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압축응력
압축응력(壓縮應力, Compressive Stress)은 물체의 면을 생각할 경우, 면을 양측에서 밀어붙이는 것과 같은 힘이 작용하고 있는 경우를 말한다. 수직응력의 하나로, 압축응력에 직각인 단면의 단위면적당 분포하는 압축 응력의 정도를 나타낸다.
압축응력은 재료를 눌렀을 때 내부에서 생기는 저항력을 의미한다. 쉽게 생각하자면 스프링을 생각해보면 된다. 스프링을 세워놓고 단면을 서로 딱 붙인다고 힘줘봤던 기억이 있는데 가해야 할 힘은 스프링의 각 면이 서로 밀착하면 밀착할수록 더 힘이 들게 된다. 즉, 힘을 가할수록 이에 저항하여 손을 밀어내려는 저항력이 생긴다. 이처럼 재료를 눌렀을 때, 이에 대항하여 생기는 저항력을 압축응력이라고 한다.
개요
수직응력은 어떤 재료의 중심축에 수직방향으로 작용하는 힘에 의한 응력을 말한다. 방향에 따라 압축응력과 인장응력이 있다. 재료 표면의 법선 방향으로 작용하므로 법선응력(Normal Stress)이라고도 한다.
길이가 L인 기다란 막대가 있다고 하자. 이 막대의 한 쪽 끝을 벽에 단단히 고정하고 다른 쪽 끝을 잡은 뒤 막대 방향으로 크기 F만큼의 인장력을 가하면 이 막대는 강체가 아닌 이상 길이가 늘어나는 변형이 일어난다. 이때 막대가 늘어난 길이를 x라고 하자. 이때 주어진 재료 막대의 변형율(Strain)은 ε＝x/L이다. 이때 막대의 변형은 응력(Stress)에 의해 일어난 것이다.
응력은 막대의 단면에 작용하는 단위면적당 힘이므로, 막대의 단면의 면적을 A라고 했을 때 막대에 가해지는 응력은 σ＝F/A이다. 훅의 법칙(Hooke’s Law)은 막대에 가하는 힘과 변형된 길이는 탄성 한계 내에서 비례한다는 것이므로 막대를 잡아당기는 힘 F와 막대가 늘어난 길이 x사이에는 F＝kx의 관계가 성립한다. 여기서, k는 비례상수이다. 이 식의 양변을 막대의 길이 L과 막대의 단면적 A로 나누면, F/LA＝kx/LA.
이 식을 정리하여 변형율과 응력에 대한 식으로 바꾸면 σ＝kL/A＝Eε이다. 여기서 응력과 변형율이 탄성 한계 내에서 비례관계이므로 비례상수 kL/A는 비례상수 E로 쓴다. E는 '탄성 계수'(modulus of elasticity)다. 탄성계수 E는 물질의 고유한 성질이며, 여기에 재료의 단면적을 곱하고 재료의 길이로 나누면 그 재료의 스프링 상수를 알 수 있다. 이를 '영률' 혹은 '영의 계수'(Young’s modulus)라고 한다.
이때 변형율 ε의 값이 양수(+)일 경우 인장이라고 하며, 이때 작용하는 응력 σ를 인장 응력(Tensile Stress)이라고 한다. 변형율의 값이 음수(-)일 경우에는 압축이라고 하며, 작용하는 응력을 압축응력(Compressive Stress)이라고 한다.
부호는 인장응력을 +, 압축응력을 -로 표시한다.
상세
재료의 인장 및 압축 특성은 직교 축을 따라 축 방향 하중을 나타낸다. 시스템 경계에서 늘어나는 하중은 인장 하중으로 설명되고 시스템 경계에서 압축된 하중은 압축 하중으로 설명된다.
신체에 외부 적으로 가해지는 힘은 신체의 부피가 감소하는 방식으로 신체를 변형하며, 길이를 압축응력이라고 한다.
가늘고 긴 실린더에 대한 압축응력의 증가는 기둥의 좌굴로 인해 구조적 파손을 겪는 경향이 있다. 재료가 압축을 견디지 못하면 응력 좌굴이 발생한다.
- 압축응력 공식
단위 면적에 수직력이 적용된다.
σ(응력) = F(힘) / A(단면적)
- 압축응력의 단위
보통 국제표준 단위계인 SI unit에서는 PA(N/㎡), MPA(N/㎟), GPA(KN/㎟) 을 많이 쓰고, 미국 관용 단위계에서는 psi(lb/in²), ksi(kips/in² )을 많이 쓴다. (참고) 이 두 단위계의 단위를 혼용해서 쓰면 안된다.
- 항복강도와 압축강도
항복강도와 압축강도는 서로 다르다. 인장과 압축의 항복은 동일하지 않다. 적용가능성에 따라 값이 변경된다.
- 압축강도
이것은 압축 응력으로 인해 발생하는 압축을 견딜 수 있는 재료의 용량이다. 일부 재료는 유일한 장력을 견딜 수 있고, 일부 재료는 유일한 압축을 견딜 수 있으며, 일부 재료는 인장과 압축을 모두 견딜 수 있는 재료가 있다. 궁극적인 압축강도는 재료가 완전히 파손될 때 얻은 값이다. 압축시험은 인장시험과 동일하게 수행된다. 사용되는 하중은 압축 하중이라는 점만 다르다. 압축 강도는 암석과 콘크리트에서 더 높다.
- 연강의 압축 응력 | 저탄소 강
파손되기 전에 큰 변형을 겪는 재료는 연성 재료이다. 스틸, 알루미늄 및 그 합금. 취성 재료는 압축응력을 받으면 저장된 에너지의 갑작스러운 방출로 인해 파열이 발생한다. 반면 연성재료는 압축 응력을 받으면 재료가 압축되고 파손 없이 변형이 발생한다.
- 압축응력 및 인장응력
압축 스트레스 인장 응력 결과 재료 압착의 압축 응력 결과. 재료 스트레칭의 인장 응력 결과 밀기 또는 당기기 압축응력은 외력에 의해 몸의 모양과 크기를 변경하는 힘이다. 인장응력은 모양과 크기를 변경하기 위해 외부 힘에 의해 신체에 가해지는 힘이다. 압축 또는 신장 외부 압축력에 의해 압축응력이 생성된다. 신장력이 늘어나려고 하기 때문에 인장응력이 발생한다. 바에 적용 바가 압축 응력을 받으면 변형은 압축된다 (음수). 바가 인장 응력을 받으면 변형은 인장 (양수)이다.
- 압축응력 변형 곡선
응력-변형 다이어그램 : 압축 응력
압축에 대한 응력-변형 다이어그램은 장력과 다르다.
압축 시험에서 응력-변형 곡선은 탄성 한계까지 직선이다. 그 지점을 넘어서, 가소성의 시작을 나타내는 곡선의 뚜렷한 굽힘; 점은 잔류 응력과 직접 관련된 복합 압축 항복 응력을 보여준다. 잔류 응력의 증가는 압축 응력을 증가시킨다.
참고자료
- 〈압축응력〉, 《용어해설》
- 〈Compressive Stress 압축 응력(壓縮應力)〉, 《지형 공간정보체계 용어사전》
- 〈압축 응력〉, 《대한건축학회 건축용어사전》
- 라그나로크, 〈(Stress 1장) σ: 수직응력(Normal Stress): 축 응력(Axial stress) 알아보기 (인장응력/압축응력)〉, 《네이버 블로그》, 2018-07-15
- 〈압축 응력: 5가지 중요한 사실〉, Lambda Geeks
- Avraham Kim, 〈(Basic Engineering) 2. 응력이란? 〉, 《네이버 블로그》, 2017-01-04
- 스터디캐드캠, 〈재료 > 금속 > 응력(stress)〉, 《네이버 블로그》, 2016-02-11
같이 보기
