구조재료의 본질적 특성과 특징

구조재료의 본질적 특성

구조물의 변형

• 무한히 증가해서는 안됩니다.
• 하중이 제거된 이후에는 원래상태로 복원(탄성)

• 탄성거동
• 모든 재료는 어느 정도까지는 탄성의 성질을 지닙니다.
• 하중이 제거된 이후의 잔류변형이 없어야합니다.
• 어떠한 재료도 하중이 일정치를 넘으면 영구적인 변형을 피할 수 없습니다.
• 구조재료로서의 역할을 위해서는 탄성범위내의 응력을 받아야합니다.

탄성거동

• 선형탄성
• 하중과 변형이 비례관계
• 하중을 제거한 후 변형은 원위치
• 직선의 기울기 : 탄성계수

소성 : 하중이 제거된 이후에도 영구 변형을 나타내는 현상

소성거동 : 하중과 변형 관계가 더 이상 직선형태를 이루지 못하고 곡선을 나타내며 하중의 증가 없이도 변형이 증가하기도 하는 거동입니다. 하중 제거했을 때 변형은 존재(잔류변형)

소성특성의 이용 

지속적인 변형의 증가 : 구조물의 파괴를 예고

• 철근콘크리트 설계에의 적용 
• 보설계의 경우 하부의 인장철근이 먼저 항복하도록 철근량을 산정하는 것이 원칙
• 파괴에 대한 예고

구조재료의 선택 

환경 및 지역적 특성

Flow

• 고온, 느리게 가한 하중 : flow 특성을 지닌다.
• 저온, 빠르게 가한 하중 : flow 특성이 없다. 취약해집니다.

• 예 : 강철 (소성범위가 따르는 선형탄성범위를 가지는 재료)
• 영하 (-34oC) : 갑자기 취약해진다.
• 영상 (650oC) : 지속적인 플로우를 일으킨다.
• 화재 시 철골건물의 경우 재료보호를 위해 : 내화피복
• 철근콘크리트 건물의 경우 내부철근보호를 위해 : 피복두께 확보 

재료정수

• 탄성계수 (modulus of elasticity)
• 일반적인 구조재료의 활용 : 선형탄성범위에서의 능력만 사용
• 1kg/cm2의 재료를 본래길이의 2배로 늘릴 수 있는 이론상의 힘
• 단위 : 힘 / 면적
• 강철의 탄성계수 : 2,000,000kg/cm2

• 알루미늄의 탄성계수 : 700,000kg/cm2
• 콘크리트의 압축탄성계수 : 210,100kg/cm2

안전률

• 재료의 균질성, 재료의 항복과 강도특성, 하중의 연속성과 확정성, 건물의 목적 등에 의해 결정된다.
• 하중을 적용할 때 적용되거나 재료의 특성치를 산정할 때 사용된다.
• 확률이론적용
• 인간 생명 중시
• 예 : 학교, 관공서와 공장

극한강도

• 파괴되는 시점에서의 강도
• 극한하중
• 하중이 극한강도와 같은 응력을 일으킬 때 이 때의 하중
• 예) 300Kg/cm2의 단면이 10cm X 10cm인 콘크리트 기둥의 극한하중은 얼마인가를 생각해보겠습니다.

극한강도 설계법

• 철근콘크리트 구조물의 설계가 극한강도에 기초하여 설계하는 방법
• 재료의 능력을 최대한으로 활용할 수 있는 설계법입니다.

• 경제적인 설계법(이전의 허용응력도 설계법에 비해)
• 1.4D+1.7L : 1.4란 D(즉 사하중)의 1.4배를 부재에 작용하도록 하고 1.7이란 L(활하중)의 1.7배를 작용하도록 하중을 산정하라는 의미로 1.4와 1.7이 안전률 개념이다.
  
  

강재(steel)

철근콘크리트(reinforced concrete)

• 콘크리트 + 철근의 복합재료 (압축) (인장)
• 철근과 콘크리트의 부착성으로 상대적인 미끄러짐을 방지하여 일체화된 재료로서 활용
• 전 세계적으로 널리 사용되는 재료
• 선팽창계수가 유사합니다.

기타 철근 콘크리트

• 프리스트레스 콘크리트
• 포스트 텐션 콘크리트

콘크리트

• 물+자갈+시멘트+모래+혼화제의 혼합체
• 물과 시멘트가 반응(수화반응, 수화열 발생) - 응결(보양) - 28일 경과 이후 강도 결정됩니다.

콘크리트의 특성

• 물의(수화반응에 필요한 양보다) 초과 투여로 인해 수축작용을 합니다.
• 압축강도에 비해 상대적으로 낮은 인장강도를 지닙니다.
• 인장강도는 압축강도의 1/20
• 쉽게 구할 수 있는 재료로 이루어져 경제적입니다.
• 성형성이 좋습니다.
• 공사기간이 철골에 비해 길다.(28일 경과이후에 강도 발현)

• 거푸집공사비가 듭니다.
• 취성특성을 지닙니다.(갑작스런 파괴가 발생)
• 고강도 콘크리트 : 300kg/cm2이상의 콘크리트로 특성은 단면 크기를 줄일 수 있습니다. 고층건물에 적용이 가능합니다.
• 수중 콘크리트
• 매스 콘크리트

콘크리트의 취성 특성

• 항복강도 이후의 하중저항능력이 없습니다.
• 갑자기 파괴됩니다.
• 균열발생이 나타나게 됩니다.