건축구조 2

구조 일반개념

1. 구조물의 평형 • 건축물에 작용하는 하중의 흐름

슬래브 보 기둥/벽체 기초 지반

구조부재

• 힘의 평형 : 건축물이 외부에서 하중을 받았을 때 이 힘(외력)에 저항하는 반력이 발생하여 균형을 이루는 상태

• 건축물의 평형 = 수평으로 작용하는 힘의 평형 + 수직으로 작용하는 힘의 평형 + 회전에 의한 힘의 평형(모멘트)

정정 구조물

출처 : http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=622026&cid=42322&categoryId=42322

• 반력 : 하중을 받는 구조물이 움직이지 않기 위해서 움직이지 않도록 하는 지점에 의해 구조물에 발생하는 힘

• 구조물이 평형 :

지점에서 하중의 힘 + 반력의 힘 = 0

• 건축물이 평형 :

- 수평하중 + 수직하중 + 모멘트 + 반력 = 0

작용하중

- 모멘트 : 힘과 거리의 곱

- 회전상태의 평형 : 무게(힘)와 작용한 거리의 곱이 동일

※ 구조물의 평형 3조건 : 정정 구조를 해석하기 위한 기본 조건

① ∑ V = 0

구조물이 상,하 (수직)로 이동하지 않는 조건

② ∑ H = 0

구조물이 좌,우 (수평)로 이동하지 않는 조건

③ ∑ M = 0

구조물이 회전하지 않는 조건

2. 구조물의 안정

• 건물의 불안정은 지반의 내력이 고르지 않아 일부가 침하하거나(부동침하) 바람의 영향으로 건물이 한 방향으로 넘어지는 경우에 발생

• 슬라이딩 :

- 경사진 지반에 건물을 세웠을 경우 건물의 자중으로 지반의 경사방향을 따라 건물이 미끄러지는 현상

• 지반의 상태를 조사하여 건물의 규모, 하중을 고려하여 기초를 설계하거나 지반을 강하게 만드는 보강공사가 필요

출처 : 건축공학의 이해; 정순오외; 기문당; p 28

3. 힘의 종류 • 인장력, 압축력, 전단력

• 단위 : kg, N

(1) 인장력(tension) • 부재를 길이방향으로 늘어나게 하려는 힘

- 재료의 분자가 서로 당겨서 분리되려는 상태로 작용하는 힘

- 부재가 인장력을 견디지 못하면 파괴됨

- 예) 철근

• 푸아송비 : 길이방향의 변형에 대한 세로방향의 변형의 비

- 부재가 인장력을 받으면 단순히 길이 방향으로만 늘어나는 것이 아니라 세로방향(부재의 직경)이 줄어드는 것

출처 : 건축공학의 이해; 정순오외; 기문당; p 29

(2) 압축력(compression)

• 부재를 길이방향으로 누르는 힘 (≠ 인장력)

- 부재의 길이가 짧아진다.

- 예) 돌, 벽돌 등

- 구조부재 중에 기둥과 벽체에 주로 압축력이 발생

• 좌굴(buckling) 하중 : 기둥이 하중(압축력)을 부담할 수 없는 단계에 도달하면 기둥이 휘어

지는데 이 때의 하중을 말함.

- 작용하는 하중의 중심과 부재의 중심에 차이가 날 때

더 쉽게 일어남

출처 : 건축공학의 이해; 정순오외; 기문당; p 30

(3) 전단력(shear)

• 어떤 부재를 절단하려는 힘

• 구조부재 중에 보에 수직하중이 작용하면 전단력이 발생

• 전단은 항상 서로 직각이 되는 두 개의 면에서 미끄럼이 발생

• 사각형 부재를 대각선 방향의

두 모서리를 잡고 늘어나게 하면

반대 대각선 방향으로는 압축력

이 발생하고 이 때 부재에 전단력

이 발생

• 전단력은 압축력과 인장력의

조합으로 발생

전단파괴

출처 : 건축공학의 이해; 정순오외; 기문당; p 31

(4) 휨 모멘트 • 부재를 회전시키려는 힘

• 힘이 가해지고 회전거리가 있을 때 발생

• 휨 모멘트량 : 힘의 크기에 힘의 작용선으로부터 수직으로 떨어진 거리의 곱으로 표현

• 구조부재 중 슬래브와 보

• 휨을 받는 부재 : 인장력과 압축력에 모두 강한 재료

- 목재와 강재가 해당

출처 : 건축공학의 이해; 정순오외; 기문당; p 31

4. 구조재의 역학적 성질

(1) 탄성(elasticity)과 소성(plasticity)

1) 탄성 • 탄성 : 하중이 제거되었을 때 변형이 없어지는 상태

- 하중이 건물에 작용할 때 하중이 제거되면 원래 상태로 되돌아 감

- 하중으로 인한 변형을 구조재가 견딜 수 있음

• 탄성상태 : 하중과 변형이 비례하는 상태

- 구조재료는 일반적으로 탄성범위 내의 응력을 받음

- 모든 재료는 어느 정도의 탄성을 가지고 있음

• 탄성 : 재료가 힘을 받으면 순간적으로 변형이 생긴 후에 가해진 힘을 제거하면 순간적으로 원래 상태로 되돌아오는 성질

• 탄성체 : 탄성의 성질을 가지고 있는 재료

• 탄성한도 : 탄성체의 성질을 유지하는 단계

• 완전탄성체 : 가해진 힘과 변형이 일정하게 비례하는 재료

출처 : 건축공학의 이해; 정순오외; 기문당; p 33

2) 소성

• 소성 : 가해진 힘을 제거해도 원상태로 돌아가지 않고 변형이 남아 있는 성질

• 소성체 : 재료에 작용하는 힘이 어느 한도에 도달하면 외부 힘의 증가 없이 변형만이 증가하는 현상

• 잔류변형 : 외부의 힘을 제거해도 변형이 잔류하는 것

• 항복하중, 항복점 : 재료가 소성상태를 보일 때의 하중

• 모든 재료는 하중이 일정값을 넘어 탄성범위를 벗어나면 영구적인 변형은 피할 수 없다.

(2) 인성(toughness), 연성(ductility) 및 취성(brittleness)

1) 인성 (toughness) • 재료에 큰 힘을 가했을 때 큰 변형이 일어나면서도 파괴

되지 않고 견디는 성질

• 파괴에 도달할 때까지는 높은 강도의 응력에 견딤

• 큰 변형을 나타내는 성질을 가짐

• 고무, 압연강 같이 질긴 재료

2) 연성 (ductility) • 재료가 탄성한계 이상의 힘을 받아도 파괴되지 않고 가

늘고 길게 늘어나는 현상

• 신장력이 좋은 재료: 복합재료, 선재

3) 취성 (brittleness)

• 인성이 부족한 재료가 하중을 받을 때 변형이 적게 일어나고 파괴되는 성질

• 외력에 의해 적은 변형만 나타나도 파괴되는 현상

• 유리

(3) 등방성(isotropic)과 비등방성

1) 등방성 • 어느 방향으로나 고른 성질을 가진 것

• 강도가 응력을 받는 방향에 영향을 받지 않는 것

• 철, 인공건축재료

2) 비등방성 • 방향과 각도에 따라 서로 다른 강도를 가진 것

• 응력을 받는 방향에 따라 강도가 달라지는 것

• 목재

• 목재에 균질한 강도를 낼 수 있게 만든 집성재가 있다.

• Hook의 법칙

“물체가 탄성한계 이내에서 힘을 받아 생기는 변형량(elongation) 는 작용하는 외력 의 크기에 정비례한다.”

변형량 ∝ 외력 : x ∝ F

외력 = 스프링상수 X 변형량 : F = kx

(5) 강도(strength)와 강성(stiffness)

1) 강도 • 응력도 : 재료의 단위면적당의 응력

• 강도 : 재료가 견딜 수 있는 최대 응력도

- 단위 : kN/m2, kg/m2

- 재료나 부재에 하중을 가했을 때 이에 저항하여 변형이나 파괴되기까지 저항하는 정도

- 구조물의 파괴하중을 결정

- 종류 : 인장강도, 압축강도, 휨강도, 전단강도, 비틀림 강도 등

• 일반적으로 재료가 외력을 받으면 변형이 생기고 재료의 내부에는 이에 대응하는 응력이 발생

(2) 강성

• 부재나 구조물이 하중을 받을 때 변형되지 않으려는 성질

• 변형을 일으키는 정도가 적은 것

• 강성이 큰 재료 = 외력을 받아도 변형을 적게 일으키는 재료

- 탄성계수가 크면 강성이 크다.

• 강성의 역할 : 구조물에 하중이 작용할 때 처짐이 크게 발생하지 않도록 함

(6) 항복하중과 극한하중 • 선형탄성구간 : 가한 하중에 비례하여 변형이 일어남

- 직선의 기울기

- 응력과 변형률이 정비례

- 하중을 제거하면 물체는 원상태로 복귀

• 소성구간 : 하중이 작용해도 하중에 비례하여 변형이 생기지 않음

- 하중을 제거해도 원상태로 돌아가지 않음

• 항복점 : 탄성과 소성사이의 꺾인 점

항복하중 : 항복점에서의 응력

- 일반적인 구조물은 구조물의 사용기간 동안 작용하는 응력이 항복응력 이하가 되어야 함.

• 극한하중 : 소성구간을 지나 하중이 다시 증가하고 물체는 더욱 강해지며 결국 물체는 최대의 응력인 극한하중에 도달하여 끊어짐

출처 : 건축공학의 이해; 정순오외; 기문당; p 36

(7) 좌굴(buckling)

• 부재의 가느다란 길이방향으로 휘어지는 현상

• 좌굴하중 : 좌굴이 일어나는 하중

- 탄성계수에 비례

- 기둥길이의 제곱에 반비례

출처 : 건축공학의 이해; 정순오외; 기문당; p 36

(8) 크리프(creep)

• 일정한 응력이 가해졌을 때 변형이 시간의 흐름에 따라 증가하는 현상

• 크리프 변형 : 시간과 같이 변형이 증가하는 변형

• 점탄성체 : 크리프 변형의 성질을 나타내는 재료

- 구조재료로 사용하기 부적절