전단력(Shear Force)의 개념과 실제 작용 원리

보에 작용하는 힘은 ‘미끄러지게 하려는 힘’도 포함한다

보에 하중이 작용하면 우리는 흔히 보가 휘어지는 모습부터 떠올리지만, 실제로 내부에서는 또 하나의 중요한 힘이 동시에 작용한다. 바로 단면을 서로 어긋나게 미끄러지게 하려는 힘, 즉 전단력이다. 보를 특정 위치에서 가상으로 잘라 보면, 위쪽과 아래쪽 부분이 서로 다른 방향으로 움직이려는 경향이 생기는데 이때 단면을 따라 발생하는 내부 저항이 전단력이다. 전단력은 눈에 잘 보이지 않지만, 보가 하나의 덩어리로 유지되도록 만드는 핵심적인 내부 작용력이다.

 

 

 

전단력은 굽힘의 ‘원인’이 아니라 ‘동반 현상’이다

많은 학습자가 전단력과 굽힘 모멘트를 독립적인 개념으로 받아들이지만, 실제로 이 둘은 하중 작용의 결과로 동시에 발생한다. 하중이 작용하면 보 내부에는 힘의 평형을 맞추기 위해 전단력이 생기고, 이 전단력이 거리 효과를 가지면 굽힘 모멘트로 이어진다. 즉, 전단력은 하중이 보 내부로 전달되는 과정에서 가장 먼저 나타나는 반응이며, 굽힘 모멘트는 그 결과로 축적되는 효과라고 볼 수 있다. 전단력을 이해하지 못하면 굽힘 모멘트의 분포 역시 제대로 이해하기 어렵다.

 

전단력이 작용하면 단면 내부에서는 ‘비틀린 전단 변형’이 발생한다

전단력이 작용할 때 보의 단면은 단순히 위아래로 갈라지지 않는다. 단면 내부에서는 위쪽과 아래쪽이 서로 어긋나며 미세한 각도 변화가 생기고, 이를 전단 변형이라고 한다. 특히 직사각형 단면에서는 단면 중앙부에서 전단 응력이 가장 크게 나타나며, 위·아래 표면에서는 상대적으로 작아진다. 이 분포 특성 때문에 전단 파괴는 단면 전체가 아니라 특정 영역에서 먼저 발생하는 경우가 많다. 전단력은 보를 끊어내는 힘이라기보다, 내부를 비틀어 결속을 약화시키는 힘에 가깝다.

 

전단력 선도는 하중 전달 경로를 보여준다

보 전체에서 전단력이 어떻게 분포하는지를 나타낸 것이 전단력 선도다. 이 선도를 보면 하중이 어느 지점에서 보로 전달되고, 그 하중이 어떻게 지점으로 흘러가는지를 시각적으로 이해할 수 있다. 집중 하중이 작용하는 지점에서는 전단력이 급격히 변하고, 분포 하중이 작용하는 구간에서는 전단력이 점진적으로 변한다. 전단력 선도는 단순한 계산 결과가 아니라, 보가 하중을 내부로 흡수하고 지지부로 전달하는 흐름을 나타낸 지도다.

 

전단력을 이해해야 보의 ‘숨은 파괴’를 막을 수 있다

많은 구조물에서 파괴는 최대 굽힘 모멘트 지점이 아니라, 전단력이 큰 구간에서 먼저 발생한다. 특히 짧고 두꺼운 보나 지점 근처에서는 전단 파괴가 지배적인 파괴 모드가 된다. 겉보기에는 충분히 두꺼워 보이는 부재가 갑자기 균열을 일으키는 이유도 여기에 있다. 전단력은 보의 안전성을 좌우하는 보이지 않는 요인이며, 이를 무시한 설계는 굽힘 계산이 아무리 정확해도 위험해질 수 있다. 결국 전단력이란 보를 내부에서 하나로 묶어 두는 힘이며, 이 힘의 한계를 이해하는 것이 보 설계의 완성이라고 할 수 있다.