강도(strength)와 강성(rigidity, stiffness)

이 포스팅내용은 일하면서 강성과 강도가 매일 헷깔려 발췌 정리를 한 것임

강성은 S-S Curve의 기울기 강도는 파단시의 힘을 말한다.

강도는 재료가 변형되는데까지의 힘을 말한다.

보다 상세하게는 아래의 내용을 참조합시다.

 

​1. 강도(strength, failure load)

가. 정의 : 재료가 파괴되기 까지의 저항, 강도는 일반적으로 단위면적당 힘의 량으로 나타내며 SI단위로 나타내면 [N/m²]으로 나타낸다.

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강도는(strength) 외력이 가해졌을때 파괴되는 힘을 말합니다.

즉, 단위면적당 힘으로 표기하는데 응력(Stress)이라고 하죠.

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종류

1) 인장강도(ultimate strength)

2) 압축강도(comporessive strength)

3) 굽힘강도(bending strength, flexual strength)

4) 비틀림강도(torsional strength)

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단위면적당 인장력 얼마만큼견디냐가 그 물체의 인장강도임.

다시 인장강도에 면적하고 계수 붙여서 곱한게 인장응력

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2. 강성(rigidity, stiffness)

가. 정의 : 재료가 변형에 저항하는 정도, 단위길이당 힘으로 나타내며 SI단위계에서는 [N/m]로 나타낸다.

나. 즉 같은 재료라도 모양, 길이, 부피등에 따라서 달라지게된다.

어떤 재료가 외력을 받았을때 강성이 약하면 크게 병형되며 크면 작게 변형이 발생합니다. 극단적 예초 고무줄을 잡아당기면 작은 힘으로도 많은 변형을 발생시킬 수 있으나 Steel Bar를 잡아당기면 왠만한 힘으로는 변형이 거의 일어나지 않음을 알 수 있지요.

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어느정도까지 힘을 주었을 때 복원이 되다가 부서질 때 얼마만큼 힘을 주어야 하는 가

- 얼만큼 힘을 주어야 끊어지거나 부서지느냐는 강도(strength)의 설계이고

어느정도 힘을 가했을 때 얼마만큼 휘어지느냐는 강성( rigidity , stiffness )에 관한 설계이다.

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강도는 '얼마나 힘을 버티냐' 의 정도이고

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강성은 '얼마나 잘 늘어나냐' 의 (반비례) 정도이다.

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보다 쉽게 스프링의 예를 들어 강성을 설명하면

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스프링에 10 N의 힘을 가했을 때, 2 mm 가 늘어나면 강성은 10 N / 2 mm = 5 N / mm 가 된다.

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스프링에 10 N의 힘을 가했을 때, 5 mm 가 늘어나면 강성은 10 N / 5 mm = 2 N / mm 가 된다.

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즉 같은 힘을 가했을 때 더 잘 늘어나면 강성이 작아진다. 강성이 커지면 덜 늘어난다.

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보다 쉽게 원형 단면 (단면적을 1 mm^2이라 가정) 을 가진 봉재를 들어 강도를 설명하면

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봉재에 10 N의 힘을 가했을 때, 재료가 파단되면 인장 강도는 10 N / 1 mm^2 = 10 MPa 이 된다.

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봉재에 5 N의 힘을 가했을 때, 재료가 파단되면 인장 강도는 5 N / 1 mm^2 = 5 MPa 이 된다.

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즉 강도가 높을수록 동일형상에서는 더 큰 힘에서 파단이 된다.

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3.추가 설명

    가. 구조적인 설계는 강도와 강성으로 고려하여 설계한다. 즉 100[N]이라는 힘을 받았을때 부서지느냐, 아니면 휘어지느냐, 아니면 처음모습그대로를 유지하느냐를 확인해야 한다.

    나. 부서지느냐는 강도(strength)의 설계이고, 휘어지느냐는 강성(rigidity)에 관한 설계이다. 그러므로 강도와 강성적인면에서는 다른 접근이 필요하게된다.

    다. 다리를 설계한다고 가정했을 때, 끊어지지는 않지만 15t트럭이 지나갈때마다 다리가 출렁이면 이는 제 기능을 온전히 하지못하는 다리일 것이다. 이는 강도는 괜찮으나 강성에대한 설계가 되지 않은 경우이므로 온전한 설계라 할 수 없다.

    라. 결국에는 강도, 강성이라는 조건을 모두 만족해야하며 경우에 따라서는 재료의 치수(두께, 길이 등)가 강도>강성 인경우와 강도<강성, 강도=강성 인경우가 이론적으로 존재한다. 하지만 세번째의경우는 거의 없으며, 일반적으로 강성>강도인 경우가 대부분이다.

 

4.추가 하중자료

하중이란?

물체에 작용하는 외력(外力).
기계나 구조물을 구성하고 있는 각 부분의 재료는 외부에서 작용하는 힘을 받고 있는데, 이 외력을 하중이라 함.

하중의 작용상태에 따른 종류
가) 인장 하중(tensile load) : 재료의 축 방향으로 늘어나게 하려는 하중
나) 압축 하중(compressive load) : 재료를 누르는 하중
다) 전단 하중(shearing load) : 재료를 가위로 자르려는 것과 같이 작용하는 하중
라) 휨 하중(bending load) : 재료를 구부려 휘어지도록 작용하는 하중
마) 비틀림 하중(torsional & twisting load) : 재료가 비틀어지도록 작용하는 하중
바) 좌굴 하중(buckling load)