서 그것이 shear stress인지 궁금합니다.
답변 요약
normal force(=N)도 shear force(=V)와 함께 고려됩니다. 다만 빔이 수평으로 있을 때는 어차피 0이라 고려될 필요가 없기 때문에 언급하지 않은 것입니다. Normal force를 고민하는 문제도 있으니 아래의 링크와 함께 공부해보시길 바랍니다. https://godjunpyo.com/기울어진-보의-sfd와-bmd/
Unsplash 추천 이미지 (키워드 : Solid Mechanics, Shear Stress, Normal Stress, Beam Load, Structural Analysis, Mechanical Engineering )
왜 빔 하중에서 Normal Stress는 고려되지 않나요?
많은 기계공학 및 구조공학 학생들이 구조역학을 공부하면서 한 번쯤은 '왜 빔 하중에서 Normal Stress는 고려되지 않는가?'라는 질문을 던져봅니다. 이 질문은 특히 빔에 하중이 작용할 때 Shear Stress를 구하는 과정에서 자주 나옵니다. 그래서 이번 블로그에서는 이 질문에 대해 자세히 탐구해보겠습니다.
Normal Stress와 Shear Stress의 차이
먼저 Normal Stress와 Shear Stress가 무엇인지부터 알아보겠습니다. Normal Stress는 하중이 재료의 수직 방향으로 작용할 때 발생하는 응력입니다. 예를 들어, 기둥이 압축되거나 인장될 때 발생하는 응력이 Normal Stress입니다. 수식으로 나타내면 아래와 같습니다.
여기서
반면에 Shear Stress는 하중이 재료의 평행 방향으로 작용할 때 발생하는 응력입니다. 예를 들어, 가위로 종이를 자를 때 발생하는 힘이 Shear Stress에 해당합니다. 수식으로 나타내면 아래와 같습니다.
여기서
빔 하중에서 Normal Stress가 고려되지 않는 이유
이제 빔에 하중이 작용할 때 왜 Normal Stress는 고려되지 않는지 알아보겠습니다. 답변에서 이미 언급된 것처럼, 빔이 수평으로 있을 때 Normal Stress는 거의 0에 가깝기 때문에 고려될 필요가 없습니다. 실제로 빔 하중 분석에서는 대부분 전단력(Shear Force)과 굽힘 모멘트(Bending Moment)가 주요 관심사입니다.
이를 이해하기 위해 아래 그림을 참고해보세요:

위 그림에서 보듯이, 빔에 하중
트러스 분석과의 비교
이제 트러스와 빔을 비교해보겠습니다. 트러스는 구조물의 각 구성 요소가 축방향 하중만을 전달하는 구조입니다. 따라서 트러스 요소에서는 Normal Stress가 주요 관심사입니다. 반면에 빔은 굽힘과 전단에 의해 변형되기 때문에 Shear Stress와 굽힘 모멘트가 더 중요한 역할을 합니다.
실제 예제
이제 실제 예제를 통해 Normal Stress와 Shear Stress의 차이를 더 명확히 해보겠습니다. 다음은 수평 빔에 작용하는 하중을 분석한 예제입니다:
- 빔의 길이: 10m
- 하중
: 10kN - 단면적
: 0.02m²
먼저 Normal Stress를 계산해보겠습니다. 빔이 수평으로 놓여 있기 때문에, Normal Stress는 거의 0입니다. 따라서 다음과 같이 계산할 수 있습니다:
이제 Shear Stress를 계산해보겠습니다. 전단력
따라서 Shear Stress는 500kPa입니다. 이 예제에서도 볼 수 있듯이, 수평 빔에서는 Shear Stress가 주요 관심사입니다.
결론
결론적으로, 빔 하중 분석에서 Normal Stress가 고려되지 않는 이유는 빔이 수평으로 놓여 있을 때 Normal Stress가 거의 0에 가깝기 때문입니다. 대신 전단력(Shear Force)과 굽힘 모멘트(Bending Moment)가 주요 분석 대상입니다. 따라서 구조역학을 공부할 때는 항상 구조물의 형태와 하중의 방향을 고려하여 적절한 응력을 분석해야 합니다.
더 자세한 내용은 아래 링크를 참고해보세요:
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