강도(strength)와 강성(rigidity, stiffness)

강도(strength)와 강성(rigidity, stiffness)

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재료의 특성(Property)중 강도와 강성이 있습니다.

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1. 강도(strength, failure lodad)

가. 정의 : 재료가 파괴되기까지의 저항, 강도는 일반적으로 단위면적당 힘의 량으로 나타내며 SI단위로 나타내면 [N/m²]으로 나타낸다.

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강도는(strength) 외력이 가해졌을때 파괴되는 힘을 말합니다.

즉, 단위면적당 힘으로 표기하는데 응력(Stress)이라고 하죠.

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종류

1) 인장강도(ultimate strength)

2) 압축강도(comporessive strength)

3) 굽힘강도(bending strength, flexual strength)

4) 비틀림강도(torsional strength)

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단위면적당 인장력 얼마만큼 견디냐가 그 물체의 인장강도임.

다시 인장강도에 면적하고 계수 붙여서 곱한 게 인장응력

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2. 강성(rigidity, stiffness)

가. 정의 : 재료가 변형에 저항하는 정도, 단위길이당 힘으로 나타내며 SI단위계에서는 [N/m]로 나타낸다.

나. 즉 같은 재료라도 모양, 길이, 부피등에 따라서 달라지게된다.

어떤 재료가 외력을 받았을 때 강성이 약하면 크게 병형 되며 크면 작게 변형이 발생합니다. 극단적 예초 고무줄을 잡아당기면 작은 힘으로도 많은 변형을 발생시킬 수 있으나 Steel Bar를 잡아당기면 웬만한 힘으로는 변형이 거의 일어나지 않음을 알 수 있지요.

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어느 정도까지 힘을 주었을 때 복원이 되다가 부서질 때 얼마만큼 힘을 주어야 하는 가 - 얼만큼 힘을 주어야 끊어지거나 부서지느냐는 강도(strength)의 설계이고

어느 정도 힘을 가했을 때 얼마만큼 휘어지느냐는 강성( rigidity , stiffness )에 관한 설계이다.

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강도는 '얼마나 힘을 버티냐'의 정도이고

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강성은 '얼마나 잘 늘어나냐'의반비례) 정도이다.

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보다 쉽게 스프링의 예를 들어 강성을 설명하면

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스프링에10N의 힘을 가했을 때, 2 mm 가 늘어나면 강성은 10 N / 2 mm = 5 N / mm 가 된다.

​스프링에10N의 힘을 가했을 때, 5 mm 가 늘어나면 강성은 10 N / 5 mm = 2 N / mm 가 된다.

​즉 같은 힘을 가했을 때 더 잘 늘어나면 강성이 작아진다. 강성이 커지면 덜 늘어난다.

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보다 쉽게 원형 단면 (단면적을 1 mm^2이라 가정)을 가진 봉재를 들어 강도를 설명하면

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​봉재에10N의 힘을 가했을 때, 재료가 파단되면 인장 강도는 10 N / 1 mm^2 = 10 MPa 이 된다.​

봉재에5N의 힘을 가했을 때, 재료가 파단되면 인장 강도는 5 N / 1 mm^2 = 5 MPa 이 된다.

​즉 강도가 높을수록 동일형상에서는 더 큰 힘에서 파단이 된다.

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재질의 강성을 나타내는 값은 탄성계수가 대표적이다. 탄성계수는 응력을 변형률로 나눈 값이다.응력은 힘을 면적으로 나눈 압력과 유사한 개념이며 변형률은 단위 길이당 변형 정도로 표현될 수 있다. 따라서 재질의 탄성계수를 개념적으로 보면 (단위 면적당) 가해진 힘을 (단위 길이당) 변형 길이로 나눈 값이다.

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보통 강도는 재료 구조재에 관한 것이고 강성은 복합재 또는 건축물에 관한 것

재료가 튼튼하면 강도가 높은 거고 구조가 튼튼하면 강성이 좋은 것이다.

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덧붙여 강성은 재료가 같은 부재라면 어떤 부위에서 측정해도 동일하게 나옴.

용수철을 예로 들면 좀 쉽게 이해가 될 거 같은데. 금속으로 동일한 질량과 단면적, 길이를 지닌 원기둥형 부재(A)랑 용수철 형태로 가공한 부재(B)를 생각해 보면 됨. 장축에서 양방향에서 당기는 인장강도로 따졌을 때부재와 B부재는 당연히 차이가 날 수밖에 없음. 이때 차이가 나는 이유가 인장 '강도'이기 때문임. 둘의 강성은 동일하지만 가공 형태에 따라서 힘의 전달 방향이 달라지고 강도가 달라지는 것.

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건축에서는 H형강 ㄷ형강 I형강 같은 부재들이 같은 원재료와 가공법으로 만들었다면 강성은 동일하겠지만 질량, 길이, 단면적이 동일해도 각 부재의 강도는 다른 게 예가 됨. 그리고 구조 자체로는 강도를 이야기할 수 없는 것. 일반적으로 강도는 강성을 표현하는 계수에 힘을 곱한 값으로 나타나는데 구조 자체를 강도로 변환해서 생각해 버리면 구조 전체의 강성을 하나의 계수로 표현하고 이걸 다시 힘으로 바꿔서 생각해야 함. 현실적으로 여러 부재가 복합적으로 적용된 구조체의 강도는 부분마다 다르고 힘의 작용 방향에 따라서도 다름. 강성<강도<구조 이렇게 포함되어 있다고 이해하는 것이 올바름.