압축강도

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1. 개요

압축 강도는 재료가 압축 하중을 견딜 수 있는 능력을 나타내는 중요한 물성치이다. 재료, 부품, 구조물의 파괴 전까지 견딜 수 있는 최대 일축 압축 응력으로 정의되며, 만능 재료 시험기를 사용하여 측정된다. 시험편의 형상, 마찰, 재료의 종류, 미세 구조, 시험 조건 등 다양한 요인이 압축 강도에 영향을 미치며, 마찰의 영향을 줄이기 위해 윤활제 사용, 저마찰 시트 사용, 구형 고정구 사용 등의 방법이 사용된다. 압축 강도는 좌굴, 항복, 축 방향 분할, 전단 파괴, 미세 균열 등 다양한 파괴 모드를 통해 나타날 수 있으며, 특히 콘크리트의 경우 건축 설계에 중요한 요소로 작용한다.

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압축강도

2. 압축 강도의 정의 및 측정

재료에 하중이 가해져 늘어나면 인장 상태, 압축되어 줄어들면 압축 상태라고 한다. 원자 수준에서 압축 상태는 분자 또는 원자가 서로 밀착, 인장 상태는 서로 멀어지는 것이다. 고체의 원자는 항상 평형 위치를 찾으려 하므로, 인장이나 압축 모두에 저항하는 힘이 발생한다.

변형률은 가해진 응력 하에서 상대적인 길이 변화이다. 양의 변형률은 인장 하중을 받는 물체의 길이 증가, 음의 변형률은 압축 응력으로 인한 물체 단축을 의미한다. 인장은 작은 측면 처짐을 정렬 상태로 되돌리는 반면, 압축은 그러한 처짐을 좌굴로 증폭시킨다.

압축 강도는 재료, 부품,^[1] 및 구조물^[2]에서 측정된다.

2. 1. 압축 시험

재료의 극한 압축 강도는 완전한 파괴 전에 견딜 수 있는 최대 일축 압축 응력입니다. 이 값은 일반적으로 만능 재료 시험기를 사용하여 수행되는 압축 시험을 통해 결정됩니다. 시험 중에는 시험편(종종 원통형)이 파괴될 때까지 일축 압축 하중이 꾸준히 증가합니다. 시험편은 하중 하에서 축 방향 단축과 횡방향 팽창을 모두 경험합니다. 하중이 증가함에 따라 기계는 해당 변형을 기록하여 응력-변형률 곡선을 그립니다.

재료의 압축 강도는 곡선에 표시된 빨간색 점에서의 응력에 해당합니다. 압축 시험에서 재료가 후크의 법칙을 따르는 선형 영역이 있습니다. 이 영역에서는

\sigma = E\varepsilon,

이때 E는 압축에 대한 영률을 나타냅니다. 이 영역에서 재료는 탄성적으로 변형되고 응력이 제거되면 원래 길이로 돌아갑니다.

이 선형 영역은 항복점으로 알려진 지점에서 끝납니다. 이 지점 이상에서는 재료가 소성적으로 거동하여 하중이 제거된 후에도 원래 길이로 돌아가지 않습니다.

공칭 응력과 진응력에는 차이가 있습니다. 기본적인 정의에 따르면 일축 응력은

\sigma = \frac{F}{A},

(여기서 F는 인가된 하중 [N]이고 A는 면적 [m²])로 주어집니다.

설명된 바와 같이 시편의 면적은 압축에 따라 변합니다. 따라서 실제로는 면적이 인가된 하중의 함수, 즉 A = f(F)입니다. 실제로 응력은 실험 시작 시 면적으로 나눈 힘으로 정의됩니다. 이것을 공칭 응력이라고 하며

\sigma_e = \frac{F}{A_0},

(여기서 A₀는 원래 시편 면적 [m²])로 정의됩니다.

마찬가지로 공칭 변형률은

\varepsilon_e = \frac{l -l_0}{l_0},

(여기서 l은 현재 시편 길이 [m]이고 l₀는 원래 시편 길이 [m])로 정의됩니다. 대수 변형률 또는 자연 변형률이라고도 하는 진변형률은 연성 금속과 같은 재료에서와 같이 큰 변형을 더 정확하게 측정합니다.^[3]

\acute \epsilon = \ln (l/l_o)=ln(1+\epsilon_e)

따라서 압축 강도는 공칭 응력-변형률 곡선

\left(\varepsilon_e^*, \sigma_e^*\right)

상의 점에 해당하며 다음과 같이 정의됩니다.

\sigma_e^* = \frac{F^*}{A_0}

\varepsilon_e^* = \frac{l^* - l_0}{l_0},

여기서 F^*는 파괴 직전에 인가된 하중이고 l^*는 파괴 직전의 시편 길이입니다.

2. 2. 응력-변형률 곡선

재료 시편에 하중이 가해져 늘어나면 인장 상태, 압축되어 줄어들면 압축 상태라고 한다. 원자 수준에서 압축 상태는 분자 또는 원자가 서로 밀착, 인장 상태는 서로 멀어지는 것이다. 고체의 원자는 항상 평형 위치를 찾으려 하므로, 인장이나 압축 모두에 저항하는 힘이 발생한다.

"변형률"은 가해진 응력 하에서 상대적인 길이 변화이다. 양의 변형률은 인장 하중을 받는 물체의 길이 증가, 음의 변형률은 압축 응력으로 인한 물체 단축을 의미한다. 인장은 작은 측면 처짐을 정렬 상태로 되돌리는 반면, 압축은 그러한 처짐을 좌굴로 증폭시킨다.

압축 강도는 재료, 부품,^[1] 및 구조물^[2]에서 측정된다. 극한 압축 강도는 완전히 파괴되기 전 견딜 수 있는 최대 일축 압축 응력이며, 만능 재료 시험기를 사용한 압축 시험으로 결정된다. 시험편은 파괴될 때까지 일축 압축 하중을 받아 축 방향 단축과 횡방향 팽창을 경험한다. 하중 증가에 따른 변형을 기록하여 응력-변형률 곡선을 그린다.

압축 강도는 곡선의 빨간색 점에서의 응력에 해당한다. 재료가 후크의 법칙을 따르는 선형 영역에서는

\sigma = E\varepsilon

(E는 압축에 대한 영률)이 성립한다. 이 영역에서 재료는 탄성적으로 변형되어 응력 제거 시 원래 길이로 돌아간다.

선형 영역은 항복점에서 끝나며, 이 지점 이상에서는 재료가 소성적으로 변형되어 하중 제거 후에도 원래 길이로 돌아가지 않는다.

공칭 응력과 진응력에는 차이가 있다. 일축 응력은

\sigma = \frac{F}{A}

(F는 가해진 하중 [N], A는 면적 [m²])로 정의된다.

시편의 면적은 압축에 따라 변하므로, 실제 면적은 가해진 하중의 함수이다. 공칭 응력은 실험 시작 시 면적으로 나눈 힘으로,

\sigma_e = \frac{F}{A_0}

(A₀는 원래 시편 면적 [m²])이다.

공칭 변형률은

\varepsilon_e = \frac{l -l_0}{l_0}

(l은 현재 시편 길이 [m], l₀는 원래 시편 길이 [m])이다. 대수 변형률 또는 자연 변형률이라고도 하는 진변형률은 연성 금속과 같은 재료에서와 같이 큰 변형을 더 정확하게 측정한다.^[3]

\epsilon = \ln (l/l_o)=ln(1+\epsilon_e)

압축 강도는 공칭 응력-변형률 곡선

(\varepsilon_e^*, \sigma_e^*)

상의 점에 해당하며,

\sigma_e^* = \frac{F^*}{A_0}

,

\varepsilon_e^* = \frac{l^* - l_0}{l_0}

(F^*는 파괴 직전 가해진 하중, l^*는 파괴 직전 시편 길이)로 정의된다.

2. 3. 공칭 응력과 진 응력

재료 시편에 신장이 발생하도록 하중이 가해지면 인장 상태라고 한다. 반면에 재료가 압축되어 단축되면 압축 상태라고 한다.

"변형률"은 인가된 응력 하에서 상대적인 길이 변화이다. 양의 변형률은 길이를 늘리는 경향이 있는 인장 하중을 받는 물체를 특징짓고, 물체를 단축시키는 압축 응력은 음의 변형률을 제공한다. 인장은 작은 측면 처짐을 정렬 상태로 되돌리는 경향이 있는 반면, 압축은 그러한 처짐을 좌굴로 증폭시키는 경향이 있다.

기본적인 정의에 따르면 일축 응력은 다음과 같이 주어진다.

:

\acute\sigma = \frac{F}{A}

:여기서 F는 인가된 하중 [N]이고 A는 면적 [m²]이다.

시편의 면적은 압축에 따라 변하므로, 실제 면적은 인가된 하중의 함수이다. 즉, A = f(F)이다. 실제로 응력은 실험 시작 시 면적으로 나눈 힘으로 정의되는데, 이를 공칭 응력이라고 하며 다음과 같이 정의된다.

:

\sigma_e = \frac{F}{A_0}

:여기서 A₀는 원래 시편 면적 [m²]이다.

마찬가지로 공칭 변형률은 다음과 같이 정의된다.

:

\varepsilon_e = \frac{l -l_0}{l_0}

:여기서 l은 현재 시편 길이 [m]이고 l₀는 원래 시편 길이 [m]이다.

일축 압축 하중이 물체에 가해지면 물체는 짧아지고 옆으로 퍼지므로 원래 단면적(A₀)이 하중을 받는 면적(A)으로 증가한다.^[3] 따라서 진응력(

\acute\sigma = F/A

)은 공칭응력(

\sigma_e=F/A_o

)과 달라진다.

시험편에 압축 하중이 가해지면 시험편은 짧아지고 옆으로 퍼지므로 단면적이 증가하고, 진응력은 다음과 같다.

:

\acute{\sigma} =F/A

그리고 공칭응력은 다음과 같다.

:

{\sigma_e} =F/A_o

외부 측면 구속이 없기 때문에 단면적(A)과 따라서 응력(

\acute\sigma

)은 시험편 길이를 따라 균일하다. 이 조건은 이상적인 시험 조건을 나타낸다. 실제로 고체적탄성률 재료(예: 고체 금속)의 부피는 일축 압축에 의해 변하지 않는다.^[3] 따라서

:

A l=A_o l_o

위의 변형률 방정식을 사용하면^[3]

:

A=A_o/(1+\epsilon_e)

그리고

:

\acute{\sigma} = \sigma_e(1+\epsilon_e)

압축 변형률은 음수이므로 진응력(

\acute\sigma

)은 공칭응력(

\sigma_e

)보다 작다.

3. 압축 강도에 영향을 미치는 요인

일축 압축 하중이 가해지면 물체는 짧아지고 옆으로 퍼지면서 원래 단면적( $A_o$ )이 하중을 받는 면적( $A$ )으로 증가한다.^[3] 따라서 진응력( $\acute\sigma = F/A$ )은 공칭응력( $\sigma_e=F/A_o$ )과 다르다. 재료가 파괴될 때 공칭응력을 측정하는 시험은 콘크리트 생산의 품질 관리와 같이 일상적인 분야에 쓰인다. 그러나 압축 하중 하에서 재료의 진응력을 구하는 것은 새로운 재료의 특성과 가공에 중점을 둔 연구에 중요하다.

시험편의 형상과 마찰은 압축 응력 시험 결과에 큰 영향을 줄 수 있다.^[3]^[4] 시험기와 시험편 사이 접촉점에서의 마찰은 양 끝에서의 측면 팽창(배럴링)을 제한하여 응력 분포가 균일하지 않게 될 수 있다.

3. 1. 재료의 종류

재료에 따른 압축 강도는 다음과 같다.^[1]

재료별 압축 강도
재료	압축 강도 (MPa)
도자기	500
뼈	150
얼음 (0 °C)	3
스티로폼	~1

콘크리트와 세라믹은 일반적으로 인장 강도보다 압축 강도가 훨씬 더 높다. 유리섬유 에폭시 매트릭스 복합재료와 같은 복합재료는 압축 강도보다 인장 강도가 더 높은 경향이 있다. 금속은 인장과 압축에서 파괴 시험을 하는 것이 어렵다. 압축 상태의 금속은 좌굴, 부서짐, 45° 전단으로 파괴되는데, 이는 결함이나 네킹으로 파괴되는 인장 파괴와는 매우 다르다(비록 더 높은 응력이 작용하지만).

3. 2. 시험 조건

재료의 극한 압축 강도는 만능 재료 시험기를 사용해 수행되는 압축 시험을 통해 결정된다. 시험 중에는 시험편이 파괴될 때까지 일축 압축 하중이 꾸준히 증가한다. 시험편은 보통 원통형이며, 하중 하에서 축 방향 단축과 횡방향 팽창을 모두 경험한다. 하중이 증가함에 따라 기계는 변형을 기록하여 응력-변형률 곡선을 그린다.

재료의 압축 강도는 곡선에 표시된 빨간색 점에서의 응력에 해당한다. 압축 시험에서 재료가 후크의 법칙을 따르는 선형 영역이 존재하며, 이 영역에서 재료는 탄성적으로 변형되고 응력이 제거되면 원래 길이로 돌아간다. 이 선형 영역은 항복점에서 끝나며, 이 지점 이상에서는 재료가 소성적으로 변형되어 하중이 제거된 후에도 원래 길이로 돌아가지 않는다.

공칭 응력과 진응력에는 차이가 있다. 일축 응력은 다음과 같이 주어진다.

\acute\sigma = \frac{F}{A},

여기서 F는 인가된 하중 [N]이고 A는 면적 [m²]이다.

시편의 면적은 압축에 따라 변하므로, 실제로는 면적이 인가된 하중의 함수 f(F)이다. 따라서 응력은 실험 시작 시 면적으로 나눈 힘으로 정의되는 공칭 응력을 사용한다.

\sigma_e = \frac{F}{A_0},

여기서 A₀는 원래 시편 면적 [m²]이다.

공칭 변형률은 다음과 같이 정의된다.

\varepsilon_e = \frac{l -l_0}{l_0},

여기서 l은 현재 시편 길이 [m]이고 l₀는 원래 시편 길이 [m]이다.

압축 강도는 공칭 응력-변형률 곡선

\left(\varepsilon_e^*, \sigma_e^*\right)

상의 점에 해당하며 다음과 같이 정의된다.

\sigma_e^* = \frac{F^*}{A_0}

\varepsilon_e^* = \frac{l^* - l_0}{l_0},

여기서 F^*는 파괴 직전에 인가된 하중이고 l^*는 파괴 직전의 시편 길이이다.

일축 압축 하중이 가해지면 물체는 짧아지고 옆으로 퍼지므로 원래 단면적 (A_o)이 하중을 받는 면적 (A)으로 증가한다.^[3] 따라서 진응력 (

\acute\sigma = F/A

)은 공칭응력 (

\sigma_e=F/A_o

)과 다르다.

시험편의 형상과 마찰은 압축 응력 시험 결과에 큰 영향을 줄 수 있다.^[3]^[4] 시험기와 시험편 사이 접촉점에서의 마찰은 양 끝에서의 측면 팽창(배럴링)을 제한하여 응력 분포가 균일하지 않게 될 수 있다.

압축 하중이 가해지면 시험편은 짧아지고 옆으로 퍼지므로 단면적이 증가하고, 진응력은 다음과 같다.

\acute{\sigma} =F/A

그리고 공칭응력은 다음과 같다.

{\sigma_e} =F/A_o

외부 측면 구속이 없기 때문에 단면적( A )과 응력(

\acute\sigma

)은 시험편 길이를 따라 균일하다. 실제 고체적탄성률 재료(예: 고체 금속)의 부피는 일축 압축에 의해 변하지 않는다.^[3] 따라서

A l=A_o l_o

위의 변형률 방정식을 사용하면^[3]

A=A_o/(1+\epsilon_e)

그리고

\acute{\sigma} = \sigma_e(1+\epsilon_e)

압축 변형률은 음수이므로 진응력(

\acute\sigma

)은 공칭응력(

\sigma_e

)보다 작다.

하중이 가해지면 시험편과 시험기 사이의 계면에서 마찰이 발생하여 시험편 양단의 측면 팽창이 제한된다. 이는 시험편 전체에 걸쳐 응력 분포가 불균일해지고, 연성 재료에서 배럴 효과(중앙이 부풀어 오름)가 발생하는 두 가지 영향을 미친다.

마찰을 줄이기 위해 다음과 같은 방법을 사용할 수 있다.

이황화몰리브덴(MoS2), 오일 또는 그리스와 같은 윤활제를 사용.
폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 기타 저마찰 시트를 사용.
구형 또는 자체 정렬 시험 고정구를 사용.

시험 결과에 대한 마찰의 영향을 보정하기 위해 세 가지 방법을 사용할 수 있다.

# 보정식

# 기하학적 외삽법

# 유한요소해석

3. 3. 마찰

재료에 하중이 가해져 늘어나면(신장) 인장 상태, 압축되어 짧아지면 압축 상태라고 한다. 원자 수준에서 보면, 압축 상태에서는 분자 또는 원자가 서로 밀착되고, 인장 상태에서는 서로 멀어진다. 고체의 원자는 항상 평형 위치를 유지하려 하기 때문에 인장이나 압축 모두에 저항하는 힘이 발생한다.

변형률은 가해진 응력에 대한 상대적인 길이 변화를 의미한다. 양의 변형률은 물체를 늘리는 인장 하중, 음의 변형률은 물체를 줄이는 압축 응력에서 발생한다. 인장은 작은 측면 처짐을 정렬 상태로 되돌리는 반면, 압축은 그러한 처짐을 좌굴로 증폭시킨다. 압축 강도는 재료, 부품,^[1] 및 구조물^[2]에서 측정된다.

일축 압축 하중이 가해지면 물체는 짧아지고 옆으로 퍼지면서 원래 단면적(

A_o

)이 하중을 받는 면적(

A

)으로 증가한다.^[3] 따라서 진응력(

\acute\sigma = F/A

)은 공칭응력(

\sigma_e=F/A_o

)과 다르다. 시험편의 형상과 마찰은 압축 응력 시험 결과에 큰 영향을 줄 수 있다.^[3]^[4] 시험기와 시험편 사이 접촉점에서의 마찰은 양 끝에서의 측면 팽창(배럴링)을 제한하여 응력 분포를 불균일하게 만들 수 있다.

압축 하중이 가해지면 시험편은 짧아지고 옆으로 퍼지면서 단면적이 증가하고, 진응력과 공칭응력은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

:

\acute{\sigma} =F/A

:

{\sigma_e} =F/A_o

외부 측면 구속이 없으면 단면적(

A

)과 응력(

\acute\sigma

)은 시험편 길이에 따라 균일하다. 이는 이상적인 시험 조건을 나타낸다. 실제로 고체적탄성률 재료(예: 고체 금속)의 부피는 일축 압축에 의해 변하지 않으므로,^[3] 다음과 같은 관계가 성립한다.

:

A l=A_o l_o

위의 변형률 방정식을 사용하면^[3]

:

A=A_o/(1+\epsilon_e)

:

\acute{\sigma} = \sigma_e(1+\epsilon_e)

압축 변형률은 음수이므로 진응력(

\acute\sigma

)은 공칭응력(

\sigma_e

)보다 작다. 변형이 클 때는 공칭 변형률(

\epsilon_e

) 대신 진변형률(

\acute \epsilon

)을 사용할 수 있다.

하중이 가해지면 시험편과 시험기 사이의 마찰로 인해 시험편 양 끝의 측면 팽창이 제한된다. 이는 시험편 전체에 걸쳐 응력 분포가 불균일해져 중앙에는 응력이 높고 가장자리에는 응력이 낮아 결과의 정확도에 영향을 미치고, 연성 재료에서 배럴 효과(중앙이 부풀어 오름)가 발생하여 시험편의 형상이 변하고 하중 지지 능력에 영향을 미쳐 겉보기 압축 강도가 높아지는 두 가지 영향을 미친다.

3. 3. 1. 마찰의 영향 감소 방법

다음은 마찰의 영향을 줄이기 위해 사용되는 몇 가지 방법이다.

이황화몰리브덴(MoS2), 오일 또는 그리스와 같은 적절한 윤활제를 사용한다.^[4] 그러나 사용된 윤활제가 재료 특성에 영향을 미치지 않도록 주의해야 한다.
시험기와 시험편 사이에 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE) 또는 기타 저마찰 시트를 사용한다.
시험편 표면 전체에 걸쳐 하중을 보다 고르게 가하여 마찰을 최소화할 수 있는 구형 또는 자체 정렬 시험 고정구를 사용한다.

3. 3. 2. 마찰의 영향 보정 방법

보정식, 기하학적 외삽법, 유한요소해석의 세 가지 방법을 사용하여 시험 결과에서 마찰의 영향을 보정할 수 있다.

연성 재료(예: 금속)로 만들어진 높은 체적 탄성률을 가진 원형 시험편은, 양단의 마찰 접촉으로 인해 축 방향 압축 하중 하에서 배럴 모양을 형성하는 경향이 있다. 이 경우, 이러한 조건에 대한 등가 진응력은 다음을 사용하여 계산할 수 있다.^[4]

:

\acute\sigma= C \sigma_a

여기서

:

C= {(1-2 R/d_2) \ln(1-d_2/(2R))}^{-1}

:

R= (l^2+(d_2-d_1)^2)/ (4(d_2-d_1))

:

\sigma_a=4F/(\pi d_2^2)

:

l

은 시험편의 하중 길이,

:

d_1

은 시험편 양단의 하중 지름,

:

d_2

는 시험편의 최대 하중 지름이다.

시험편의 양단과 시험기 사이에 마찰이 없는 접촉이 있는 경우, 팽창 반지름은 무한대가 되고 (

R=\infty

),

C=1

이 된다.^[4] 이 경우, 공식은

\acute{\sigma} = \sigma_e(1+\epsilon_e)

와 같은 결과를 제공한다.

\sigma_a

는 비율

(d_o/d_2)^2

에 따라 변하기 때문이다.

시험 결과에서 얻은 매개변수 (

F, d_1, d_2 ,l

)는 이러한 공식을 사용하여 파괴 시 등가 진응력

\acute\sigma

를 계산하는 데 사용할 수 있다.

시험편 형상 효과 그래프는 진응력과 공칭응력의 비율 (σ´/σ_e)이 시험편의 종횡비 (

d_o/l_o

)에 따라 어떻게 변하는지 보여준다. 이 곡선은 위에 제시된 공식을 사용하여 시험편 형상 효과 계산 표에 제시된 특정 값을 기반으로 계산되었다. 시험편에 끝 구속이 적용된 곡선의 경우, 시험편과 시험기 사이의 접촉점에서 마찰 계수가 1 이상이라고 가정한다 (μ ⩾ 1). 그래프에 표시된 것처럼, 시험편의 상대적인 길이가 증가함에 따라 (

d_o/l_o\rightarrow0

), 진응력과 공칭응력의 비율 (

\acute\sigma/ \sigma_e

)은 시험편과 시험기 사이의 마찰 없는 접촉에 해당하는 값에 접근하며, 이는 이상적인 시험 조건이다.

시험편 형상 효과 계산
	마찰 없음	측면 구속
일정 부피	$\pi l_o d_o^2/4 = \pi l (d_2^2+d_1^2)/12$
같은 지름	$d_1=d_2$	$d_o=d_1$
$d_2$ 에 대한 해	$\pi l_o d_o^2/4 = \pi l (d_2^2+d_2^2)/12$	$\pi l_o d_o^2/4 = \pi l (d_2^2+d_o^2)/12$
$d_2$ 에 대한 해	$d_2=d_o\sqrt{l_o/l}$	$d_2=3d_o\sqrt{(3l_o/l-1)/18 }$
등가 응력 비율	$\acute\sigma/\sigma_a= 1$	$\acute\sigma/\sigma_a= C$
공칭응력	$\sigma_e = 4F/\pi d_o^2$
평균 응력	$\sigma_a = 4F/\pi d_2^2$
평균 응력 비율	$\sigma_a/\sigma_e=(d_o/d_2)^2$
진변형률	$\acute\epsilon=\ln(l/l_o)$

보정 공식에서 설명된 바와 같이, 시험편의 길이가 증가하고 종횡비가 0에 가까워짐에 따라 (

d_o/l_o\longrightarrow 0

), 압축 응력(σ)은 실제 값(σ′)에 가까워진다. 그러나 과도하게 긴 시험편을 사용한 시험은 재료의 실제 압축 강도에 도달하기 전에 좌굴되어 파괴되므로 실용적이지 않다. 이를 극복하기 위해 다양한 종횡비를 가진 시험편을 사용하여 일련의 시험을 수행할 수 있으며, 외삽을 통해 실제 압축 강도를 결정할 수 있다.^[3]

4. 압축 파괴 모드

압축 파괴는 재료에 압축 하중이 가해졌을 때 발생하는 다양한 파괴 현상을 통칭한다. 압축 파괴는 재료의 특성, 하중의 크기 및 방향, 구속 조건 등에 따라 여러 가지 형태로 나타난다.

축 방향 분할: 취성 재료가 압축 하중을 받을 때, 재료 내부의 탄성 에너지가 인장 응력 방향에 수직으로 방출되면서 발생한다. 이때 재료의 푸아송 비에 따라 한 방향으로 압축되면 다른 두 방향으로 변형이 일어난다. 균열은 하중과 평행한 새로운 표면을 형성하며, 재료는 여러 조각으로 분리된다. 이러한 현상은 주로 압축력이 없는 상태, 즉 하중에 수직인 축에 대한 압축 하중이 적을 때 발생한다.^[6]

미세 균열: 취성 및 준취성 재료에서 압축 파괴의 주된 원인이다. 균열 끝에서 미끄러짐이 발생하면 인장력이 발생하고, 기존 균열 주변에 미세 균열이 형성된다. 이러한 미세 균열은 다음과 같은 요인에 의해 발생할 수 있다.
다공성: 재료 내부의 기공 주변에 미세 균열이 형성될 수 있다.
강성 개재물: 석출물과 같은 강한 입자들이 국부적인 인장 영역을 유발할 수 있다.
약한 경사진 계면: 기공이나 강성 개재물이 없더라도, 약한 계면에서 미끄러짐이 발생하여 2차 균열을 생성할 수 있다.

미세 균열은 원래 균열과 수직으로 생성되는 2차 균열이며, 단순 압축에서는 원래 균열 길이의 10~15배까지 성장할 수 있다. 그러나 횡압축 하중이 가해지면 성장이 제한된다.^[9]

전단 밴드: 시료가 충분히 크고, 가장 심각한 결함의 2차 균열이 시료를 파괴할 만큼 성장하지 못하면, 다른 결함에서도 2차 균열이 성장한다. 이는 시료 전체에 걸쳐 균일하게 발생하며, 계단형 구조를 형성하여 전단 파괴 불안정성을 유발한다.

결국 재료는 비균질적으로 변형되고, 변형률이 더 이상 하중에 선형적으로 변하지 않게 된다. 변형 이론에 따라 재료는 전단대를 국부적으로 생성하며, 이는 압축 하중 하에서 주요 파괴 과정의 시작으로 간주된다.^[10]

4. 1. 좌굴(Buckling)

좌굴비가 너무 높아 압축 하중을 받는 재료는 좌굴로 파괴될 가능성이 높다. 재료가 연성이면 일반적으로 항복이 발생하며 배럴링 효과가 나타난다. 압축 하중을 받는 취성 재료는 하중 방향에 수직인 방향의 구속 수준에 따라 축 방향 분할, 전단 파괴 또는 연성 파괴로 파괴된다. 구속이 없는 경우(일명 압축력) 취성 재료는 축 방향 분할로 파괴될 가능성이 높다. 중간 정도의 압축력은 종종 전단 파괴를 초래하는 반면, 높은 압축력은 취성 재료에서도 연성 파괴로 이어진다.^[5]

축 방향 분할은 인장 응력 방향에 수직인 방향으로 탄성 에너지를 방출하여 취성 재료의 탄성 에너지를 완화한다. 재료의 푸아송 비에 따라 한 방향으로 탄성적으로 압축된 재료는 다른 두 방향으로 변형된다. 축 방향 분할 중에 균열은 가해진 하중과 평행한 새로운 표면을 형성하여 그 인장 변형을 방출할 수 있다. 그런 다음 재료는 두 개 이상의 조각으로 분리된다. 따라서 축 방향 분할은 주로 압축력이 없는 경우, 즉 주로 가해지는 하중에 수직인 축에 대한 압축 하중이 적을 때 가장 자주 발생한다.^[6] 미세 기둥으로 분할된 재료는 자유단의 계면 불균일성 또는 응력 차폐로 인해 서로 다른 마찰력을 느낄 것이다. 응력 차폐의 경우 재료의 불균일성으로 인해 다른 영률이 발생할 수 있다. 이는 응력이 불균등하게 분포되어 마찰력의 차이를 초래한다. 어느 경우든 이로 인해 재료 단면이 구부러지기 시작하여 궁극적인 파괴로 이어진다.^[7]

4. 2. 항복(Yielding)

압축 하중을 받는 재료의 길이 대 유효 반지름 비율(좌굴비)이 너무 높으면 재료가 좌굴로 파괴될 가능성이 높다. 그렇지 않고 재료가 연성이면 일반적으로 항복이 발생하며 위에서 설명한 배럴링 효과가 나타난다. 압축 하중을 받는 취성 재료는 하중 방향에 수직인 방향의 구속 수준에 따라 축 방향 분할, 전단 파괴 또는 연성 파괴로 파괴된다. 구속이 없는 경우(일명 압축력) 취성 재료는 축 방향 분할로 파괴될 가능성이 높다. 중간 정도의 압축력은 종종 전단 파괴를 초래하는 반면, 높은 압축력은 취성 재료에서도 연성 파괴로 이어진다.^[5]

축 방향 분할은 인장 응력 방향에 수직인 방향으로 탄성 에너지를 방출하여 취성 재료의 탄성 에너지를 완화한다. 재료의 푸아송 비에 따라 한 방향으로 탄성적으로 압축된 재료는 다른 두 방향으로 변형된다. 축 방향 분할 중에 균열은 가해진 하중과 평행한 새로운 표면을 형성하여 그 인장 변형을 방출할 수 있다. 그런 다음 재료는 두 개 이상의 조각으로 분리된다. 따라서 축 방향 분할은 주로 압축력이 없는 경우, 즉 주로 가해지는 하중에 수직인 축에 대한 압축 하중이 적을 때 가장 자주 발생한다.^[6] 이제 미세 기둥으로 분할된 재료는 자유단의 계면 불균일성 또는 응력 차폐로 인해 서로 다른 마찰력을 느낄 것이다. 응력 차폐의 경우 재료의 불균일성으로 인해 다른 영률이 발생할 수 있다. 이는 응력이 불균등하게 분포되어 마찰력의 차이를 초래한다. 어느 경우든 이로 인해 재료 단면이 구부러지기 시작하여 궁극적인 파괴로 이어진다.^[7]

4. 3. 축 방향 분할(Axial Splitting)

축 방향 분할은 인장 응력 방향에 수직인 방향으로 탄성 에너지를 방출하여 취성 재료의 탄성 에너지를 완화한다. 재료의 푸아송 비에 따라 한 방향으로 탄성적으로 압축된 재료는 다른 두 방향으로 변형된다. 축 방향 분할 중에 균열은 가해진 하중과 평행한 새로운 표면을 형성하여 그 인장 변형을 방출할 수 있다. 그런 다음 재료는 두 개 이상의 조각으로 분리된다.^[6] 따라서 축 방향 분할은 주로 압축력이 없는 경우, 즉 주로 가해지는 하중에 수직인 축에 대한 압축 하중이 적을 때 가장 자주 발생한다.

미세 기둥으로 분할된 재료는 자유단의 계면 불균일성 또는 응력 차폐로 인해 서로 다른 마찰력을 느낄 것이다. 응력 차폐의 경우 재료의 불균일성으로 인해 다른 영률이 발생할 수 있다. 이는 응력이 불균등하게 분포되어 마찰력의 차이를 초래한다. 어느 경우든 이로 인해 재료 단면이 구부러지기 시작하여 궁극적인 파괴로 이어진다.^[7]

4. 4. 전단 파괴(Shear Failure)

중간 정도의 압축력은 종종 전단 파괴를 초래한다.^[5]

4. 5. 미세 균열(Microcracking)

미세균열은 취성 및 준취성 재료가 압축 하중을 받을 때 파괴되는 주요 원인이다. 균열 끝에서 미끄러짐이 발생하면, 균열 끝에 인장력이 생긴다. 미세균열은 주로 기존의 균열 끝 주변에서 만들어지는 경향이 있다. 국부적인 인장 영역을 만드는 것은 국부적인 미세구조적 이상 현상과 상호 작용하는 전반적인 압축 응력이다. 미세균열은 다음과 같은 몇 가지 요인으로 인해 발생할 수 있다.

# 다공성은 많은 재료에서 압축 강도를 제어하는 요인이다. 미세균열은 기공 주변에 형성될 수 있으며, 크기가 모기공과 거의 같아질 때까지 형성된다. (a)

# 석출물과 같은 재료 내의 강성 개재물은 국부적인 인장 영역을 유발할 수 있다. (b) 개재물이 그룹으로 묶여 있거나 더 클 경우 이 효과가 증폭될 수 있다.

# 기공이나 강성 개재물이 없더라도 재료는 약한 경사진(인가된 응력에 대해) 계면 사이에 미세균열을 발생시킬 수 있다. 이러한 계면은 미끄러져 2차 균열을 생성할 수 있다. 원래 계면의 미끄러짐이 2차 균열을 계속 열어두기 때문에 이러한 2차 균열은 계속 열릴 수 있다(c). 계면의 미끄러짐만으로는 2차 균열 성장에 대한 전적인 책임이 없다. 재료의 영률의 불균일성으로 인해 유효 미스핏 변형이 증가할 수 있기 때문이다. 이러한 방식으로 성장하는 균열을 날개 끝 미세균열이라고 한다.^[8]

미세균열의 성장은 원래 균열이나 결함의 성장이 아니다. 핵 생성되는 균열은 원래 균열에 수직으로 생성되며 2차 균열이라고 한다.^[9] 위의 그림은 날개 끝 균열에 대해 이 점을 강조한다.

이러한 2차 균열은 단순(일축) 압축에서 원래 균열 길이의 10~15배까지 길어질 수 있다. 그러나 횡압축 하중이 가해지는 경우 성장은 원래 균열 길이의 몇 배의 정수배로 제한된다.^[9]

4. 6. 전단 밴드(Shear Band)

시료의 크기가 충분히 커서 가장 심각한 결함의 2차 균열이 시료를 파괴할 만큼 성장하지 못하면, 시료 내의 다른 결함들도 2차 균열을 성장하기 시작한다. 이는 시료 전체에 걸쳐 균일하게 발생한다. 이러한 미세균열은 사면 파괴 불안정성의 핵인 “고유”한 파괴 거동을 형성하는 계단형 구조를 형성한다.

이는 결국 재료가 비균질적으로 변형되는 결과를 초래한다. 즉, 재료에 의해 발생하는 변형률이 더 이상 하중에 대해 선형적으로 변하지 않는다. 변형 이론에 따라 재료가 파괴될 전단대를 국부적으로 생성한다. “국부적인 띠의 발생은 반드시 재료 요소의 최종 파괴를 구성하는 것은 아니지만, 압축 하중 하에서 주요 파괴 과정의 시작이라고 추정됩니다.”^[10]

5. 재료별 압축 강도

재료별 압축 강도
재료	압축 강도 (MPa)
강철	250-1,500
도자기	20-1,000^[11]
뼈	106-131^[12]
콘크리트	17-70^[13]
얼음 (−5 ~ −20 °C)	5–25^[14]
얼음 (0 °C)	3^[15]
스티로폼	~1

6. 콘크리트의 압축 강도

콘크리트의 압축 강도는 설계자가 고려해야 할 가장 중요한 공학적 특성 중 하나이다. 주어진 콘크리트 혼합물의 압축 강도는 등급으로 분류하는 것이 일반적이다. 이 값은 입방체 또는 원통형 콘크리트 시료를 압축계를 사용하여 시험하여 측정한다. 시험 요구 사항은 국가별로 다르다.

인도 표준에 따르면, 콘크리트 압축 강도는 28일 후 시험한 150mm 크기 입방체의 특성 압축 강도(fck)로 나타낸다. 현장에서는 28일 후 예상 압축 강도를 확인하기 위해 7일 후에도 압축 강도 시험을 실시하여 파손을 미리 경고하고 예방 조치를 취한다. 특성 강도는 시험 결과의 5%를 초과하지 않는 콘크리트의 강도로 정의된다.^[16]

설계 목적상 이 압축 강도 값은 안전율로 나누어 제한하며, 안전율 값은 사용된 설계 철학에 따라 달라진다. 건설업계에서는 ASTM C39, ASTM C109, ASTM C469, ASTM C1609와 같은 시험 표준을 사용하여 콘크리트의 기계적 특성을 측정한다. 콘크리트 압축 강도 및 기타 재료 특성을 측정할 때는 수동 제어 또는 서보 제어 시험 장비를 선택할 수 있다. 시험 방법에 따라 하중 속도를 특정 값이나 범위로 지정하거나 제한하기도 하고, 매우 낮은 속도로 실행되는 시험 절차를 기반으로 데이터를 요청하기도 한다.^[17]

6. 1. 콘크리트 압축 강도 시험

설계자에게 압축강도는 콘크리트의 가장 중요한 공학적 특성 중 하나이다. 주어진 콘크리트 믹스의 압축강도는 등급으로 분류하는 것이 표준 산업 관행이다. 이 값을 측정하기 위해 입방체 또는 원통형 콘크리트 시료를 압축 시험기로 시험한다. 시험 요구 사항은 국가별로 다른 설계 기준에 따라 다르다. 압축계의 사용이 일반적이다. 인도 규격에 따르면 콘크리트의 압축강도는 다음과 같이 정의된다.

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콘크리트의 압축강도는 28일 후 시험한 150mm 크기 입방체의 특성 압축강도(fck)로 나타낸다. 현장에서는 28일 후 예상 압축강도를 확인하기 위해 7일 후에도 중간 기간에 압축강도 시험을 실시한다. 이는 파손 사례를 미리 경고하고 필요한 예방 조치를 취하기 위해서이다. '''특성 강도'''는 시험 결과의 5%를 초과하지 않는 '''콘크리트'''의 '''강도'''로 정의된다.^[16]

설계 목적상 이 압축강도 값은 안전율로 나누어 제한하는데, 안전율 값은 사용된 설계 철학에 따라 달라진다.

건설업계는 다양한 시험에 종종 관여한다. 단순한 압축 시험 외에도 ASTM C39, ASTM C109, ASTM C469, ASTM C1609와 같은 시험 표준은 콘크리트의 기계적 특성을 측정하는 데 따를 수 있는 시험 방법 중 일부이다. 콘크리트의 압축강도 및 기타 재료 특성을 측정할 때 수동으로 제어하거나 서보 제어할 수 있는 시험 장비를 선택할 수 있다. 특정 시험 방법은 하중 속도를 특정 값이나 범위로 지정하거나 제한하는 반면, 다른 방법은 매우 낮은 속도로 실행되는 시험 절차를 기반으로 데이터를 요청한다.^[17]

초고성능 콘크리트(UHPC)는 압축강도가 150MPa를 초과하는 것으로 정의된다.^[18]

6. 2. 초고성능 콘크리트(UHPC)

초고성능 콘크리트(UHPC)는 압축강도가 150MPa를 초과하는 것으로 정의된다.^[18]

참조

_[1] 논문 Column Compression Strength of Tubular Packaging Forms Made of Paper http://www.fpl.fs.fe[...] 2014-05-13
_[2] 서적 Timber Bridges: Design, Construction, Inspection, and Maintenance https://web.archive.[...] US Dept of Agriculture, Forest Products Laboratory 2014-05-13
_[3] 서적 Mechanics of Solids and Structures Pitman
_[4] 논문 A method for in-process failure prediction in cold upset forging 1983-08-01
_[5] 서적 Introduction to contact mechanics https://www.worldcat[...] Springer 2007
_[6] 논문 The Damage Mechanics of Brittle Solids in Compression
_[7] 논문 Universal Behaviour in Compressive Failure of Brittle Materials
_[8] 논문 Size Effect in Compression Fracture: Splitting Crack Band Propagation 1997-02-01
_[9] 논문 Compression-Induced Microcrack Growth in Brittle Solids: Axial Splitting and Shear Failure 1985-03-10
_[10] 간행물 Fracture in Compression of Brittle Solids The National Academies Press
_[11] 논문 The shear strength of dental porcelain https://pubmed.ncbi.[...] 1980-08-01
_[12] 웹사이트 Bone Strength - an overview https://www.scienced[...] 2023-08-25
_[13] 웹사이트 CIP 35 - Testing Compressive Strength of Concrete https://cdn.zephyrcm[...] National Ready Mixed Concrete Association
_[14] 논문 Review Mechanical properties of ice and snow https://doi.org/10.1[...] 2003-01-01
_[15] 논문 Compressive strength of atmospheric ice 2007-09-01
_[16] 웹사이트 Compressive Strength of Concrete & Concrete Cubes http://civildigital.[...] 2016-07-07
_[17] 웹사이트 Concrete Testing: Manual vs. Automated Operation https://www.admet.co[...]
_[18] 웹사이트 Multiscale structure-property relationships of ultra-high performance concrete - EVOCD https://icme.hpc.mss[...] 2022-09-15

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