응력 (Stress, σ), 응력의 측정 및 사용목적

1. 응력 (Stress, σ) 이란 ?

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응력 (Stress, σ)은 외부로 부터 가해지는 힘 또는 압력에 의해 물질 또는 물체 내부에서 발생하는 내부력이나 압력을 나타내는 물리적인 양이다. 응력은 단위 면적당 내부 힘의 강도로 나타낸다. 응력은 단위 면적당 힘을 크기로 표현한다.

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응력은 외부의 힘, 온도 변화, 변형 등 다양한 외부 요인에 의해 발생한다. 이에 대응하는 응력은 물질이 외부 영향에 대해 어떻게 반응하는지를 나타내 주기도 한다.

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응력에는 다음과 같은 여러가지 유형이 있다.

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  ◈ 인장 응력 (Tensile stress) : 인장 응력은 물질을 늘리거나 길게 늘어나는 힘이 작용했을 때 나타난다. 물질의 길이 방향

                                                   으로 인장이 발생하며 양(+)의 응력값을 가진다.

◈ 압축 응력 (Compressive stress) : 압력 응력은 물질을 압축하거나 압착할 때 발생한다. 물질의 길이 방향에서 압축이

                                                    발생하며 음(-)의 응력값을 가진다.

◈ 전단 응력 (Shear stress) : 굽힘 응력은 굽힘 또는 휨 하중에 의해 인장 및 압축 응력이 복합적으로 작용하는 물체에

                                                발생한다. 물체의 볼록(인장) 및 오목 (압축) 면에서 발생한다.

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응력을 이해하는 것은 공학, 재료과학, 그리고 다양한 분야에서 구성요소, 구조물, 재료의 구조적 무결성, 성능, 안정성을 보장하기 위해 중요시 된다. 응력 분석을 통해 응력 분포와 그 영향을 평가하여 구조물과 재료를 설계, 평가, 최적화하고 안전한 한계 내에서 운영할 수 있도록 결정을 내릴 수 있다.

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응력 (σ)은 힘(F)를 면적 (A)로 나눈 값으로 표현한다.​

 

 

 

위 그림과 같이 막대가 바닥에 고정되어 있고 그 위로 당기는 힘이 작용한다고 하자. 외력 (External force)는 Fe라고 하고 이에 대응하여 물체를 지지하기 위한 반력(Reaction Force)를 Fr 이라고 하면 두 힘의 크기는 같게 된다.

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위 그림의 오른 쪽 부분은 막대의 일부분을 나타낸 것이다. 응력 (Stress)이란 단위 면적당 물체가 원래 형태로 돌아 가려고 하는 저항력을 말한다. 위, 오른쪽 그림과 같이 막대기의 절단면을 따로 떼어내 살펴보면 외력에 의해 동일한 힘 Fs 로 원래 상태로 되돌리려는 복원력이 생기게 된다. 즉, 이 힘은 변형시키려는 힘에 대응하여 견디려고 하는 힘인 내력이 된다. 정지된 상태를 유지하기 위한 내력 Fi가 동일하게 작용하게 된다. 이를 아래와 같이 표현할 수 있다.

∑ 응력 = 내력

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2. 응력 (Stress, σ)의 측정 및 사용 목적

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응력 (σ) 값은 다양한 분야에서 사용되며 해당 분야에 따라 다양한 분석과 응용이 이루어 진다.

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Structural Engineering and Construction : 응력값은 구조물이나 기계요소의 강도와 안정성을 평가하는데 사용된다. 응력값을 분석하여 부재의 최대 응력, 응력 분포 · 집중 등을 확인할 수 있다. 이를 통해 구조물의 강도를 검증하고 재료의 파괴 가능성이나 변형 가능성을 예측할 수 있다. 응력값 분석은 구조 설계, 재료 선택, 부품 제작 등 다양한 공학 응용에 활용된다.

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Manufacturing and Material Science : 응력값은 재료의 기계적 특성을 평가하는데 사용된다. 재료의 응력 변형 특성을 분석하여 인장강도, 굽힘 강도, 연신율 등을 평가할 수 있다. 이를 통해 적절한 재료 선택, 재료의 가공 공정 최적화, 구성요소의 재료 개선 등이 가능하다.

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Geotechniacl Engineering : 응력 값은 지반의 응력 상태와 안정성을 평가하는데 사용된다. 지반에 가해지는 응력을 분석하여 지진, 토사의 소용돌이 등의 자연재해로 부터 지반의 반응을 예측하고 토설 및 지반 안정성 설계 등에 활용된다.

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Biomechics and Biomedical Engineering : 응력값은 생체재료나 조직에서의 응력 분석에 사용된다. 예를 들어 인체 뼈나 조직에서 응력을 분석하여 부하에 대한 반응을 평가하고 인공장기 설계, 의학적 치료 기술 개발 등에 사용된다.

 

위 그림과 같이 열화상 촬영 등을 활용하여 온도에 따른 변위를 측정하여 Stress와 온도 사이의 관계를 분석하는 등, 응력을 측정하여 재료 분석에 활용할 수 있다.

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