구조 재료의 본질적인 특성을 살펴보기

건축구조물에는 여러 가지의 재료가 쓰입니다. 벽돌이나 석재, 목재, 알루미늄, 철, 철근콘크리트와 프리스트레스트 콘크리트, 그것들은 공통으로 모두 하중에 견디기에 적합한 어느 정도의 본질적인 특성을 가지고 있습니다. 

 

구조 재료의 본질적 특성

 

대부분의 재료는 탄성일 뿐 아니라, 어느 한도 내에서는 선형 탄성입니다. 즉 변형은 하중에 비례합니다. 그리하여 만일 선형 탄성의 보가 10톤의 수직하중을 받고 10분의 1인치 (2.5mm) 처진다면, 20톤의 하중을 받았을 때 10분의 2인치 정도 처집니다. 거의 모든 재료가 예외 없이 선형 탄성 범위에서 쓰이고 있습니다. 모든 구조재료는 탄성 범위를 넘으면 소성적으로 작용합니다. 

 

강철과 같은 근대 구조재료는 어느 방향으로나 고른 성질, 다시 말해 등방성을 가집니다. 목재는 나뭇결의 방향과 그것에 직각 되는 뱡향에서 서로 다른 강도를 가지므로 비등방성입니다. 

 

모든 구조재료는 압축응력을 발현시킬 수 있습니다. 강철과 같은 몇 가지 재료는 압축 응력과 인장 응력을 똑같이 잘 지탱합니다. 석재나 무근 콘크리트 같은 것은 그렇지 않은데, 이들의 인장 응력은 압축 응력의 1/10 정도입니다. 따라서 그것들의 사용은 필연적으로 인장 응력이 일어나지 않을 하중과 형태에 한정됩니다. 인장 응력에 대항할 수 있는 재료는 보통 전단응력에도 대항할 수 있습니다. 한편으로 압축 재료는 본질적으로 높은 전단강도를 갖지 못합니다.   

 

재료의 안전율과 상수

 

구조목적을 위하여 재료는 거의 선형 탄성 범위 내에서 쓰입니다. 이것은 그 재료의 변형이 그에 걸리는 하중에 비례한다는 것을 의미합니다. 하지만 서로 다른 재료는 같은 하중에서도 그 늘어남이 다릅니다. 예를 들어, 길이 5피트(1.5m), 지름 1/16인치인 스틸 와이어가 1,000파운드(0.454t)의 하중을 받는다면 2/3인치(1.7cm) 만큼 늘어납니다. 알루미늄으로 만든 같은 크기의 와이어는 3배, 즉 2인치(5.1cm) 정도 늘어나게 됩니다. 

 

강철은 인장에 대하여 알루미늄보다 더 강인합니다. 이러한 강인성에 대한 척도가 각 구조 재료의 특성이며, 인장 탄성계수라고 합니다. 강철의 탄성계수는 2,100,000kg/㎠이지만, 알루미늄의 탄성계수는 700,000kg/㎠입니다. 압축 탄성계수는 인장 탄성계수와 다릅니다. 콘크리트의 압축 탄성계수는 평균 210,000kg/㎠입니다. 나무의 압축 탄성계수는 섬유 방향에서 70,000~140,000kg/㎠이며, 섬유에 직각 되는 방향에서는 대략 53,000kg/㎠입니다. 

 

안전율은 여러 가지 조건에 따라 결정되는데, 재료의 균일성, 재료의 항복과 강도 특성, 응력의 종류, 하중의 영속성과 확정성, 건물의 목적 등입니다. 큰 홀의 안전성은 일가족 주택의 안정성보다 더 중대하며, 더욱 신중히 평가해야 합니다. 동시에 대단히 많은 사람으로 차게 되는 매우 큰 건물의 안전율은, 물론 오늘날 비록 예정된 적은 수의 인원이라도 구조의 수명 동안 구조상의 파괴로 죽는 일이 가급적 일어나지 않도록 제정됩니다.