응력의 기본 상태- 응력의 특징

응력의 기본 상태

응력(stress) : 외력을 받는 구조물이 평형을 이루고 있을 때, 단위 면적당 부재의 단면에 발생하는 단면의 저항능력

• 축방향 응력 : 압축응력, 인장응력
• 전단응력
• 휨응력

축방향 응력

• 압축응력(compressive stress)
• 단순압축응력, 좌굴
• 인장(tensional stress)
• 인장응력(tensional stress)
• 전단 응력(shear stress)
• 휨 응력(bending stress, flexural stress)

단순인장

• 인장(tension):재료의 분자가 서로 당기어 분리되려는 응력상태
• 인장변형율 : 단위길이당 늘어난 길이 - (길이/길이)
• 인장응력 : 단위면적당 받는 힘 - (힘/면적)
• hooke's law 적용가능 : 응력=탄성계수x변형율

탄성범위내의 거동

• 케이블의 늘어난 길이는 케이블의 단면적, 하중, 길이에 영향을 받는다.
• 케이블의 단면적과 늘어난 길이는 반비례합니다.
• 하중과 길이에 비례합니다.

 

대표적 인장재료

• 강철 케이블
• 합금 알루미늄 케이블
• 인장 혹은 압축을 받을 경우 단면 형상의 변화
• 프아송 비(poisson's ratio): 하중방향의 수직방향의 변형에 대한 비율

단순압축

• 재료의 분자가 서로 밀치는 응력상태
• 압축력이 작용하는 기둥
• 기둥의 높이는 축소된다
• 축소 : 압축의 특성
• 압축변형은 압축응력에 비례합니다.

 

단순압축부재

• 흔한 형태로 존재
• 그리스 석조신전, 구조물 내 기둥
• 대표적 압축부재
• 석재, 콘크리트, 모르타르
• 인장력에 취약 - 콘크리트의 인장강도, 압축강도의 1/10배
• 강철 : 콘크리트에 비해 큰 압축강도 보유 - 가늘고 높은 구조물 탄생에 기여
• 가늘고 긴 압축부재의 특성 : 압축항복강도 이전에 좌굴에 의한 파괴가 우선할 수 있다.

좌굴

• 압축을 받는 가늘고 긴 부재의 변형 특성
• 길이가 축소되는 압축변형과 구부러지는 좌굴변형이 동시에 작용
• 축소되는 값보다 구부러지는 변형값이 커져 종국에는 파괴 현상 초래

• 구부러지는 특성(좌굴)
• 구부러지는 순간의 하중 : 좌굴 하중
• 단면이 작은 즉, 가는 압축부재의 경우 기본설계 고려요소

하중(에너지의 전달경로)

• 전달되기 쉬운 경로로 하중 전달
• 예) 전체 단면에서 취약한 부분(균열)이 존재한다면 하중은 균열에 집중되어 균열면이 점차 확대되는 현상
• 좌굴하중이 압축파괴하중보다 작으면 좌굴에 의한 에너지소산으로 파괴가 초래됩니다.

좌굴(buckling)

기둥의 좌굴

• 하중이 단면 중심에 작용하고 재료가 등방성을 가진다 할 지라도 좌굴 발생합니다.
• 편심하중, 재료의 결합, 단면의 비대칭성의 경우 좌굴이 촉진됩니다.
• 좌굴하중<압축항복하중
• 좌굴발생 - 기둥불안정상태 - 휘어짐 - 파괴발생

• 재료 탄성계수에 비례
• 기둥길이의 제곱에 반비례
• 단면형상(단면이차모멘트)에 반비례
• 단부 구속형탸에 영향을 받는다.

• 지점
• 좌굴 길이의 변화

단순 구속형태

• 완전구속(강접) - 모든 방향의 이동(회전, 수평, 수직)이 구속된다.
• 힌지(단순지지) - 수직, 수평이동만 구속
• 단부에 대한 구속으로 좌굴 하중 증가

재료의 분자가 서로 미끄러지는 응력 상태

전단변형도

전단응력 : 전단 탄성계수 G : 탄성계수 E의 약 1/2

• 전단응력의 특성
• 수직평형을 이루기 위하여 크기가 같고 방향이 반대인 힘이 작용
• 회전평형을 이루기 위하여 반대방향의 힘 작용(수평전단력)
• 전단방향과 45도의 각을 만들면서 직교하는 인장과 압축의 합성
• 인장강도 낮은 재료는 전단방향과 45도를 이루는 방향에서 파괴
• 엷은 종이장은 압축응력의 방향에서 좌굴되므로 전단에 약함

비틀림전단

• 비틀림은 전단응력이 발생하므로 직교하는 인장 및 압축과 같아야합니다.
• 옷 짜기 : 비틀림으로 생긴 압축이 옷가지에서 물을 짜냅니다.
• 속이빈 단면(원형 강관):  비틀림에 대항하는 가장 효과적인 단면(게시판)

• 휨 : 동일부재에 서 섬유질에 압축과 인장이 조합되어 나타나는 현상
• 중립면,중립축
• 휨재의 거동