[알쓸건잡_건축지식] 01. 항복강도와 인장응력🏳️ (응력-변형률 곡선)

응력-변형률 곡선을 통해 항복강도, 인장강도 그리고 파단강도의 차이점에 대해 설명하겠습니다.

 

 

응력 변형률 선도

 

- 고체역학에서 활용되는 응력-변형률 선도입니다.

- 건축 구조물이 하중에 대한 재료의 변형을 예측하여 안전한 재료를 선택하기 위해 필요합니다.

전체 목차는 아래 있습니다.

[알쓸건잡] 건설취준생을 위한 특집 컨텐츠 연재.

 

 

1. 기본 개념부터 알고 가자!

 

항복 ( 降伏: 항복할 항, 엎드릴 복) (영어: yield(양보하다))

- 외부의 힘에 의해 물체가 계속 버티다가 항복하고 변형이 시작되었다는 것

 

인장 ( 引張: 끌(당기다) 인, 베풀 장) (영어: tensile)

- 늘이는 것 또는 잡아당기는 것을 말한다.

 

소성 (塑性: 흙 빚을 소, 성품 성) (영어: plasticity)

- 힘을 가하여 변형시킬 때, 영구 변형을 일으키는 물질의 특성 (가소성, 유연성)

 

탄성 (彈性: 탄알 탄, 성품 성) (영어: elasticity)

- 힘을 더하면 형태가 바뀌지만, 힘을 빼면 원래대로 돌아오는 성질 (어원 자체가 돌아오다는 뜻)

 

2. 그래프에 적용하여 해석해 보자!

응력-변형률 선도.

 

선형(Linear)은 그래프의 직선 부분이다. 재료의 탄성 영역을 의미한다. 탄성률이 일정한 재료로 후크의 법칙을 따른다.

비선형(Nonlinear)은 선형과 반대되는 개념이다. 비탄성 즉 ,탄성 영역을 벗어난 경우 적용하는 해석이다.

 

탄성변형(elastic deformation) - 가해지는 힘이 사라지면 원래 상태로 돌아오는 변형

소성변형(plastic deformation) - 가해지는 힘이 사라져도 변형이 복구되지 않는 변형

항복강도(yield strength) - 탄성변형이 일어나는 최대응력 (이 힘을 넘어서면 돌이킬 수 없는 변형이 일어남. -> 소성변형)

인장강도(tensile strength) - 고체가 견딜 수 있는 최대 응력 (최대로 끌어당겨 늘릴 수 있는 강도, 이 힘을 넘어서면 재료가 파괴됨)

파단강도(rupture strength) - 고체가 견디지 못하고 파괴될 때의 응력

 

 

고체에 힘(응력)을 가해주면 탄성변형을 시작하게 된다. 이 힘을 점점 올리게 되면 어느 순간 고체가 그 힘에 항복하게 되고 이후 소성변형을 시작하게 된다.

 

탄성변형 vsve 소성변형

 

3. 그래서 이 3가지의 차이점은?

 

결론적으로 항복강도, 인장강도 그리고 파단강도의 차이점을 정리해 보자

 

항복강도
항복강도는 재료가 탄성 변형과 소성 변형을 구분하는 임계점이다. 즉, 재료에 하중을 가했을 때 변형이 발생하지만 하중을 제거하면 원래 상태로 돌아올 수 있는 최대 응력을 의미한다. 항복강도를 초과하면 소성 변형이 시작되어 영구 변형이 남는다.

 

인장강도
인장강도는 재료가 견딜 수 있는 최대 인장 응력을 의미한다. 항복강도를 초과하면 재료는 소성 변형을 겪지만 아직 파괴되지 않는다. 인장강도에 도달하면 재료는 최대한 늘어나며 버틸 수 있는 한계점에 도달하게 된다.

 

파단강도
파단강도는 재료가 최종적으로 파괴되는 순간의 응력이다. 인장강도 이후 재료가 더 이상 하중을 견디지 못하고 단절되면서 파괴가 발생하는 지점이다. 즉, 변형의 한계를 넘어 구조적으로 완전히 손상되는 강도를 의미한다.

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정리하면.

• 항복강도: 탄성 변형의 최대치 → 변형되지만 원래 상태로 복구 가능
• 인장강도: 소성 변형이 진행되며 더 이상 원래 상태로 복구 불가능, 하지만 아직 파괴되지는 않음
• 파단강도: 변형의 한계를 넘어서 완전히 파괴되는 순간의 강도

 

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상항복점과 하항복점이란?

일부 재료(특히 저탄소강)에서는 응력이 탄성 한도를 넘어서면 하중을 더 증가시키지 않아도 변형이 갑자기 커지는 항복 현상이 발생한다. 이 과정에서 상항복점(Upper Yield Point)과 하항복점(Lower Yield Point)이 나타난다.

 

상항복점은 재료가 탄성을 잃고 소성 변형을 처음으로 시작하는 지점으로, 응력을 증가시키지 않아도 변형이 급격히 커진다. 이후 내부 전위가 안정적으로 움직이며 응력이 일시적으로 감소하고 일정하게 유지되는데, 이때 나타나는 지점이 하항복점이다. 일반적으로 하항복 강도가 더 작고 안정적이므로, 보수적인 설계를 위해 항복강도는 하항복 강도를 기준으로 설정한다.

 

 

 

참고자료 :

https://mechanicalc.com/reference/mechanical-properties-of-materials

https://blog.naver.com/junilov2/220369720602