The 12-재료역학편 2/12

The 12 - 재료역학편 2/12

강도, 강성, 안정성

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The 12 - 재료역학편 2/12 강도, 강성, 안정성 시작하겠습니다.

우선 재료역학이라는 용어에 대해서 확실하게 정의하고 넘어가겠습니다. 재료라는 단어가 화학적인 냄새를 풍기기 때문에 오해를 일으킬 수 있지만, 재료역학은 물질의 역학적 성질을 밝혀내어 이 역학적 성질로부터 어떤 구조물에 작용되는 힘과 운동을 알아내는 학문입니다.

쉽게 말해서

• 여러분들이 살면서 수없이 접하는 많은 토목구조물 (아파트, 교량, 터널 등등) 에는 철근, 콘크리트, 케이블, 나무, 강재(철) 등 여러가지 재료 들이 사용됩니다.
• 이 재료들은 서로 다른 역학적 특성을 나타내는데, 이를 탐구하는 학문이 바로 재료역학입니다.

그림 1 구리암사대교 (http://blog.hyundai.co.kr/Group-Story/Co-efficient/hyundai-group-seoul.blg)

그렇다면, 역학적 특성 이 뭘까요?
어떤 재료의 역학적 특성이라고 한다면 사실 수없이 많은 요소들이 있을 텐데요. 구조물을 설계함에 있어서 결정적인(critical) 요소는 크게 3가지가 있습니다.

(1) 가장 중요한 것은 강도(Strength)입니다.
왜 강도가 중요한지 이해가 안되는 분은 없겠죠? 간단하게 말해서 무너지면 안되기 때문입니다! 바로 안전을 위함이죠.

(2) 여기서 부터는 비전공자분들이나 이제 토목을 공부하기 시작하신 분들에게는 생소한 개념입니다.
바로 강성(Stiffness)인데요. 강성은 실제 현장에서도, 학계에서도 강성이라는 단어보다는 Stiffness라는 영어단어가 외래어처럼 통용되기 때문에 처음부터 Stiffness라는 용어를 익혀두는 것이 좋습니다.
(필자도 이 개념을 헷갈려서 애먹었습니다ㅠ)

특히, 우리를 헷갈리게 하는 많은 용어들이 있습니다.
Rigidity, Brittle, Ductile
(마찬가지로 이 단어 자체로 익혀두는 것이 두고두고 좋습니다. 공부할 때도, 현장에 나가서도요^^)

자 이제 깔끔하게 정리해드립니다.

• Stiffness
  Stiff하다는 용어는 뻣뻣하다는 뜻으로 이해하면 쉽습니다. 즉, 어떤 재료가 Stiff하다면 잘 휘지않는다. 휨 변형에 저항이 크다. 이렇게 이해하시면 됩니다. (휨 변형이 무슨말인지 생소하시죠? 이 이야기는 다음에 다루도록 하겠습니다. 지금은 일단 그렇다치고 넘어갑시다.)
• Brittle
  Brittle하다는 용어는 Stiff하다는 용어와 유의어 입니다. 하지만 Stiff ness 와는 그 쓰임새에서 차이가 있습니다. 흔히 Stiffness라고 하면 뻣뻣한 정도를 나타내는 용어로 사용합니다.
  예를들면 “저 철근콘크리트의 Stiffness는 어때?” “아 저건 꽤 Brittle합니다.”
  이렇게 사용합니다. 그리고 여기서 머리 속에 정립해야할 것이 토목에서는 재료가 Brittle한 것을 선호하지 않습니다.(매우중요)
  Brittle하다. > 잘 휘지 않는다. > 강도를 초과하는 힘이 가해졌을때(overload) 티가 나지 않는다. > 갑자기 뚝! 부러진다.(무너진다.) > 구조물을 유보수하거나, 사람들을 대피시키지 못한다. > 비극
• Ductile
  Brittle하다는 용어와 정반대의 뜻입니다. 용어의 위계와 사용법은 Brittle과 같습니다.
  예를들면 “저 철근콘크리트의 Stiffness는 어때?” “아 저건 꽤 Ductile합니다.”
  이렇게 사용합니다. Brittle과는 반대로 구조물에서 선호되는 방향입니다.
  Ductile하다. > 잘 휜다. > 강도를 초과하는 힘이 가해졌을때(overload) 티가 난다. > 구조물을 유보수하거나, 사람들을 대피시킬수 있다. > 사고예방

이 개념을 잘 이해하고 계시면 좋습니다.
물론, Ductility가 무한대로 가는 재료는 구조재료로 사용할 수가 없습니다. 고무줄로 건물을 만들 수는 없으니까요 :)
즉, 강도(Strength) 측면에서 충분히 안전하고, 강성(Stiffness) 측면에서 충분히 뻣뻣해야하는 것이 기본조건입니다.
이 기본조건을 만족시키는 범위 안에서 Ductile한 재료가 더 안전하다는 것입니다.

(3) 마지막 재료의 역학적 특성은 바로 좌굴(Buckling)에 관한 것입니다. 우선, 좌굴(Buckling)이라는 것이 생소하실 텐데요.

그림 2 좌굴(Buckling) (CivilDB - Civil Engineering Database /Buckling Analysis of Tubular Beam Columns)

플라스틱 자를 양끝에서 손으로 정확하게 수직으로 누르면 조금 압축되는가 싶다가(정말? 힘이 엄청센가ㅋㅋ) 갑자기 옆으로 휘어져 버리는 것을 실험해 볼 수 있습니다.

이런 현상이 좌굴인데요. 어려운말로 설명드리자면,
재료에 압축력을 가할 때 단순히 재료가 압축되는 것 외에도 또 하나의 힘의 평형을 이루는 상태가 존재합니다. 압축력에 대해서 재료가 단순히 수직으로 압축이 되는 상태에서는 재료의 탄성력이 압축력과 평형을 이루고 있는 것 인데요. 실제 재료에서는 휨변형에 따른 모멘트라는 옵션이 있기 때문에 힘의 평형을 이루는 데에 옆으로 휘어져 버리는 상태도 존재하게 되고 이를 우리가 좌굴이라고 합니다. (어렵죠? 구조역학에서 배우는 내용이니 개념만 보고 갑시다^^)

문제는 이 좌굴이 구조물의 파괴에 관련이 깊습니다.
아파트나 교량에 들어가는 콘크리트 기둥을 하나 생각해봅시다.
이 콘크리트 덩어리를 압축력으로 파괴하려면 얼마나 많은 사람과 차가 올라서야 할까요? 엄청나게 많이 필요하겠죠? 쉽게 말해서 무너질이유가 별로 없습니다.

그런데 이 기둥에 좌굴이 발생할 힘은 그렇게 크지 않다는 겁니다. 압축파괴보다는 좌굴이 더 잘 일어난다는 것이죠.(물론 Case by case) 즉, 어떤 구조물에서는 좌굴이 단순 압축파괴보다 더 작은 힘에서 일어나기 때문에 이 좌굴이 일어나는 힘이 구조물 전체의 결정적인 강도가되는 것입니다. 그래서 좌굴이 중요해용홍홍

무튼! 이 좌굴이 쉽게 일어나면 Unstable, 잘 안일어나면 Stable이라고 부릅니다. 그래서 이 역학적 특성을 안정성(Stability)라 합니다.

Note: 재료의 역학적성질

• 강도(Strength) 요구조건 : 안전성(Safety)
• 강성(Stiffness) 요구조건 : 사용성(Serviceability)
• 안정성(Stability) 요구조건 : 안정성(Safety)

그럼 The 12 - 재료역학편 2/12 강도, 강성, 안정성은 이정도로 하겠습니다!
다음 포스팅때 Stress, Strain 의 내용을 찾아뵙겠습니다.
The 12 - 재료역학편 3/12 에서 만나요!