건축시공학 레포트 - 인장시험으로 얻을 수 있는 구조용 강재의 기계적 성질을 설명하시오.

I. 서론

재료시험실에서 인장시험기를 처음 봤을 때는 하는 일이 지나치게 거칠어 보였다. 일정한 모양의 강재 시험편 양끝을 잡고 잡아당겨 결국 끊어 버리는 장비였기 때문이다. 그런데 시험이 끝난 뒤 남는 것은 부러진 시험편만이 아니었다. 화면에는 하중과 변위가 계속 기록되어 있었고, 그 자료를 응력과 변형률로 바꾸자 강재가 처음에는 얼마나 뻣뻣하게 버티는지, 어느 순간부터 영구변형이 시작되는지, 얼마나 큰 힘까지 견디는지, 파단 전에 얼마나 늘어나는지가 한 곡선에 나타났다. 구조용 강재의 인장시험은 재료를 망가뜨리는 시험이면서 동시에 설계에 필요한 성질을 가장 직접적으로 읽는 시험이다.

II. 본론

1) 하중과 변형을 응력과 변형률로 바꾸어 읽는 시험

인장시험의 기본은 표준 형상의 시험편에 축 방향 인장하중을 점차 가하면서 하중과 늘어난 길이를 측정하는 것이다. 시험편의 원래 단면적을 A0, 가한 하중을 P라고 하면 공칭응력은 P를 A0로 나눈 값으로 구한다. 원래 표점거리를 L0, 늘어난 길이를 ΔL이라고 하면 공칭변형률은 ΔL을 L0로 나눈 값이다. 하중 자체만 비교하면 굵은 시험편이 더 큰 값을 견디는 것이 당연하므로 재료 고유의 거동을 비교하기 어렵다. 응력으로 바꾸면 단면적 차이를 반영할 수 있고, 변형률로 바꾸면 시험편 길이가 달라도 늘어난 정도를 비교할 수 있다.

응력-변형률 곡선의 초반 직선 구간에서는 탄성계수도 읽을 수 있다. 탄성계수는 응력을 변형률로 나눈 기울기이며, 하중을 제거했을 때 원래 길이로 돌아오는 탄성 거동의 뻣뻣함을 나타낸다. 강도가 "어느 정도 응력까지 버티는가"를 말한다면 탄성계수는 같은 응력에서 얼마나 변형되는가와 더 가깝다. 보와 기둥의 처짐이나 사용 중 변형을 계산할 때 강도만 알아서는 부족한 이유다. 실제 시험에서 초기 기울기를 정확히 얻으려면 시험기 크로스헤드 이동량을 그대로 변형으로 쓰기보다 시험편 표점부의 변형을 재는 신율계를 알맞게 설치해야 한다. 시험기 자체의 미세한 변형이나 그립에서 생기는 미끄러짐이 섞이면 재료의 탄성 변형보다 큰 값으로 읽힐 수 있다. 같은 인장시험이라도 어떤 센서로 어느 구간을 측정했는지 확인해야 기계적 성질을 제대로 해석할 수 있다.

국가표준 KS B 0802는 금속 재료의 인장 시험 방법을 규정한다. 시험 결과가 재료의 실제 차이인지 시험 방식의 차이인지 구분하려면 시험편 치수, 하중 속도, 측정 방법이 일정한 기준을 따라야 한다. 같은 강재라도 표점거리와 단면 형상, 시험 속도가 달라지면 연신율 같은 값에 차이가 생길 수 있다. 구조용 강재의 품질을 비교하거나 납품 재료가 규격을 만족하는지 판단할 때 표준 시험법이 필요한 이유다.

인장시험 초반에는 응력과 변형률이 거의 비례해서 증가한다. 이 구간의 기울기가 탄성계수다. 탄성계수가 크다는 말은 같은 응력을 받았을 때 탄성변형률이 작다는 뜻이다. 쉽게 말하면 재료가 더 뻣뻣하다. 건축 구조에서는 강도가 충분해도 변형이 너무 크면 처짐이나 진동 문제가 생길 수 있으므로 강성도 중요하다. 탄성계수는 강재의 종류에 따라 항복강도처럼 크게 달라지는 값은 아니지만, 구조해석에서 부재 변형과 좌굴 거동을 계산하는 기본 재료 상수로 쓰인다.