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 + 수직으 로 작용하는 힘의 평형 + 회전에 의한 힘의 평형(모멘트)
정정 구조물
출처 :
http://terms.naver.com/entry .nhn?docId=622026&cid=42 322&categoryId=42322
• 반력 : 하중을 받는 구조물이 움직이지 않기 위해서 움직 이지 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 침하 하거나(부동침하) 바람의 영향으로 건물이 한 방향으로 넘어지는 경우에 발생
• 슬라이딩 :
- 경사진 지반에 건물을 세웠을 경우 건물의 자중으로 지반 의 경사방향을 따라 건물이 미끄러지는 현상
• 지반의 상태를 조사하여 건물의 규모, 하중을 고려하여 기 초를 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 늘어나 는 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 되돌아오 는 성질
• 탄성체 : 탄성의 성질을 가지고 있는 재료
• 탄성한도 : 탄성체의 성질을 유지하는 단계
• 완전탄성체 : 가해진 힘과 변형이 일정하게 비례하는 재 료
출처 : 건축공학의 이해; 정순오외; 기문당; p 33
2) 소성
• 소성 : 가해진 힘을 제거해도 원상태로 돌아가지 않고 변 형이 남아 있는 성질
• 소성체 : 재료에 작용하는 힘이 어느 한도에 도달하면 외 부 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 일어 나고 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 변형이 나 파괴되기까지 저항하는 정도
- 구조물의 파괴하중을 결정
- 종류 : 인장강도, 압축강도, 휨강도, 전단강도, 비틀림 강 도 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 발 생하지 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 생 기지 않음
- 하중을 제거해도 원상태로 돌아가지 않음
• 항복점 : 탄성과 소성사이의 꺾인 점 항복하중 : 항복점에서의 응력
- 일반적인 구조물은 구조물의 사용기간 동안 작용하는 응 력이 항복응력 이하가 되어야 함.
• 극한하중 : 소성구간을 지나 하중이 다시 증가하고 물체 는 더욱 강해지며 결국 물체는 최대의 응력인 극한하중 에 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 : 건축공 학의 이해; 정 순오외; 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
