1. 하중
1) 하중과 응력의 관계
하중(load) : 물체에 작용하는 외력 [Pa, N]
응력(stress) : 하중의 저항력의 세기 [Pa, N]
단위응력(unit stress) : 단위 면적 당 재료 내 저항력의 세기[Pa, N/㎡]
일반적으로 '힘'이라고 하는 것은 '외력'을 의미한다. 하중은 직접적인 힘을 의미하며 응력은 그 크기에 대항하여 재료 내에서 생기는 저항력 또는 변형력이라고 한다. 하중이 응력보다 큰 경우 재료의 변형이 발생하게 되며 원래의 모양이 변하게 된다.
재료의 세기를 비교하기 위해서 단위응력을 사용한다. 동일재료의 경우 단면적이 크면 응력이 크고 단면적이 작으면 응력도 작아진다.
2) 하중의 종류
① 압축하중 : 재료의 축 방향으로 압축되게 작용하는 하중
② 인장하중 : 재료의 축선 방향으로 늘어나게 작용하는 하중
③ 전단하중 : 재료를 가위로 자를려는 것처럼 하중단면에 평행하게 작용하는 하중
④ 비틀림 하중 : 재료를 비틀려고 하는 하중
⑤ 휨 하중 : 재료를 구부려 휘어지게 하는 하중
⑥ 충격하중 : 짧은 시간에 급격히 작용하는 하중
⑦ 반복하중 : 하중의 크기와 방향이 일정한 것
⑧ 교번하중 : 하중의 크기와 방향이 변화하는 것
3)외력에 의한 분류
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종류 |
기호 |
내용 |
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고정하중(사하중) |
D |
부재의 자체무게에 의해 생기는 단면력 |
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이동화중(활하중) |
L |
이동하중에 의해서 생기는 단면력 |
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지붕활하중 |
Lr |
지붕의 자체무게를 제외한 이동하중에 의해서 생기는 단면력 |
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적설하중 |
S |
눈에 의해서 생기는 단면력 |
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풍하중 |
W |
바람에 의해서 생기는 단면력 |
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지진하중 |
E |
지진에 의해서 생기는 단면력 |
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지하수압·토압 |
H |
분말 및 입자평재료의 횡압력에 의한 단면력 |
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온도하중 |
T |
열의 변화에 의해서 생기는 단면력 |
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유체하중 |
F |
유체의 중량 및 압력에 의한 단면력 |
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강우하중 |
R |
강우에 의해서 생기는 단면력 |
2. 응력
외력(外力)이 재료에 작용할 때 그 내부에 생기는 저항력. 변형력이라고도 하고 내력(內力)이라고도 한다.
응력은 외력이 증가함에 따라 증가하지만 이에는 한도가 있어서 응력이 그 재료 고유의 한도에 도달하면 외력에 저항할 수 없게 되어 그 재료는 마침내 파괴된다. 응력의 한도가 큰 재료일수록 강한 재료라고 할 수 있으며, 또 외력에 의해 생기는 응력이 그 재료의 한도 응력보다 작을수록 안전하다고 할 수 있다.
단위면적에 생기는 응력의 크기를 구하면 재료의 단면적이 달라도 일정한 값이 되어 재료의 강도를 알아보는 데 편리하다.
이와 같이 응력을 단위면적에 대한 크기로 나타낼 때 이것을 단위응력 또는 응력도(應力度)라고 한다.
부재의 형상에 따라 단면적이 달라지므로 같은 하중이 작용해도 응력의 크기는 달라진다.
3. 변형률
물체의 외력에 의한 모양이나 부피의 변화. 외력을 제거하면 원형 · 원상으로 되돌아가는 탄성 변형과, 힘을 제거해도 원상으로 되돌아가지 않는 영구변형 또는 소성변형(塑性變形)이 있다.
물리량으로서의 변형은 원래의 형상에 대한 어긋남의 비율로 표시된다.
4. 응력-변형률 선도
비례한도(A)내에서 외력을 제거하면 원형 · 원상으로 되돌아가는 탄성 변형구간을 의미한다.
외력이 항복점(B)을 넘게 되면 힘을 제거해도 원상으로 되돌아가지 않는 영구변형 또는 소성변형이 발생하며 극한강도(D)를 지나면 재료의 단면이 국부적으로 수축하는 네킹(necking) 현상이 발생하며 파단구간(E)을 지나면 재표가 끊어지는 파괴현상이 일어난다.
- 탄성영역과 항복, 변형경화, 네킹, 파단구간으로 구분
- 비례한도: 응력과 변형률이 비례하는 범위에서의 최대 응력, 후크의 법칙
- 항복응력: 응력이 증가하지 않는데도 변형률이 증가하는 점의 응력(탄성한도)
- 완전소성 영역: 변형률이 하중제거 후에도 회복되지 않고 변형이 잔존. 잔류변형, 소성
- 변형경화 영역: 항복점에 이른후 변형의 진행에 따라서 완만히 증대하는 현상.
- 네킹(necking): 시험편 단면이 국부적으로 수축하는 현상
- 파단: 파괴응력(fracture stress), 시험편이 파단될 때 생긴 응력
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