강성(rigitity)와 강성도(stiffness)
1 강성(rigidity)
1) 강성의 정의
- 재료가 탄성변형을 할 때 재료는 그 변형에 저항하는 성질이 있는데, 이 변형에 저항하는 정도를 나타낸 것.
- 탄성체에 외력이 가해졌을 때의 변형은 힘이나 모멘트의 크기 외에 탄성체의 형상, 지지 방법, 재료의 탄성계수 등에 따라 달라짐.
- 일반적으로 재료의 강성은 단위변화량에 대한 외력의 값으로 나타냄.(rigidity)
- 재료의 변형에 대한 저항정도를 의미
- 재료의 변형은 비틀림 또는 굽힘의 정도로 구분되며 이는 축강성, 굽힙강성, 전단강성, 비틀림강성으로 크게 구분할 수 있다.
2) 강성의 특징
- 강도는 재료의 단단함을 뜻하나 강성은 재료가 변형에 저항하는 성질을 뜻한다.
- 재료의 탄성영역내 단단함(변화저항정도)은 E로 그 의미를 표현할 수 있으나 형태까지 고려된 변형저항도를 강성이라한다.
- 강성(rigidity)은 재료의 형태를 고려한 변형정도를 뜻하나, 길이에 따라서(크기 조건) 달라지므로 길이조건을 고려한(단위길이) 개념이 강성도(stiffness)이다.
3) 강성의 종류
① 축강성(신장강성)
- 신장은 외력에 비례하는데, 단위신장 당 외력을 신장강성이라고함.
- 축강성 : E x A
② 굽힘강성
- 처짐(굽힘모멘트)에 저항하는 성질, 탄성률(E) X 단면2차모멘트(I)이 굽힘강성이다.
- 빔을 구부릴 때 빔의 처짐곡선의 곡률은 굽힘모멘트(M)에 비례하며, 탄성률(E)×단면2차모멘트(I)에 반비례함. 곡률은 굽힘 모멘트 M이 같아도 E×I가 작을수록 크다. 즉, EI는 처짐곡선에서 곡률의 크기를 나타내는 계수인데, 이것이 굽힘강성이다.
- 굽힘강성(bending rigidity) : E x I (I : 단면2차 모멘트)
③ 전단강성
- 전단강성(shear rigidity) : G x A
④ 비틀림강성
- 봉을 비틀 때 단위길이당의 비틀림각은 비틀림 모멘트에 비례하나, 단위 비틀림각을 주는 비틀림 모멘트를 비틀림강성이라고 한다.
- 비틀림강성(torsion rigidity) : G x J (J: 단면2차 극모멘트)
굽힘강성과 굽힘강성도
2 강성과 강성도 차이
1) 강성(rigidity)
- 축강성(EA)
- 휨강성(EI)
- 전단강성(GA)
- 비틀림강성(GIp)
※ E : 탄성계수, G : 전단탄성계수, A : 단면적, I : 단면2차모멘트, Ip : 단면극2차모멘트
2) 강성도(stiffness)
- 부재 길이(L) 고려
- 축강성도(EA/L)
- 휨강성도(EI/L)
- 전단강성도(GA/L)
- 비틀림강성도(GIp/L)
※ E : 탄성계수, G : 전단탄성계수, A : 단면적, I : 단면2차모멘트, Ip : 단면극2차모멘트
3 재료의 변화정도(강성) 표현
1) 강도(E)
- 탄성영역내 응력당 변형의 정도를 의미. 탄성계수를 의미.
* 강도 : 재료가 외부의 응력에 대해 저항하는 정도.(탄성영역내에서는 변화의 정도)
- 강도의 정의와 강성의 의미가 매우 유사하나 변형에 대한 정도는 강성(rigidity / stiffness)으로 표현하는것이 맞음.
2) 강성(rigidity)
- 변형의 정도에 형태를 고려한 저항정도를 의미함.
- 굽힘과 비틀림 모든영역에서의 강성을 표현할 수 있음.
- 크기가 클경우 강성이 커지는 한계가 있음.
3) 강성도(stiffness)
- 형태와 크기가 고려된 저항정도를 의미함.
- 변형에 대한 저항정도의 의미로 가장 정확한 강성은 stiffness를 사용함.
참고) 강도(strength)
1) 강도의 정의
- 재료에 하중이 걸린 경우, 재료가 파괴되기까지의 변형저항(응력)을 그 재료의 강도라고 한다.
- 강도의 단위는 단위 면적 당 받는 힘으로 표현.(응력의 단위와 동일)
* cf) MPa, kN/m^2.
- 인장강도·압축강도·굽힘강도·비틀림강도 등이 있다.
2) 강도의 측정
- 인장강도는 시험편을 서서히 잡아당기는 인장시험으로 측정.
- 압축강도는 짧은 기둥모양의 시료에 축방향으로 압축하중을 가하여 측정.
- 비틀림강도는 둥근 기둥모양의 시료가 비틀림에 의해 파괴되었을 때 가해진 비틀림 모멘트로부터 계산에 의해 구함.