구조재료

Structural material
저탄소 강철의 응력 변형 곡선. 후크의 법칙(위 참조)은 원점과 항복점(2) 사이의 곡선 부분에 대해서만 유효하다.

구조 공학은 다양한 재료가 하중을 견디고 지탱하는 방법을 이해하기 위해 재료의 지식과 그 특성에 따라 달라진다.

일반적인 구조 재료는 다음과 같다.

철

연철

주요 기사: 연철

연철( wr simplest)은 철의 가장 단순한 형태로서 거의 순수한 철(일반적으로 0.15% 탄소보다 작음)이다. 그것은 보통 슬래그를 함유하고 있다. 그것의 용도는 거의 완전히 쓸모없고, 더 이상 상업적으로 생산되지 않는다.

연철은 불에 매우 약하다. 그것은 유연하고, 유연하며, 단단하다. 그것은 강철처럼 쉽게 부식되지 않는다.

주철

주요기사 : 주철

주철은 압축보다 장력이 약한 부서지기 쉬운 철의 일종이다. 용해점이 상대적으로 낮고 유체성, 주조성, 가공성 및 내마모성 등이 우수하다. 건물 구조에서는 거의 강철로 대체되었지만, 주철은 파이프, 기계, 자동차 부품 등 다양한 용도의 엔지니어링 재료가 되었다.

주철은 용해점이 낮음에도 불구하고 화재 시 높은 강도를 유지한다. 보통 95% 철분이며, 탄소는 2.1~4%, 규소는 1%~3%이다. 그것은 강철처럼 쉽게 부식되지 않는다.

강철

미주리 주 세인트루이스의 630피트(192m) 높이의 스테인레스 드레싱(304) 게이트웨이 아치
주요 기사: 강재 및 구조용 강재
참고 항목: 스틸 프레임

강철은 탄소(탄소 0.0~1.7%)의 제어 수준을 가진 철 합금이다.

강철은 비교적 낮은 비용과 높은 강도 대 중량 비율, 시공 속도 때문에 모든 유형의 구조물에 매우 광범위하게 사용된다.

강철은 연성 물질로, 플라스틱이 되어 연성 방식으로 고장날 때(큰 균주 또는 연장, 커브 3 지점에서 파손되기 전) 수율에 도달할 때까지 탄력적으로 작용한다. 강철은 긴장과 압축에 있어서 똑같이 강하다.

강철은 화재에 약하므로 대부분의 건물에서 보호되어야 한다. 고강도 대 중량비에도 불구하고 강철 건축물은 비슷한 콘크리트 건물만큼 열량이 많다.

강철의 탄성 계수는 약 205 GPA이다.

강철은 부식되기 쉽다.

스테인리스강

주요 기사: 스테인리스강

스테인리스강은 크롬 함량이 최소 10.5%인 철 탄소 합금이다. 다양한 종류의 스테인리스 스틸이 있으며, 다른 비율의 철, 탄소, 몰리브덴, 니켈을 함유하고 있다. 강도는 크게 다르지만 철과 구조 특성이 유사하다.

1차 구조에는 거의 사용되지 않으며, 건축 마감 및 건물 외피에는 더 많이 사용된다.

부식 및 얼룩에 대한 내성이 강하다.

콘크리트

사그라다 파밀리아 내부는 안토니 가우디가 설계한 철근콘크리트 구조로 되어 있다
철근의 "카이지"
주요 기사: 콘크리트

콘크리트는 낮은 비용, 유연성, 내구성, 높은 강도로 인해 건축 및 토목 구조물에 매우 광범위하게 사용된다. 또한 화재에 대한 저항력도 높다.

콘크리트는 비선형, 비탄성, 깨지기 쉬운 물질이다. 압축에 강하고 긴장에 매우 약하다. 그것은 항상 비선형적으로 행동한다. 본질적으로 장력강도가 0이기 때문에 거의 항상 합성재료인 철근콘크리트로 사용된다. 그것은 모래, 골재, 시멘트, 물의 혼합물이다. 그것은 액체로 주형, 즉 형태에 놓이고, 물과 시멘트 사이의 화학적 반응으로 인해 세팅(꺼짐) 콘크리트의 경화를 수화라고 한다. 그 반응은 발열적이다.

콘크리트는 주조되는 날부터 지속적으로 강도가 증가한다. 물 밑이나 지속적으로 100% 상대습도에 캐스팅되지 않는다고 가정하면 시간이 흐를수록 건조해지면서 수축하고, 크리프라는 현상으로 인해 시간이 흐를수록 변형이 일어난다. 강도는 혼합, 주입, 주조, 압축, 경화(설정 중 습식) 방법 및 혼합물에 혼화물이 사용되었는지 여부에 따라 크게 달라진다. 그것은 어떤 형태로든 만들어질 수 있는 형태로 만들어질 수 있다. 색, 품질 및 마감은 구조물의 복잡성, 형태에 사용되는 재료, 작업자의 숙련도에 따라 달라진다.

콘크리트의 탄성 계수는 매우 다양할 수 있으며 콘크리트 혼합, 나이, 품질 및 그에 적용되는 하중의 종류와 지속 기간에 따라 달라진다. 최대 강도에 도달한 후(일반적으로 주조 후 28일에 있는 것으로 간주됨) 장기 하중의 경우 일반적으로 약 25 GPA로 간주된다. 풋폴(fall)과 같은 매우 단기 로딩의 경우 약 38 GPA로 한다.

콘크리트는 화재 시 매우 유리한 성질을 가지고 있다 – 그것은 매우 높은 온도에 도달할 때까지 불의 영향을 받지 않는다. 또한 질량이 매우 높아 방음 및 열 유지(콘크리트 건물의 난방을 위한 에너지 요구사항이 낮아짐)에 좋다. 이는 콘크리트의 생산과 운반이 매우 에너지 집약적이라는 점에서 상쇄된다. 재료의 거동을 연구하기 위해 많은 수치 모델(예: 재료의 구성 법칙에 대한 마이크로플레인 모델)이 개발되었다.

철근 콘크리트

주요 기사: 철근콘크리트

철근 콘크리트란 강철 철근("철근"), 플레이트 또는 섬유가 통합되어 그렇지 않으면 부서지기 쉬운 재질을 강화한 콘크리트를 말한다. 산업화된 국가에서는 건설에 사용되는 거의 모든 콘크리트가 철근 콘크리트다. 콘크리트는 인장력 약성으로 인해 강재로 적절히 보강되지 않는 한 휨(벤딩) 또는 인장력 하에서 갑자기 파손된다.

프리스트레스트 콘크리트

주요기사 : 프리스트레스트 콘크리트

프리스트레스트 콘크리트는 콘크리트의 자연적인 장력 약화를 극복하는 방법이다.[1][2] 일반 철근콘크리트보다 경간 길이가 긴 보, 바닥, 교량 생산에 활용할 수 있다. 프리스트레싱 힘줄(일반적으로 높은 인장강 케이블 또는 로드)은 콘크리트 압축 부재가 휨 부하로 인해 발생할 수 있는 인장 응력을 상쇄하는 압축 응력을 생성하는 클램핑 하중을 제공하기 위해 사용된다.

알루미늄

응력 대 알루미늄의 일반적인 변형 곡선
1. 극한강도
2. 항복강도
3. 비례 한계 응력
4. 파열
5. 오프셋 변형률(일반적으로 0.002)
주요 기사: 알루미늄 및 알루미늄 합금

알루미늄은 부드럽고, 가볍고, 유연성이 좋은 금속이다. 순수 알루미늄의 항복 강도는 7–11 MPa인 반면, 알루미늄 합금은 200 MPa에서 600 MPa에 이르는 항복 강도를 가진다. 알루미늄은 강철의 밀도와 강성이 약 1/3이다. 그것은 연성이며 쉽게 가공되고 주조되며 압출된다.

금속이 공기에 노출되면 형성되는 산화알루미늄의 표면층이 얇아 부식 저항성이 우수해 더 이상의 산화를 효과적으로 방지한다. 가장 강력한 알루미늄 합금은 합금 구리와 갈바닉 반응으로 인해 내식성이 낮다.

알루미늄은 일부 건물 구조(주로 전면)에 사용되며, 강도 대 무게 비율이 좋기 때문에 항공기 엔지니어링에 매우 광범위하게 사용된다. 비교적 비싼 재료다.

항공기에서 그것은 점차 탄소 복합 재료로 대체되고 있다.

컴포지트

경량복합항공기
주요 기사: 복합재료

복합 재료는 차량 및 항공기 구조물에서, 그리고 어느 정도 다른 구조물에서 사용된다. 그것들은 특히 1818년에 건설된 콜포트 주철교와 같은 오래된 구조물의 보존을 위해 교량에 점점 더 많이 사용되고 있다. 복합 재료는 층질 재료가 될 수 있기 때문에 비등방성(다른 방향으로 다른 재료 특성을 가지고 있음)인 경우가 많다. 그들은 종종 비선형적으로 행동하고 과부하되면 부서지기 쉬운 방식으로 실패할 것이다.

그것들은 무게 비율에 대한 매우 좋은 힘을 제공하지만 또한 매우 비싸다. 압출이 잦은 제조 공정은 현재 콘크리트나 철강이 제공하는 경제적 유연성을 제공하지 못하고 있다. 구조 용도에 가장 일반적으로 사용되는 것은 유리 강화 플라스틱이다.

석조공

플랑드르 본드를 사용하여 쌓은 벽돌 벽
주요 기사: 석조공

석조 공법은 수천 년 동안 구조물에서 사용되어 왔으며, 돌, 벽돌 또는 벽돌의 형태를 취할 수 있다. 석공은 압축에 매우 강하지만 장력을 전달할 수 없다(벽돌이나 블록 사이의 모르타르로는 장력을 전달할 수 없기 때문이다). 구조적 장력을 운반할 수 없기 때문에 굽힘도 운반할 수 없어 상대적으로 작은 높이에서 조적벽이 불안정해진다. 높은 석조 구조물은 버팀목이나 풍설로 인한 측면 하중에 대한 안정화가 필요하다.

역사적으로 석재는 모르타르나 석회 모르타르로 건설되었다. 현대에는 시멘트 기반의 박격포가 사용된다. 모르타르는 블록을 접착하고 블록 사이의 인터페이스를 부드럽게 하여 균열을 일으킬 수 있는 국부적인 점 하중을 피한다.

콘크리트의 광범위한 사용으로 인해, 석재는 주요 구조 재료로 거의 사용되지 않으며, 종종 그것의 비용과 그것을 생산하는 데 필요한 높은 기술 때문에 피복재로서만 나타난다. 벽돌과 콘크리트 블록이 그 자리를 차지했다.

석재는 콘크리트와 마찬가지로 방음 성질이 좋고 열량이 높지만 일반적으로 생산에 에너지 집약도가 낮다. 그것은 운반하기에 콘크리트만큼 에너지가 집약적이다.

목재

부로합폴드(Buro Happold)가 재건축한 런던 글로브 극장
주요 기사: 목재

목재는 구조 재료 중 가장 오래되었으며, 주로 철강, 석조, 콘크리트로 대체되었지만, 여전히 상당한 수의 건물에서 사용되고 있다. 목재의 성질은 질, 나무의 처리, 공급되는 나무의 종류에 따라 비선형적이며 매우 가변적이다. 목조 건축물의 설계는 실증적 증거에 크게 기반을 두고 있다.

목재는 장력과 압착에는 강하지만 섬유 구조 때문에 구부러지는 데 약할 수 있다. 목재는 불에 잘 타 원소 중앙에 있는 목재를 어느 정도 보호해 주고 구조물이 적당한 시간 동안 어느 정도 강도를 유지할 수 있게 해준다.

기타 구조재료

대나무 비계는 매우 높은 곳에 이를 수 있다.

참조

  1. ^ Nawy, Edward G. (1989). Prestressed Concrete. Prentice Hall. ISBN 0-13-698375-8.
  2. ^ Nilson, Arthur H. (1987). Design of Prestressed Concrete. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-83072-0.

추가 읽기

  • Blank, Alan; McEvoy, Michael; Flank, Roger(1993) 철골의 건축과 건설 테일러 & 프랜시스 ISBN 0-419-17660-8
  • 휴슨, 나이젤 R. (2003) 프리스트레스트 콘크리트 교량: 설계 및 시공. 토마스 텔포드 ISBN 0-7277-2774-5
  • 호스포드, 윌리엄 F. (2005) 재료의 기계적 거동. 케임브리지 대학 출판부. ISBN 0-521-84670-6
  • 후겐붐 P.C.J, "구조 콘크리트 벽체 설계의 콘크리트 요소와 비선형성", 제1.3절 구조 콘크리트 모델링의 역사 개요, 1998년 8월 ISBN 90-901184-3-8.
  • 레온하르트, A. (1964) Caementum zum Spannbeton, 밴드 III(시멘트부터 프리스트레스트 콘크리트까지). 바우버랙 GmbH.
  • 뫼르쉬, E. (Stuttgart, 1908). Der Eisenbetonbau, Seine Theri und Anwendun, (보강 콘크리트 구조, 그 이론과 적용) 콘래드 비트워어, 제3판
  • 닐슨, 아서 H.; 다윈, 데이비드; 돌란, 찰스 W. (2004) 콘크리트 구조물의 설계. 맥그로힐 프로페셔널 ISBN 0-07-248305-9
  • 프렌티스, 존 E. (1990). 건설자재의 지질학. 스프링거. ISBN 0-412-29740-X.
  • Schlaich, J, K. Shafer, M. Jennewein (1987년) "구조 콘크리트의 일관성 있는 설계"를 참조하십시오. PCI 저널, 특별 보고서, 32권, 3호.
  • 스완크, 제임스 무어(1965) 모든 시대의 철 제조의 역사. Ayer 출판사. ISBN 0-8337-3463-6.