강성 (stiffness)
쉽게 풀면
구조물이 힘을 받았을 때 얼마나 안 휘어지는지를 나타내는 값이에요. 딱딱한 플라스틱 자와 얇은 대나무 자를 같은 힘으로 눌러보면 플라스틱 자는 거의 휘지 않는데, 이렇게 같은 힘에도 덜 변형되는 정도가 바로 강성이다. 강성이 크다고 해서 반드시 더 튼튼하다는 뜻은 아니라는 점이 흥미로운 부분이다. 같은 힘을 받았을 때 얼마나 적게 변형되는지를 나타내는 값으로, 뻣뻣할수록 강성이 크다고 말한다.
왜 중요한가
부재나 구조물이 외력을 받았을 때 변형에 저항하는 정도를 나타내는 물리량으로, 강도(파괴에 대한 저항)와 구분되는 개념이며 층간변위 제어와 진동 특성 분석에 핵심적으로 활용되는 구조공학의 기본 개념으로 다뤄진다. 건물 전체의 강성이 부족하면 바람이 강하지 않아도 상부층에서 사람이 흔들림을 체감할 수 있어, 초고층 건물에서는 강도뿐 아니라 사용성 관점의 강성 확보도 중요하게 다뤄진다. 구조물 전체의 강성은 각 부재의 강성이 어떻게 조합되어 연결되는지에 따라 달라져, 개별 부재가 강해도 전체 시스템은 유연하게 거동할 수 있다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
단면 춤 증가가 보의 강성을 높여 처짐을 줄인 관계를 설명한다.
전단벽처럼 강성이 큰 부재를 추가하면 골조 전체의 횡변위를 효과적으로 줄일 수 있음을 보여주는 결과이다.
조금 더 깊게 보면
강성이 크다고 반드시 강도가 높은 것은 아니어서, 두 개념은 종종 혼동되지만 명확히 구분해야 하는데 강성은 변형의 정도를, 강도는 파괴에 이르는 저항력을 나타낸다는 차이가 구조설계에서 각기 다른 검토항목으로 다뤄지는 이유다. 강성은 재료의 탄성계수, 부재의 단면 형상, 부재의 길이와 지지조건에 따라 결정되며, 강도가 높은 재료라도 단면이 얇고 길면 강성은 오히려 낮아질 수 있어 강도와 강성은 서로 다른 개념으로 구분해야 한다.
주의할 점
강성은 재료의 탄성계수뿐 아니라 부재의 단면 형상, 길이, 지지 조건에 의해서도 결정되므로 재료 강도가 높다고 강성도 반드시 높은 것은 아니다. 강성이 지나치게 큰 부재는 지진 시 오히려 더 큰 힘을 끌어들일 수 있어, 무조건 강성을 높이는 것이 항상 유리한 것은 아니라는 점에 유의해야 한다.