열 하중과 침하 하중에 대해 알아보자

모든 구조물은 온도 변화에 노출되어 있고, 낮과 밤에 걸쳐 생겨나는 온도의 순환과 여름과 겨울 사이에 나타나는 온도의 긴 순환의 연속에 따라 그 모양과 치수가 변하게 됩니다. 

 

열 하중과 침하 하중

 

열팽창이나 수축으로 일어나는 치수 변화의 효과는 종종 큰 하중과 같습니다. 그것은 눈에 보이지 않기 때문에 매우 위험할 수 있습니다. 예를 들어, 300피트(91m) 길이의 스팬을 가진 강철 교량이 강 위에 놓여 있다고 가정해 보겠습니다. 그것이 평균온도 화씨 35˚ (섭씨 1.7˚) 되는 겨울에 건조되었다고 해봅시다. 더운 여름날에는 화씨 95˚ (섭씨 35˚)에 달하는 주변의 기온이 전달되어 교량이 팽창하게 됩니다. 다리 길이의 증가는 계산상 1.3인치로서 본래의 길이에 비하면 극히 작은 팽창입니다. 하지만 교각이 팽창이 일어나지 못하도록 한다면, 다리에는 그 길이를 겨울의 수치로 줄일 수 있는 수평 압축하중이 생겨날 수밖에 없습니다.

 

강철은 압축에 매우 강하므로 다리의 길이를 1.3인치 줄이려면 큰 압축하중이 필요하게 됩니다. 그 하중은 매우 높기 때문에 교량 설계하중을 지탱하기 위한 본래의 재료 강도의 50%만 남겨두고 강철 강도의 반이나 소모하게 됩니다. 그러한 과도한 하중을 제거하는 명확한 방법은 온도 변화에 따라 교량의 길이가 변동할 수 있도록 허용하는 일입니다. 그 방법은 보통 다리의 한쪽 끝을 로커(rocker)로 지지시킴으로써 이루어질 수 있습니다. 

 

열악적인 조건에 따라 골조들로 이루어진 고층빌딩과 공기조절이 이루어지고 있는 건물 역시 응력을 야기시킬 수도 있습니다. 위험한 결과를 수반하는 열팽창과 비슷한 상태가 큰 돔(dome)에서 일어나게 됩니다. 외부 온도가 오르고 내릴 때, 돔에는 팽창 또는 수축하는 경향이 있습니다. 늘 일정한 온도로 있는 지중 지지물에 의하여 그러한 수축은 억제되고 있기 때문에 돔은 대개 아래위로 움직이게 됩니다. 다시 말해, 돔이 숨쉬기하는 것입니다. 스팬이 200피트 (61m)나 되는 홀을 유리 벽으로 덮은 돔의 꼭대기는 온도 변화에 의하여 3인치 정도나 아래위로 숨을 쉬게 됩니다. 그래서 만일 유리 벽이 그 움직임에 따른다면 유리판들은 깨지게 될 것입니다. 그렇다면 특수형의 활동식 지지 방법으로 그런 위험성을 제거합니다.

 

돔의 한쪽이 다른 쪽보다 더 뜨거워질 경우, 매일 일어나는 열의 순환에 의해 더욱 복잡한 열 하중이 돔에 생겨납니다. 돔은 비대칭 꼴로 모양이 변하고 일그러지게 됩니다. 이런 변형에 의한 응력은 클 것이며, 계산하기도 어렵습니다. 

 

구조물이 어떠한 형태나 재료, 지지 상태 등의 성질에 의하여 온도에 따른 치수의 변화를 억제하려고 할 때, 구조물은 열 변화에 대하여 특히 민감하다는 것을 돔의 예를 통해 알 수 있습니다. 한편으로는, 하중을 받을 때 변형을 조건에 맞게 하기 위해서는 구조물에 강성이 필요하게 됩니다. 따라서 강성에 대한 요구와 열하증에 대한 요구는 서로 용납하지 않습니다. 무거운 하중과 작은 온도 변화에 견디기 위해서는 구조물을 완전히 강성으로 만들어도 좋을 것입니다. 큰 온도 변화와 비교적 작은 하중에 견디어야 할 때, 구조물은 그런 변화에 순응하도록 신축성 있게 해야 합니다. 다시 말해, 구조물이 그 하중 상태를 잘 지탱하기 위해서는 그것과 싸우기보다 그것에 굴복하게 합니다. 

 

열응력과 침하 응력은 하중보다는 처짐에 따른 응력의 실례입니다. 하중이 걸리지 않아도 응력을 받는 경우의 실례를 잠깐 살펴보겠습니다. 가락지의 한 부분을 잘라 버리고 다시 감쪽같이 용접해 놓습니다. 다시 가락지를 끊으면 갑자기 벌어지는데 그것은 그 속에 응력이 갇혀 있었기 때문입니다. 비슷한 상황을 압연 강철로 된 보에서 볼 수 있습니다. 보의 하나를 중간에서 톱으로 자르면, 두 부분은 벌어지며 반대 방향으로 휘어지게 됩니다. 이것은 강철의 압연 과정에서 어떤 크기의 응력이 갇혀 있었다는 것을 나타냅니다. 하중으로 말미암아 생기는 응력이 갇힌 응력에 첨가되고 안전응력 치를 넘게 되기 때문에 이러한 보는 하중을 받으면 파괴될 수 있습니다. 갇힌 응력은 프리스트레스트(prestressed)와 포스트 텐션(post-tensioned)의 철근 콘크리트 라든지 그 밖의 프리스트레스트 구조물에 유용하게 쓰입니다.