[FSCM KOR ver.] 파사드 구조 계산 매뉴얼 2.3 변형과 파괴의 양상 편

 

들어가면서

 

지난 챕터에서 우리는 변형과 파괴가 각각 무엇인지에 대해서 알아보았다. 잠시 복습해보자면 변형은 재료가 외부의 힘을 내부에서 소화하면서 벌어지는 변화였고, 파괴는 변형의 극단에서 재료가 힘을 버티지 못하고 끊어지거나 부수어지는 것을 뜻했다. 오늘은 변형과 파괴의 양상에 대한 이야기를 해보려고 한다. 

 

(1) 탄성과 소성 (Elsatic and Plastic)

 

 

• 탄성: 변형은 있으되 힘만 제거되면 원상태가 회복되는 성질
• 소성: 파괴되지는 않지만 힘이 제거된다고 해도 원상태로 회복되지는 않는 성질

모든 재료는 정도의 차이가 있겠지만 일정 정도의 탄성을 가지고 있다. 오른쪽의 그래프는 응력-변형율 그래프로, 탄성 고체에 외력을 가했을 때 나오는 선도이다.

 

그래프에 따르면 응력이 높아져도 변형률의 정도가 크지 않아 기울기가 매우 큰 구간이 바로 탄성 구간이다. 재료가 탄성 한계를 넘어서면 응력이 적어져도 변형률이 심해지는 구간이 발생하고, 이후로는 완만한 곡선을 이루며 적은 응력에도 큰 변형률을 보이는 소성 구간으로 연결된다.

 

예를 들어 고무줄을 잡아 당긴다고 생각해보자. 처음 고무줄을 늘일 때는 쉽게 원상태로 회복이 된다. 그러나 고무줄을 늘이고 줄이는 힘을 증가시키다 보면 어느 순간부터 고무줄은 원상태로 회복이 되지 않고 늘어난 상태를 유지한다. 따라서 고무줄은 탄성체라고 부른다. 그러나 탄성 구간이 거의 없는 재료도 있다. 적은 응력에도 바로 영구적인 변형을 하는 경우로 찰흙은 빚은 대로, 즉 응력이 작용한 대로 변형을 유지하는 소성체이다.

 

통상의 구조 설계는 응력이 재료의 탄성 한계를 넘어서지 않도록 하는 탄성 설계 방법을 이용한다. 하지만 구조물에 적절히 소성 상태를 도입하는 설계법도 있는데, 이를 소성 설계 방법이라고 한다. 

 

재료는 각기 다른 탄성 한계를 가지고 있으며 특정 재료의 경우 거의 소성 구간을 보이지 않는 재료도 있다. 이러한 재료를 취성 재료라고 하며, 취성에 대한 개념 설명은 뒤이어 연성과의 비교를 통해 다루어보도록 하겠다.

 

(2) 취성과 연성 (Brittleness and ductile)

 

탄성과 소성이 재료의 변형과 관련된 개념이었다면, 취성과 연성은 재료의 파괴와 괸련된 개념이라고 볼 수 있다. 

 

• 취성: 인장력이 작용했을 때 힘에 서서히 항복하는 과정 없이 바로 파단 되는 재료이다. 취성 재료는 앞서 이야기했던 소성 구간이 거의 없어 탄성 한계의 도달과 즉시 파괴되는 성질을 갖는다. 그러나 물체를 잡아당기는 힘이 아닌 누르는 힘이 압축력이 작용할 때는 연성 재료에 비해 대개 잘 견디는 속성을 지니고 있다. 대표적인 재료로는 유리, 콘크리트, 세라믹 등이 있다.
• 연성: 인장력이 작용했을 때 이에 반응하여 늘어날 수 있는 재료로 오른쪽 파단면에 대한 다이어그램을 보면 특징이 쉽게 이해된다. 연성 재료는 양쪽에서 잡아 당겼을 때 그림처럼 재료가 길게 늘어나는 과정을 거치다가 파괴되는 것을 확인할 수 있다. 이렇듯 재료의 파괴 이전에 큰 변형을 보여주기 때문에 구조 설계 시 사용하는 재료들은 대부분 연성 재료이다. 대표적인 재료로는 강철, 고무 등이 있다.

 

 

오른쪽 그래프는 각각 연성 재료의 응력-변형률 곡선, 취성 재료의 응력 변형율 곡선이다. 앞서도 이야기 했듯이 연성 재료는 기울기가 가파른 탄성 구간을 지나 기울기가 완만해지는 소성 구간을 갖지만, 취성 재료는 가파른 기울기의 탄성 구간을 지나면 그 즉시 재료가 파괴된다. 항복점이 곧 재료의 파괴점이라고 생각할 수 있다.

 

 

 

나가면서

이제 구조 계산 이전에 꼭 이해해야 하는 개념들에 대해서는 전부다루었다. 지금까지 하중, 응력, 반력, 평형, 변형과 파괴, 그리고 재료의 성질을 일컫는 개념인 탄성과 소성, 연성과 취성에 대해서 이야기했다. 앞으로는 구조 계산을 하면서 더욱 직접적으로 필요한 상기 개념들이 응용된 버전의 개념과 용어들을 다루게 된다. 좀 더 응용된 이야기들을 하기에 앞서서 바로 다음 챕터에서는 구조 계산 시에 힘을 표현하는 방법과 단위에 대해서 살펴본다.