구조 해석의 하중 유형: 집중 하중과 분포 하중
정확한 보 설계를 위해 실제 힘을 모델링하는 방법.
힘을 올바르게 모델링하는 것이 공학에서 절반의 싸움입니다. 보 중앙에 서 있는 500파운드의 사람(집중 하중)은 지붕 전체에 고르게 분산된 500파운드의 눈(분포 하중)과는 매우 다른 내부 응력 분포를 만들어냅니다. 안전한 보를 설계하려면 이러한 하중 유형을 구분하고, 각각이 내부 전단력과 휨 모멘트로 어떻게 변환되는지를 이해해야 합니다.
집중 하중(점하중)
집중 하중(P)은 한 지점에 집중되어 작용하는 힘의 이상화된 표현입니다. 예로는 무거운 기계 장비, 수평 보 위에 놓이는 수직 기둥, 또는 사다리 위에 서 있는 사람 등이 있습니다. 집중 하중은 전단력도에 급격한 '불연속'을 만들고, 최대 휨 모멘트가 하중이 작용하는 바로 그 지점 아래에 발생하게 합니다.
등분포 하중 (UDL)
등분포 하중(UDL, w)은 lbs/ft 또는 kN/m 단위로 측정되는, 일정 길이에 균일하게 분산된 힘입니다. 고정 하중(바닥 자체의 무게 등)과 활하중(가구나 눈 등)은 일반적으로 UDL로 모델링됩니다. UDL은 포물선 형태의 휨 모멘트도를 만들어내며, 단순 지지된 경간의 경우 최대값이 중앙에서 발생합니다.
변화 분포 하중 (삼각형 하중)
모든 분포 하중이 균일한 것은 아닙니다. 옹벽에 작용하는 토압이나 물탱크의 수압은 '삼각형' 하중을 만들어냅니다. 상부에서는 0이고 하부로 갈수록 최대가 되는 형태입니다. 이러한 하중을 모델링하려면 하중 함수를 적분해야 합니다. 저희 계산기는 신속한 구조 검토를 위해 일반적인 분포 유형을 프리셋으로 제공하여 이 과정을 단순화합니다.
동적 하중과 정적 하중
위의 모든 내용은 정적 조건을 전제로 합니다. 실제로는 하중이 이동하거나(교량 위의 차량) 진동할 수 있습니다(바람이나 지진). 동적 하중은 종종 '충격 계수(Impact Factor)'를 적용하여 처리합니다. 즉, 정적 하중에 1.1에서 2.0을 곱하여 가속도와 진동으로 인한 최대 응력 증가를 보에서 견딜 수 있도록 설계합니다.
FAQ
발 하중은 집중 하중인가요, UDL인가요?
엄밀히 말하면 소면적 하중이지만, 대부분의 구조 부재 설계에서는 단순화를 위해 집중 하중으로 모델링합니다. 집중 하중으로 모델링하면 힘이 집중되므로 보수적인 설계가 됩니다.
UDL로부터 총 하중은 어떻게 계산하나요?
총 하중 = 단위 길이당 하중(w) × 경간 길이(L)입니다. 5m 보에 10 kN/m의 하중이 작용한다면 구조물에 작용하는 총 힘은 50 kN입니다.
하나의 보에 여러 집중 하중을 적용할 수 있나요?
그렇습니다. 이는 여러 개의 장선이 하나의 주요 보 위에 놓이는 주거용 설계에서 흔한 경우입니다. 구조 해석에서는 '중첩법(Superposition)'을 사용하여 각 하중의 결과를 더해 최종 총 처짐을 구합니다.