좌굴이란 무엇일까 ?가늘고 긴 기둥과 넓은 판에 압축력을 가하는 경우, 압축력이 작은 동안에는 압축력에 비례해서 단순하게 줄어들 뿐입니다.그러나 압축력이 어느 일정치를 넘으면 축과 면에 직각 방향으로 크게 휘어지는 현상과 주름이 나타나 압축력을 받아 들이는 능력이 감소해, 결국에는 붕괴해 버리고 맙니다.이와 같이 하중의 크기가 어느 일정치를 넘으면 변형 형상이 그때까지의 형상과 다른 형상으로 변화해, 하중을 견디는 능력이 감소하는 현상을 좌굴이라고 합니다. 또한 좌굴이 발생할 때의 하중을 좌굴하중이라고 합니다.흔히 볼 수 있는 콜라캔을 상하로 압축해 봅시다.처음에는 저항하지만, 더 힘을 가하면 캔(Can) 측면이 움푹 패이기 시작해, 이윽고 완전히 찌그러져 버리고 맙니다. 이것이 우리 주변에서 흔히 볼 수 있는 좌굴현상입니다. 좌굴은 부재의 형상과 작용하는 압축응력의 크기에 깊이 관련되어 있습니다. 지금부터 그 관계를 기둥과 평판(平板)에 대해서 상세히 살펴 봅시다. TIP 압축응력이 발생하는 경우에는 좌굴 할 가능성이 있습니다.특히 가늘고 긴 기둥과 넓은 판재 구조물은 설계 시 좌굴을 검토 할 필요가 있습니다. ● 기둥의 좌굴은 ?길이는 같아도 두께가 다른 두개의 기둥이 압축을 받을 때, 결과는 어떻게 될까요. 같은 압축력을 가한다. 오그라든다 좌굴해 크게 휜다. 두께는 같지만 길이가 다른 두 기둥의 경우는 어떻게 될까요. 같은 압축력을 가한다. 오그라든다 좌굴해 크게 휜다. ● 압축력과 좌굴하중의 관계ㆍ압축력이 작은 동안에는변형은 적기 때문에, 일반적으로 눈에는 보이지 않지만, 거의 같은 압축 변형입니다.이러한 압축변형은 가해진 힘에 비례합니다.즉, 2배의 힘으로 압축하면 2배 오그라듭니다. ㆍ압축력이 '어느 값'을 넘게 되면압축력이 작은 동안의 변형과는 완전히 다르게, 휘어지게 되며, 끊어지는 경우도 있습니다.이러한 변형은 갑자기 나타나며 순식간에 변형되는 것이 눈에 보일 정도로 성장합니다.이것을 좌굴이라고 하며, 이 때의 하중을 좌굴하중이라고 합니다.좌굴은 기둥이 가늘수록 또는 길수록 쉽게 발생합니다.구조물을 설계 할 때에는 '응력해석'과 마찬가지로 좌굴해석도 중요합니다. ● 좌굴모드(Mode) 좌굴은 동일형상의 부재에서도 부재 단부를 지지하는 상태(구속조건이라 부릅니다)가 다르면, 좌굴 하중의 크기 및 좌굴 패턴(Pattern)이 달라집니다.이러한 패턴을 '좌굴모드'라고 합니다.이하에 동일형상의 기둥부재에 대해 그 부재 단말의 구속조건 차이로 변형 모드와 좌굴하중이 달라지는 예를 나타냅니다. 좌굴하중이 작은 순서대로 나타냅니다.만일 양단이 회전단인 경우 단말계수를 n=1.0이라고 하면, 위로부터 n=0.25, 1.0, 2.04, 4.0이 됩니다. ● 오일러(EULER) 좌굴 오일러(EULER)는 이와 같은 기둥 부재의 좌굴현상을 이론적으로 연구했습니다.이를 기념으로, 오늘날에는 기둥의 좌굴에 관한 사항을 오일러 좌굴이라 부르고 있습니다.오일러 좌굴의 좌굴하중은 다음과 같이 이론식으로 간단하게 구할 수 있습니다. TIP 기둥의 좌굴은 압축응력이 클수록 또 부재 길이가 길 수록 발생하기 쉬워집니다.기둥부재의 좌굴은 오일러 좌굴로서 이론적으로 좌굴하중과 변형모드를 구할 수 있습니다. ● 평판의 좌굴은 ? 평판의 좌굴은 기둥보다 더 복잡합니다. 평판에서는 압축력뿐만이 아니라, 굽힘 모멘트, 전단력 등에 의해서도 부분적으로 압축응력이 발생해, 좌굴이 발생하기 때문입니다. ◇ 2변지지면의 바깥(外)굽힘좌굴 우선 기둥의 좌굴과 같은 개념으로, 아래 그림과 같이 세로변은 자유롭고 상하의 가로변은 단순지지인 장방형판이 상하방향에서 압축을 받아, 좌굴하는 경우를 생각해 보기로 합시다. ● 4변지지면 바깥(外)굽힘 좌굴 이어서 4변을 단순지지로 하여 상하 방향으로 압축하는 경우에는 어떻게 될까요. 그러면 작용하는 하중을 바꾸면 좌굴의 모드는 어떻게 변화할까요.? ◇ 면내(面內) 굽힘 좌굴 아래 그림과 같이 판의 면내에 하중을 작용시켜 굽힘 변형이 발생하도록 한 경우입니다. ◇ 전단 좌굴 전단력에 의해 발생하는 좌굴입니다. ● 이러한 때에 좌굴해석을 사용하자. 좌굴은 부재의 압축응력이 어느 정도의 크기를 넘으면 발생합니다.압축력과 같은 한쪽 방향의 하중만이 아니라 굽힘 모멘트와 전단력에서도 좌굴은 발생합니다.또한 구조에 따라서는 인장력에 있어서도, 부분적으로 압축력이 작용하는 일이 있고, 좌굴이 발생하는 경우도 있습니다.굽힘을 받는 보와 관(은 굽힘 평면의 외측에서는 인장이 되지만, 내측에서는 압축이 되어, 좌굴하는 일이 있습니다.전단력을 받는 판자의 경사 방향에는 압축력이 발생합니다. 이와 같이 가늘고 긴 보와 넓은 판에서는 좌굴 가능성이 있으므로 설계 시 좌굴하중을 검토하거나, 그 좌굴 모드를 체크하는 것이 필요합니다.좌굴하중이 적으면 부재는 쉽게 좌굴되므로, 설계에서는 충분한 좌굴강도 즉 큰 좌굴하중을 가지도록 설계해야 합니다.따라서 판의 두께를 두껍게 하거나, 단면적을 크게 하는 것이 효과적인 방법입니다좌굴의 가능성과 좌굴하중은 CAE의 '좌굴 해석기능'을 이용하면 쉽게 확인할 수 있습니다. TIPCAE로 좌굴하중과 좌굴모드를 구할 수 있습니다.응력해석으로 응력과변형을, 좌굴해석으로 좌굴강도를 체크하는 것도 필요합니다.특히 가늘고 긴 부재, 두꺼운 판자의 넓은 부재에 대해서는 좌굴강도의 체크가 중요합니다. 하중이란 무엇이며 작용방법에 따른 분류를 해보자▶ 자료출처 : MSC SOFTWARE
