건축재료학의 목적 건축재료의 분류 건축재료의 역학적/물리적 성질 1장 총론 건축재료학의 목적 건축재료의 분류 건축재료의 역학적/물리적 성질

건축재료공학의 목적 재료학의 목적 건축재료의 성분/조직/구조의 명확한 이해 건축재료의 물리적/화학적/생물학적/역학적 성질 해명 사용목적과 조건에 따라 안전하고 합리적인 이용방법을 계통적으로 연구 건축물을 만들기 위해 그 기초가 되는 재료의 물성 파악 각 재료가 건축물 속의 어느 부분에 어떠한 선택기준으로 어떠한 구법으로 사용하는 것이 적당한 것인가 학습 재료학의 학습 목적

건축재료의 분류 소재별 분류 무기재료 유기재료 금속원소와 비금속원소 금속 : 철강, 알루미늄, 구리, 합금류 비금속(좁은 의미의 세라믹스) : 석재, 시멘트, 콘크리트, 도자기류 유기재료 탄소(C)와 수소(H)의 결합에 의한 화합물 생물체를 구성하고 있거나 생체를 구성하고 있는 물질 천연재료 : 목재, 대나무, 아스팔트, 섬유판 등 합성수지 : 플라스틱재, 도료, 실링재, 접착재

건축재료의 분류 구조재료 성능/기능별 분류 마감재료 차단재료 방화/내화재료 천연재료(자연재료) 인공재료(공업재료) 건축물의 골조 : 기둥/보/벽체 등 내력부 구성 목재, 콘크리트, 철강, 석재 등 마감재료 내력부 이외의 간막이/장식 등을 목적 내외장재료 타일, 유리, 금속판, 보드류, 도료 등 차단재료 방수/방습/차음/단열 등을 목적 아스팔트, 실링재, 페어글라스, 글라스울 등 방화/내화재료 화재의 연소방지 및 내화성의 향상을 목적 방화문, 석면 시멘트판, 암면 등 천연재료(자연재료) 석재, 목재, 토벽 등 인공재료(공업재료) 금속제품, 요업제품, 석유제품 등 성능/기능별 분류 생산분야별 분류

건축재료의 요구성능 건축재료의 요구성능 갖추어야 할 공학적 성질(규격)을 확보할 것 가격이 저렴하고 취급이 용이할 것 재료의 안정성 및 내구성이 확보될 것

건축재료의 선정 재료의 물리적, 화학적 역학적 기본 성질 파악 기초적 성능 파악 재료가 여러 가지 환경조건으로부터 받는 환경인자를 조사하여 내용성(耐用性)을 공학적/경제적 견지에서 조사 재료의 종별을 용도별로 분류 새로운 재료의 성능이나 공법에 관한 최신의 정보를 수집하여 적절한 이용방법 표시 재료의 시각적/촉각적 입장에서의 감각적 평가방법 표시 기타 구조, 환경, 계획학 등 다른 분야와의 관련성 학회규준, 관계법규, 규격 등에 비춰 재료의 성질 파악 기초적 성능 파악 적절한 선택과 이용

건축재료의 각 성질 물리적 성질 중량에 관한 성질(비중, 함수율, 흡수율) 열에 관한 성질(비열, 열전도율, 열관류, 열팽창계수 등) 빛에 대한 성질(투과율, 반사율) 음에 대한 성질(흡음율, 차음도) 외력에 대한 파괴 성상 및 그 파괴강도 탄성, 소성, 점성, 강도, 경도, 강성, 연성, 취성 등 화학저항성(산, 알카리 및 약품에 대한 변질, 부식) 방화성(연소, 인화, 용융 등) 내구성 기계/역학적 성질 화학적 성질

재료의 물리적 성질(중량에 대한 성질) 물질의 조밀의 정도를 나타내는 양 밀도(density) 물질의 단위체적당 질량으로 표시  g/㎤, ㎏/ℓ 재료의 중량을 동일 체적 4℃일 때의 물의 중량으로 나눈 값 진비중 : 재료내의 공극이나 수분을 제외 겉보기비중 : 공극과 수분을 제외하지 않는 비중, 건축재료의 비중은 일반적으로 겉보기 비중 강도, 흡수성, 열전도 등과 밀접한 관계 무차원수, 단위체적당 무게로 표시하기도 단위용적에 채워지는 분말체 등의 중량 골재나 콘크리트 등의 표시는 보통  ㎏/ℓ, t/㎥ 밀도(density) 비중(specific gravity) 단위용적중량 (Unit Weight)

(thermal conductivity) 재료의 물리적 성질(열에 대한 성질) 중량 1g 물질의 온도를 1℃ 상승시키는데 필요한 열량 단위 : ㎉/g℃ 총열량은 비열에 중량을 곱하여 산정하므로 콘크리트와 같이 비열과 중량이 큰 재료일수록 많은 열을 필요 단위길이당 단위온도차(1℃)가 있을 때, 단위시간 동안 단위 면적을 통과한 열량 단위 : ㎉/m‧h ‧℃ 재료의 보온성, 단열성 등의 성능을 평가 재료의 공극율이나 함수정도에 다라 변화 비열(specific heat) 열전도율 (thermal conductivity)

(coefficient of thermal expansion) 재료의 물리적 성질(열에 대한 성질) 열팽창률 (coefficient of thermal expansion) 재료가 온도의 변화에 따라 팽창, 수축하는 비율 콘크리트의 선팽창 : 1 X 10-5/℃ 콘크리트의 온도에 대한 용적의 변화 온도에 따른 골재와 시멘트풀의 분리 온도 900℃ 이상일 경우 완전 파괴 골재 시멘트풀 200 400 600 800 1000

재료의 물리적 성질(각종 재료의 비중) 재료 비중 열전도율 알루미늄 2.56-2.75 174-176 판유리 2.49-2.6 0.6-0.7 강철(C=0.1%) 7.85 29-49 고무 1.19 0.13-0.14 주철 6.85 7.28 지붕슬레이트 2.24 1.09 연철 7.8 38-48.2 텍스 0.21-0.26 0.052-0.125 동 8.84 332-326 리노륨 1.2 0.16 화강암 2.81 2.9 공기 (습도33%) 0.117 0.026 대리석 2.7 11-12.9 아연철판 7.86 37.4 목재 0.4-0.7 1.14 석면판 0.93 0.1-0.14

차음율(sound insulation coefficient) 재료의 물리적 성질(기타) 재료 중에 함유되어 있는 물의 중량을 그 재료의 완전 건조시 중량으로 나눈 값의 백분율 목재, 콘크리트, 석재, 골재 등에 수로 사용 음의 전도를 막는 능력 – 데시벨(dB) 음원의 세기를 재료나 구조가 몇 데시벨이나 저하시키는가 인화점 : 재료에 불을 접근시키면 발화하는 최저 온도 발화점 : 재료를 가열하여 자연 발화하는 온도 목재의 인화점, 발화점 : 약 260℃, 약 450℃ 재료의 방화성능을 표시 함수율(water content) 차음율(sound insulation coefficient) 인화점, 발화점

재료의 기계/역학적 성질(탄성, 소성) 탄성(elasticity) 물체에 외력이 작용하면 변형이 생기며, 이 외력을 제거하면 원래의 모양과 크기로 되돌아가는 성질 완전탄성체 혹은 훅 (Hook)고체 : 응력과 변형이 직선관계를 나타내는 물체 외력을 제거해도 모양, 크기가 원래의 모양으로 되돌아가지 않는 성질 많은 재료는 탄성과 소성의 성질을 포함 변형(ℇ) 응력 (δ) E=δ/ℇ (영계수: Young’s modulus) 소성(plasticity)

재료의 응력변형도 곡선 물체에 외력이 작용했을 때 생기는 내력 응력(Stress) 응력(δ) = P/A(Power/Area) (㎏f/㎠) 압축응력, 인장응력, 휨응력, 전단응력, 비틀림응력 변형도(ℇ) = 변형된 길이 (⊿ℓ)/ 본래의 길이 (ℓ) 응력(Stress) 변형도(strain)) 포아송비(Poisson’s ratio) = 횡방향변형율/종방향변형율

재료의 응력변형도 곡선 응력-변형도곡선 A 공칭응력 Y1 Y2 E B P 비례한도(P): 파괴응력의 50~60% 진응력: 외력을 임의의 순간의 실제 단면적으로 나눈 값 공칭응력:재 료에 작용하는 하중을 최초의 단면으로 나눈 값 넥(necking)현상 공칭응력 Y1 Y2 E B P

재료의 응력변형도 곡선 비례한도 (Proportional limit) 응력과 변형률 사이에 정비례의 관계가 성립하는 영역에서의 최대응력값으로, 재료는 외력이 제거됨에 따라 원래의 형상을 회복함. 일반적으로 모든 재료는 비례한도보다 낮은 수준의 응력이 작용한 경우에도 미세한 정도의 영구변형을 나타내므로, 0.001%의 영구변형율을 보일 떄의 응력을 비례한도로 표시함. 비례한도내에서는 후크 법칙(Hooke,s law) 성립함. 초과하는 응력이 작용하면 응력과 변형률사이에 정비례 관계가 성립하지는 않지만, 응력이 제거 됨에 따라 변형이 완전히 회복되는 한계가 존재하는데 이때의 응력을 말함. 보통 0.03%~0.05% 영구변형이 일어날 때의 응력값으로 표시함. 대부분의 금속재료는 탄성한도와 비례한도사이에서 거의 차이를 보이지 않지만 고무와 같이 탄성이 큰 재료에서는 탄성적 성질이 비례한도를 훨씬 넘어서까지 계속됨. 탄성한도 (Elastic limit)

재료의 응력변형도 곡선 항복강도 (Yield strength) 재료가 소성변형을 일으키기 시작하여 응력과 변형률 사이에 비례관계가 성립하지 않을 때의 응력값으로 표시 함. 탄성한계를 넘어서 응력이 작용하면 응력이 거의 증가하지 않는 경우에도 소성변형이 일어나 신장량이 증가하게 되며 이 현상을 재료의 항복이라 함. 응력-변형률 곡선에서 탄성변형률과 소성변형률 사이의 경계점이 명확하지 않기 때문에 항복강도는 특정한 소성변형률에 해당하는 응력값으로 표시함 0.2% 항복강도는 변형률이 0.2%인 점에서 탄성변형부에 평행한 직선을 그었을 때 응력-변형률 곡선과 만나는 점에서의 응력값임. 일반적으로 0.1% 또는 0.2%의 소성변형률에 해당하는 응력값 임.

재료의 응력변형도 곡선 공칭응력-변형률 곡선에 나타나는 응력의 최대값으로 표시함. 극한강도 (Ultimate strength) 인장시의 극한강도를 극한인장강도(Ultimate tensile strength), 압축시의 극한강도를 극한압축강도(Ultimate tensile strength)라고 함. 공칭응력(Nominal stress) - 재료에 작용하는 하중을 최초의 단면적으로 나눈 값. 진응력(True stress) - 작용력을 그때 그때의 실제 단면적으로 나눈 값. 일반적으로 재료의 하중속도가 빨라질수록 항복강도와 인장강도가 증가하는 양상을 보임. 극한강도 (Ultimate strength)

재료의 기계/역학적 성질(강도, 강성) 강도(strength) 물체에 외력이 작용할 때 그 하중에 저항하는 능력 재료에 하중을 가하여 파괴에 도달했을 때의 하중 강도 = 공칭응력(nominal stress) 공칭응력 : 파괴시 공시체의 작용하중을 최초의 단면적으로 나눈값 (㎏f/㎠) 재료가 외력을 받아도 잘 변형되지 않는 성질 탄성계수의 대소  재료 강성의 대소를 나타냄 힘강성과 최대처짐량은? 재료의 단단함의 정도 재료의 긁기, 절단, 마모 등에 대한 저항성 목재나 금속 : 강구를 눌러서 깊이의 표면적으로 파악 강성(stiffness) 경도(Hardness)

재료의 기계/역학적 성질(강도의 종류) 압축강도, 인장강도, 휨강도, 전단강도, 부착강도 응력의 종류에 따라 정적강도(static strength) 비교적 느린 속도로 하중이 작용할 때, 이에 대한 저항성 보통 재료의 강도는 정적강도(압축강도 등…) 충격강도(impact strength) 재료에 충격적인 하중이 작용할 때 이에 대한 저항성 피로강도(fatigue strength) 반복 하중이 작용할 때 재료가 정적강도보다 낮은 강도에서 파괴되는 현상  피로 크리프(creep) 재료에 지속하중이 장시간에 걸쳐 작용할 때 시간의 경과와 함께 변형이 증가하는 현상  크리프 크리프에 의해 재료가 파괴되는 현상  크리프 파괴 응력의 종류에 따라 하중속도 및 작용에 따라

재료의 기계/역학적성질(크리프) 변형(ℇ) 시간(t) t0 tt 변형과 시간의 관계 30% 50% 85% 95% 하중지속시간 제하시 탄성변형 (ℇr) 초기탄성 변형(ℇ0) 크리프변형 재하 제하 비회복 크리프 변형 t0 tt 회복크리프 변형(ff) 크리프 변형-시간곡선 변형과 시간의 관계 30% 50% 85% 95% 하중지속시간 크리프변형 콘크리트 크리프 변형-시간곡선

재료의 기계/역학적 성질(연성, 전성) 재료에 인장력을 주면 가늘고 길게 늘어나는 성질 연성(ductility) 압력이나 타격에 의해 파괴됨이 없이 엷게 퍼지는 성질 금속재료의 일반적인 성질 재료가 외력을 받아 변형을 나타내면서도 파괴되지 않고 견딜 수 있는 성질 높은 응력에 견디며 큰 변형을 나타내는 성질  고무 작은 변형에서 파괴되는 성질 취성이 높으면 갑자기 파괴될 위험성  주철, 유리 연성(ductility) 전성(malleability) 인성(toughness) 취성(brittleness)

재료의 화학적 성질 재료가 건습 및 동결융해의 반복, 마모 및 기계적 작용이나 화학적 작용에 저항하는 성질 내구성 금속재료 – 산화에 대한 부식, 전식(電食) 유기재료 – 부패, 충해, 자외선에 의한 열화 동결융해, 건습, 온도변화 등 풍화작용에 저항하는 성질 산, 알칼리, 염류, 기름 등의 작용에 대해 저항하는 성질 철강의 녹, 목재의 부식 등의 작용에 대해 저항하는 성질 충류, 균류 등의 작용에 저항하는 성질 내구성 내후성 내화학약품성 내식성 내생물성