9/7재료역학강의1

인장·압축 시험과 응력‑변형률 곡선

개요

• 재료의 인장·압축 시험 장비와 시험 절차를 소개
• 인장시험에서 나타나는 응력‑변형률 곡선의 주요 구간과 용어
• 콘크리트와 철근, 철근콘크리트의 특성과 시험 결과 비교

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핵심 개념

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상세 내용

시험 장비와 절차

• 인장시험기
  • 시편을 장착 → 로드‑컨트롤(하중 제어) 혹은 스트레인‑컨트롤(변형 제어) 방식 선택
  • 신장계를 게이지 길이(예: 50 mm)로 부착 → 변형률 측정
• 압축시험기
  • 시편(콘크리트, 철근 등)을 장착 → 압축 하중 가해 파단까지 시험
  • 일부 장비는 인장·압축을 동시에 수행 가능
• 시험 시 주의사항
  • 시편 단면이 일정한지 확인
  • 게이지 길이와 실제 변형률 차이 주의

응력‑변형률 곡선

1. 선형 탄성 구간 (Linear Elastic)
   • 응력 ↔ 변형률 비례
   • 비례 한계를 넘기면 비선형 구간으로 전환
2. 항복 구간 (Yield)
   • 재료가 영구 변형을 시작
   • 항복강도는 설계 기준으로 활용
3. 완전 소성 구간 (Perfectly Plastic)
   • 항복 이후 응력이 일정하게 유지되는 구간
   • 실제 재료는 완전 소성보다는 변형 경화가 나타남
4. 변형 경화 구간 (Strain Hardening)
   • 변형률이 증가함에 따라 응력도 증가
5. 극한 응력 (Ultimate Strength)
   • 재료가 파단 직전 도달하는 최대 응력
6. 파단 (Fracture)
   • 시편이 완전히 끊어짐
   • Necking(단면이 좁아지는 현상) 발생

True Stress‑Strain

• 실제 단면이 감소하는 것을 반영 → True Stress는 평균 응력보다 높음
• 실험 시 단면 변화를 고려하면 더 정확한 재료 특성 파악 가능

콘크리트와 철근

• 콘크리트
  • 압축강도는 높지만 인장강도는 약함(인장강도 ≈ 압축강도의 1/10)
  • 인장시험 시 빠른 파단, Necking 없이 급격히 끊어짐
• 철근
  • 인장강도가 높고, 변형 경화 현상이 뚜렷
  • 시험 결과에 따라 D10, D13, D25 등 직경별 강도 차이
• 철근콘크리트
  • 콘크리트의 인장강도 부족을 철근이 보완
  • 철근과 콘크리트의 온도 팽창 계수가 유사해 온도 변화에 강함

시험 결과 활용

• 항복강도를 설계 기준으로 사용
• 극한응력은 재료 최대 허용 하중 판단에 활용
• Necking과 True Stress는 파손 예측과 재료 선택 시 중요

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요약

• 인장·압축 시험은 재료의 기계적 특성을 파악하는 핵심 도구
• 응력‑변형률 곡선은 재료의 탄성, 항복, 변형 경화, 파단 단계별 특성을 시각적으로 보여줌
• True Stress‑Strain을 통해 실제 단면 변화를 반영한 재료 강도 분석이 가능
• 콘크리트와 철근은 각각 강점과 약점을 보완하며, 철근콘크리트는 구조물 설계에서 필수 재료

핵심: 인장시험에서 얻은 항복강도와 극한응력은 구조 설계 시 재료 선택과 하중 한계 설정에 직접적으로 연결된다.