재료의 굽힘 탄성계수 측정 실험

소개글

재료의 굽힘 탄성계수 측정 실험에 대한 보고서 자료입니다.

본문내용

비롯한 실험 장치 또한 많은 이들이 장기간 사용하여 와서
오차를 유발할 수 있음.
→ 실제로 추를 매달아 최대한 추의 흔들림을 없애고 난 이후에도 실험장치가 설치된 책상에 충격을 가했을 때 결과 값이 판이하게 달라짐을 확인하였음.
4) 실험실의 환경을 들 수 있겠다. 실험이 책상위에서 이루어 졌는데 실험 도중 에 책상에 약간의 충격이 가해져도 실험값들이 상당히 달라지는 것을 볼 수 있 었다.
(4) 탄성계수 측정 실험에 있어서 4-Point Loading 실험을 하는 이유에 대해 설명
하시오.
4-Point Bending을 주로 탄성계수 측정 실험에 이용하는 이유는 4-Point Bending 실험의 경우에는 보의 중심을 경계로 양쪽이 대칭을 이루는 형태이므로, 그 중앙에 가장 큰 굽힘 모멘트를 받고 전체적으로 균형적인 모멘트를 가해줄 수가 있으며, 3-Point Bending 실험보다 굽힘 거동에 대한 관찰이 더 용이하고, 더 작은 오차범위 내에서 굽힘의 현상을 관찰할 수 있기 때문이다.
(5) 처짐에 영향을 미치는 인자에 대해 조사하고, 이유를 설명하시오.
처짐을 구하는 식은 다음과 같다.
<==4-point bending
<==3-point bending
이 식에서도 알 수 있듯이 처짐량은 하중, 빔의 길이, 하중이 걸리는 위치, 탄성계수, 모멘트의 영향을 크게 받는다. 하중과 빔의 길이에 비례하고, 탄성계수와 모멘트의 크기에 반비례한다. 여기서 관성모먼트 I는 아래의 식을 보면 알 수 있듯이 재료의 높이와 폭에 관계되는 것으로써 특히 높이에 따라 크게 변함을 알 수 있다. 이는 재료의 성질뿐 아니라 재료의 형상도 상당히 중요한 인자임을 말하는 것이라 하겠다. 의 식 ( W= 폭, h= 넓이 )으로 주어지며 단면의 형상에 따라 달라지므로 단면의 형상도 처짐에 영향을 주는 인자라고 말할 수 있겠다. 또한, 재료의 보관상태나 환경에 따라서 재료가 산화가 되고, 팽창 또는 수축하는 등의 변화가 일어날 가능성이 있으므로 온도와 습도 등 환경 요인 또한 처짐에 영향을 미치는 인자가 될 수 있다.
(6) 처짐을 줄일 수 있는 단면 형상들에 대해 조사하고, 그 이유를 설명하시오.
처짐에 영향을 주는 인자들 중에서 단면의 형상과 관련이 있는 인자는 관성모멘트일 것이다. 관성모멘트는 위에서 말했듯이,
등의 식으로 주어지므로 재료의 폭과 높이의 수치가 얼마나 되느냐 에 따라서, 그리고 그 단면의 무게중심의 위치에 따라서 재료의 처짐은 달라질 것 이다. 재료의 처짐과 관성모멘트 사이에는 반비례관계가 성립되므로 재료의 처짐 을 줄이기 위해서는 관성모멘트가 작은 재료를 사용해야 좋을 것이다. 일단 간단 히 직사각형 보의 예를 들어보자. 직사각형의 폭이 w이고, 높이가 h인 단면의 경 우 관성모멘트의 식은 위에 언급한 바와 같으므로 식에서 세제곱이 되는 높이 h가 폭 w보다 큰 영향을 미치게 된다. 그렇기 때문에 단면에서 더 긴 쪽을 높이로 주 어 설계를 하는 것이 처짐을 줄이는 방안 중에 한가지이다. 또한, 재료 역학에서 배웠듯이 H beam, 혹은 I beam 은 면적이 중립축으로부터 멀리 떨어져 있지 않은 같은 면적의 대칭단면에 비교하면 훨씬 작은 최대 굽힘 응력 값을 주게 되므로 처 짐을 줄일 수 있는 단면 형상이라 할 수 있다.
(7) 재료의 변형(처짐)이 대단히 크다면 이론식과 실험 data를 신뢰할 수 있을 것인가? 신뢰할 수 없다면 그 이유를 설명하시오.
재료의 처짐이 대단히 크게 일어났다면 그것은 신뢰할 수 없을 것이다. 그 이유는 이 실험은 탄성 변형 구간 내에서 이루어지는 것을 기본으로 하고 있는데, 재료에 계속적인 변형을 가하거나 재료가 버틸 수 있는 것 이상의 하중이 가해지면 재료의 상태는 소성 변형 구간에 이르게 되어서 재료에 영구적인 변형이 일어날 수 있기 때문이다. 그렇기 때문에 탄성 변형 구간을 벗어날 정도로 재료의 변형이 대단히 크다면 그 실험의 data는 신뢰할 수 없게 되고, 탄성계수 또한 무의미해진다.
(8) 재료의 굽힘 또는 처짐으로 생기는 문제를 일상 생활에서 찾아서 2가지만 서술해 보시오.
1) 현대 건물보다는 조금은 오래된 기와집에서 처짐을 볼 수 있다. 기둥과 기둥사이의 보의 처짐으로 인해 지붕이 내려앉는 현상이 발생함으로써 우리의 문화재 중에도 몇몇은 보수 공사를 필요로 하고 있다고 한다.
2) 철근 구조물로 이루어진 교량을 예로 들 수 있다. 성수대교 붕괴 사고를 보면 잘 알 수 있다. 붕괴양상을 보면 중앙의 교량이 하나가 떨어져 나갔었는데, 이 는 교량이 계속적인 반복하중을 받아 처짐량이 증가하다가 결국은 용접부위 그 처짐을 버티지 못하고 파괴되어 사고가 일어났었다. 이는 재료의 탄성계수와 같 은 재료 역학적인 수치를 잘못 알고 교량을 설계하고 건설한 부실공사가 일으킨 사고였다.
4. 고찰
이 실험은 재료에 가해지는 하중과 그 하중과 지지점 사이의 간격이 재료의 굽힘 또는 처짐과 같은 변형에 어떤 영향을 주는지 알아보는 실험이었다. 빔 변위 측정 장치와 다이얼 게이지 등의 실험도구를 사용하여, 황동, 알루미늄, Steel 시편의 굽힘 정도를 실험한 후 그 Data를 이론값과 비교분석해 보았다.
→ 하중이 증가함에 따라 재료의 처짐량이 증가하는 것을 확인하였고, 하중을 받는 점과 지지점의 간격이 늘어남에 따라 재료의 처짐량이 증가하는 것을 확인하였다.
→ 실험의 결과 Data를 보면 각 시편의 탄성계수 값이 일정하지 않고 많은 차이를 보이고 있는데, 이는 위의 과제 3.에서 이미 언급한 것과 같이 여러 가지 요인에 의한 오차에 의해서 생긴 결과 인 것 같다.
→ 처짐이나 굽힘과 같은 재료의 변형을 방지하기 위해서는 하중이나 지지대 사이의 거리등의 조건 뿐 만이 아니라, 탄성계수, 관성모멘트 즉, 단면의 형상도 매우 중요하게 작용한다는 사실을 알았다.
이번 실험을 통해 재료역학 시간에 배웠던 이론들을 직접 실험해 보고 실험과
이론값을 비교해 보았으나 이론값에 가까운 실험값을 얻지 못해 아쉽긴 하였지만
이러한 경험들을 통해 원인을 분석해 보고 오차의 요인을 찾아보고 하는 것들이 학
습에 보다 많은 도움이 되었던 것 같다.

키워드

굽힘,   굽힘 모멘트,   탄성 계수,   변형량과 하중의 관계,   굽힘 파단 강도