전단력(Shear Force)의 개념과 실제 작용 원리

이전 글에서 우리는 보(Beam)가 하중을 받으면 휘어지며 내부에서 굽힘 모멘트가 생긴다는 이야기를 했습니다. 그런데 구조물은 단순히 휘는 것만이 아니라, 하중을 받는 순간 내부에서 서로 미끄러지듯 움직이려는 힘도 생깁니다. 이 힘이 바로 전단력(Shear Force)입니다. 전단력은 구조물이 끊어지지 않고 형태를 유지하게 하는 숨은 주역입니다. 겉보기에는 단단한 철빔도, 실제로는 이 전단력에 의해 내부가 끊어지지 않도록 버티고 있는 것이죠. 지금부터 그 작용 원리를 천천히 살펴보겠습니다.

 

 

 

보가 하중을 받을 때, 내부에서는 무슨 일이 일어날까?

긴 철제 빔 위에 하중이 작용하면, 빔 전체에 걸쳐 압축과 인장이 발생하며 휘어집니다. 하지만 그뿐만 아니라, 상하 층 사이에서 미세하게 서로 미끄러지려는 힘이 동시에 발생합니다. 이 미끄러짐을 막아주는 저항력이 바로 전단력입니다. 즉, 굽힘 모멘트가 보를 ‘휘게 하는 힘’이라면, 전단력은 보를 ‘자르려는 힘’이라고 이해하면 됩니다. 한쪽 부분이 다른 쪽에 비해 아래로 움직이려 할 때, 보는 내부 응력을 통해 그 움직임을 억제합니다. 이 미세한 내부 저항이 쌓여 구조 전체를 지탱하게 되는 거죠.

 

 

전단력의 실제 예시

예를 들어 도마 위에 빵을 올려놓고 칼로 누르면, 칼날이 빵을 ‘자르려는 힘’을 주게 됩니다. 그 힘이 바로 전단력의 개념과 같습니다. 보 내부에서도 같은 일이 일어납니다. 하중이 작용하면 단면의 위쪽과 아래쪽이 서로 다른 방향으로 미끄러지려 하고, 그 차이를 버티기 위해 내부에서 전단응력이 생깁니다. 이 힘이 충분히 커지면 결국 재료가 ‘전단 파괴(Shear Failure)’를 일으키게 됩니다. 즉, 잘려나가듯 끊어지는 거죠. 그래서 설계자는 항상 굽힘뿐 아니라 전단력의 크기도 함께 계산해야 합니다.

 

 

전단력과 굽힘 모멘트의 관계

전단력과 굽힘 모멘트는 서로 완전히 분리된 개념이 아닙니다. 둘은 같은 하중에 의해 동시에 발생하며, 서로 밀접하게 연결되어 있습니다. 보에 작용하는 하중 분포를 보면, 하중이 작용하는 구간에서 전단력이 생기고, 그 전단력이 쌓이면서 굽힘 모멘트가 만들어집니다. 즉, 전단력은 굽힘 모멘트의 변화율이라고 할 수 있습니다. 전단력이 크면, 그 구간에서 모멘트가 빠르게 증가하거나 감소하게 됩니다. 그래서 구조 해석에서는 항상 “전단력 선도(Shear Force Diagram)”와 “굽힘 모멘트 선도(Bending Moment Diagram)”를 함께 그립니다.

 

 

전단력이 큰 부위는 어디일까?

보의 길이를 따라가며 하중이 작용하는 위치를 살펴보면, 지지점 근처에서 전단력이 가장 크게 나타납니다. 반대로, 가운데 부분에서는 전단력이 작지만 굽힘 모멘트가 커집니다.

쉽게 말해,

• 지지점 근처 → 전단력이 크다 (자르려는 힘 집중)
• 중앙부 → 굽힘 모멘트가 크다 (휘는 힘 집중)

따라서 보의 양쪽 끝부분은 전단 강도(Shear Strength)가 중요한 구간이고, 가운데는 굽힘 강도(Bending Strength)가 중요한 구간입니다.

 

 

전단응력(Shear Stress)이란?

전단력은 단면 전체에 고르게 분포하지 않습니다. 보의 높이를 기준으로 중앙 부분이 가장 큰 전단응력을 받게 됩니다. 이 응력 분포는 직사각형 단면이라면 가운데가 두껍게, 위아래로 갈수록 줄어드는 형태를 보입니다. 이 때문에 전단력에 강한 재료를 사용할 때는 재료의 전단 강도(Shear Strength)와 단면 형태를 함께 고려해야 합니다. 예를 들어 H형강은 중간의 웨브(웹 부분)가 전단력을 주로 담당하는 구조입니다. 이 얇은 판이 전단력을 버티며, 위아래 플랜지는 굽힘 모멘트를 버티죠.

결국 하나의 보 안에서도,

• 웹(web)은 전단을
• 플랜지(flange)는 굽힘을 서로 역할을 나누어 전체 구조를 지탱하고 있는 셈입니다.

 

 

 

전단력의 실제 사례

1. 교량의 하단부
   차량 하중이 통과할 때, 각 지점마다 전단력이 순간적으로 증가했다가 감소합니다. 이 변화가 반복되면 피로(fatigue) 현상이 일어날 수 있어 전단보강철근을 추가로 설치합니다.
2. 기계 부품의 핀 연결부
   핀이 축과 함께 회전하면서 하중을 받으면, 그 접촉면에서 전단응력이 발생합니다. 이 부위는 항상 ‘자르려는 힘’에 의해 손상되기 쉬워 세밀한 설계가 필요합니다.

철근콘크리트 보의 웹 균열
콘크리트는 인장에는 약하고 압축에는 강하지만, 전단에는 특히 취약하기 때문에 웹 부분에서 대각선 균열이 자주 발생합니다.
그래서 철근을 대각선으로 배치해 전단응력을 보강합니다.

 

 

 

마무리

전단력은 구조물의 보가 단순히 “휘지 않고” “끊어지지 않게 버티도록 도와주는 보이지 않는 힘”입니다. 굽힘 모멘트가 눈에 보이는 형태 변형을 설명한다면, 전단력은 그 내부의 저항을 설명하는 개념이죠. 결국, 모든 구조물은 이 두 힘이 함께 작용하며 균형을 이룹니다. 보는 휘어지기도 하고, 동시에 잘리지 않도록 버티기도 하는 것입니다. 그래서 진짜 설계자는 항상 “이 부재가 얼마나 휘는가?” 뿐 아니라 “이 부재가 어디서 잘릴 수 있는가?”를 함께 고려합니다.