구조공학

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 수백만 개의 동일한 복사본이 만들어지고 광범위한 프로토 타입 테스트가 가능한 자동차 나 토스터의 생산과는 달리 각 토목 구조는 독특하고 재현비용이 매우 높습니다 (Fig.1). 따라서 토목 엔지니어는 분석 모델링에 광범위하게 의존하여 구조를 설계해야 합니다. 이러한 모델은 현실의 단순화 된 추상화이며 성능 기준, 특히 강도 및 강성과 관련된 성능 기준이 위반되지 않도록하는 데 사용됩니다. 이 작업을 수행하기 위해 엔지니어는 구조가 하중에 어떻게 반응하는지, 즉 힘과 변형이 어떻게 관련되는지, (b) 재료(예: 강철 및 콘크리트)가 응답에서 어떻게 다른지 구별하는 일련의 상수와 같은 두 가지 구성 요소가 필요합니다. 그림 1: 세계 무역 센터 (뉴욕) 교통 허브. 오늘날 대부분의 엔지니어링 설계는 선형 탄성 원리를 사용하여 구조물의 힘과 변형을 계산합니다. 탄력이론에서는 스트레스와 긴장 사이의 관계를...

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 인간 개발에 대한 재료의 중요성은 석기 시대, 철기 시대 및 청동기 시대와 같은 시대에 세계 역사의 초기 분류에 의해 명확하게 포착됩니다. 1800년대 중반에 철강을 생산하기 위한 지멘스와 베세메르 프로세스의 도입은19세기 후반 유럽과 미국의 대부분을 농촌 사회에서 오늘날의 도시 및 기계화 사회로 변화시킨 산업혁명을 시작하는 데 가장 중요한 발전이라고 할 수 있습니다. 거의 무한한 변화 속에서 강철은 주방 가전제품부터 자동차, 전기 전송 네트워크 및 물 분배 시스템과 같은 생명선에 이르기까지 우리 주변에 있습니다. 이 실험에서 우리는 토목 공학 응용 프로그램에서 일반적으로 볼 수있는 범위를 묶은 두 가지 유형의 강철의 스트레스 변형 거동을 매우 온화하고 뜨거운 압연 강철에서 하드, 차가운 압연 강철에 이르기까지 살펴볼 것입니다.

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 알루미늄은 소다 캔에서 비행기 부품에 이르기까지 모든 것에 전방위적인 존재이기 때문에 우리 삶에서 가장 풍부한 재료 중 하나입니다. 그것의 광범위 한 사용은 상대적으로 최근 (1900AD), 주로 알루미늄 그것의 자유 상태에서 발생 하지 않기 때문에, 오히려 산소 및 다른 원소와 함께, 종종 Al2O3의형태로. 알루미늄은 원래 열대 국가에서 보크 사이트 광물 퇴적물에서 수득되었으며, 정제는 매우 높은 에너지 소비를 필요로합니다. 고품질 알루미늄 생산의 높은 비용은 매우 널리 재활용 된 재료인 또 다른 이유입니다. 알루미늄, 특히 하나 이상의 공통 요소로 합금될 때 건축, 운송, 화학 및 전기 응용 분야에서 점점 더 많이 사용되고 있습니다. 오늘날 알루미늄은 구조 재료로 사용하는 철강만 능가합니다. 알루미늄은 대부분의 다른 금속과 마찬가지로 평평한 압연 제품, 압출, 단조 및 주조로 사용할 수 있습니다.

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 구조물에서 발생할 수 있는 더 교활한 유형의 고장 중 하나는 부서지기 쉬운 골절이며, 이는 주로 품질이 좋지 않거나 재료 선택이 좋지 않아 발생하기 때문입니다. 부서지기 쉬운 골절은 갑자기 많은 물질 비탄력성없이 발생하는 경향이 있습니다. 예를 들어 뼈 골절을 생각해 보십시오. 이러한 오류는 3차원 적재 조건, 로컬 스트레인 농도가 높고 설계자가 논리적이고 직접적인 힘 경로가 제공되지 않은 경우 재료가 전단 응력을 개발할 수 있는 능력이 거의 없는 상황에서 발생합니다. 이러한 유형의 고장의 예는 다층 강철 구조물에서 1994 년 노스 리지 지진의 여파로 관찰되었다. 이 건물에서는 연성 동작을 표시하지 않고 여러 키 용접이 골절됩니다. 용접은 냉각으로 인한 3차원 응력뿐만 아니라 재료 와 형상 모두에서 로컬 불연속성을 도입하는 경향이 있기 때문에 골절은 연결 근처 또는 기본 재료 조각 사이의...

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 경도 테스트는 엔지니어가 제공하는 가장 보편적으로 가치 있는 기계 테스트 중 하나이며, 이는 풍부한 정보와 데이터를 위해 간단하고 상대적으로 저렴하기 때문에 엔지니어가 사용할 수 있습니다. 경도 테스트는 일반적으로 표면 침투 테스트의 형태로 인장 테스트보다 빠르고 덜 파괴적입니다. 경도는 강철과 같은 많은 재료에 대한 다양한 강도에 걸쳐 인장 강도와 선형 관계를 제공합니다. 경도 테스트는 이론에서 파생된 것이 아니라 경험적이며, 그 결과는 다양한 재료 특성(영의 계수, 항복 강도 등)의 효과를 수렴합니다. 경도는 알려진 힘이 적용될 때 재료가 얼마나 많은 플라스틱 변형(yield)을 겪는지 설명하는 데 사용되는 재료의 특징입니다. 스크래치, 들여쓰기, 리바운드 경도의 세 가지 방식으로 경도를 특성화 할 수 있습니다. 경도(scratch) 시험의 일반적인 초기 예는 광물에 대해 파생된 모스...

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 토목 공사의 설계에서는 예기치 않은 하중하에서 안전할 뿐만 아니라 합리적인 경제적 비용으로 일상적인 하중하에서 우수한 성능을 제공하는 것이 중요합니다. 후자는 종종 재료의 최소 사용, 제조의 용이성 및 현장에서 빠른 구조에 묶여있다. 강철 원으로 만든 구조는 재료의 큰 강도와 현장 건설 속도를 극대화하는 데 도움이되는 구성원과 연결의 광범위한 조립식으로 인해 매우 경제적 일 수 있습니다. 일반적으로, 강철 구조물의 골격은 철근 콘크리트에 비해 매우 슬림할 것이다. 장력의 동작은 주로 재료의 강도에 의해 관리되지만 압축의 강철은 모든 재료 - 좌굴에 공통되는 또 다른 고장 모드에 의해 지배됩니다. 이 동작은 압축 부하 하에서 갑자기 옆으로 이동하고 부하 운반 용량을 잃게되는 날씬한 나무 눈금자를 누르면 쉽게 입증됩니다. 이 현상은 구조의 슬림 한 부재에서 발생합니다. 이 실험실에서는 이 고장 모드를...

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 일년 내내 전 세계 어딘가에 혼란을 일으키고 있는 주요 지진 사건없이 진행되는 것은 드문 일입니다. 인도네시아에서 2005년 반다 아쉬 지진과 같은 경우에 피해는 6건의 지역에서 큰 지리적 지역과 사상자를 포함시켰습니다. 일반적으로 지진의 수와 강도는 증가하지 않고 있지만, 건설 환경의 취약성이 증가하고 있습니다. 일주-태평양 '불의 벨트', 저층 해안 지역의 해저 상승, 취약지역의 에너지 생산/유통 및 디지털/통신 네트워크 중요 노드의 농도가 증가함에 따라 지진 방지 설계가 미래 지역사회 회복의 핵심이라는 것은 분명합니다. 지진 피해에 저항하기 위한 구조물 설계는 1964년 니가타 지진 이후 일본과 1971년 산 페르난도 밸리 지진 이후 미국에서 주로 작업을 통해 지난 50년 동안 크게 발전했습니다. 이 작업은 세 개의 병렬 트랙을 따라 진행되었습니다 : (a) 개선 된 건설 기술을 개발하기위한...

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 민간 인프라 프로젝트에서 금속 피로 를 연구하는 것의 중요성은 1967 년 웨스트 버지니아 주 포인트 플레전트 (Point Pleasant)의 실버 브리지 붕괴로 주목을 받았습니다. 오하이오 강 을 가로지르는 안구 체인 현수교는 저녁 출퇴근 시간 동안 붕괴되어 0.1 인치 의 작은 결함이있는 단일 안구가 실패하여 46 명이 사망했습니다. 결함이 반복되는 적재 조건을 반복한 후 중요한 길이에 도달했으며 부서지기 쉬운 방식으로 붕괴를 일으켰습니다. 이 행사는 교량 엔지니어링 커뮤니티에서 주목을 받았으며 금속의 피로 를 테스트하고 모니터링하는 것의 중요성을 강조했습니다. 정상적인 서비스 조건에서 는 재료가 수많은 서비스(또는 일상적인) 부하의 적용을 받을 수 있습니다. 이러한 하중은 일반적으로 구조의 최종 강도의 최대 30%-40%입니다. 그러나 반복되는 하중의 발생 후, 최대 강도보다 훨씬 낮은...

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 중합체 재료는 매우 부드러운 실란트에서 부터 물과 폐수 시스템의 더 단단한 파이프에 이르기까지 다양한 용도로 토목 구조에서 널리 사용됩니다. 중합체의 가장 기본적인 정의는 반복 하위 단위를 가진 분자 구조입니다. 용어 폴리머는 "폴리"가 많은 것을 의미하고, "-mer"는 기본 단위를 의미 그리스어에서 온다. 모노머 또는 단일 머는 특정 반복 단위입니다. 폴리머를 사용하면 탄소 백본의 길이와 다양한 유연성을 포함하는 구조가 폴리머의 특성을 지시합니다. 폴리머는 플라스틱, 엘라스토머 및 단단한 막대 폴리머의 3가지 하위 범주로 분류됩니다. 플라스틱은 가열시 부드러워지지 않는 열주설정과 열가소성 가소성으로세분화되어 가열시 가열되고 단단해지면 부드러워질 수 있습니다. 또한 열가소성 플라스틱은 대부분 선형 또는 분기 된 폴리머이며 교차 연결이 거의 없는 반면 열주 세트는 3D 구조를 나타내고 광범위한 교차...

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 섬유 강화 중합체 재료(FRP)는 중합체 수지에내장된 세로 섬유에 의해 형성되는 복합 재료로, 따라서 하나 이상의 방향을 따라 정렬된 섬유로 폴리머 매트릭스를 생성한다. 가장 간단한 형태로 FRP 재료의 섬유는 질서 있고 병렬 방식으로 정렬되므로 정형 외과 재료 특성을 부여하므로 재료가 두 방향으로 다르게 행동한다는 것을 의미합니다. 섬유와 평행하게, 재료는 매우 강하고 뻣뻣한 반면, 섬유에 수직은 매우 약할 것입니다, 강도는 단지 전체 매트릭스 대신 수지에 기인 할 수 있기 때문에. 이러한 단방향 구성의 예는 철근 콘크리트 구조에 사용되는 기존의 강철 막대를 모방하는 상용 FRP 보강 막대입니다. FRP 재료는 보행자 교량 및 계단과 같은 독립형 구조물로 사용되며 기존 구조물을 강화하고 수리하는 재료로도 사용됩니다. 얇고 긴 플레이트는 종종 강도를 추가하기 위해 기존 콘크리트 구조에...

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 콘크리트와 아스팔트는 오늘날 사용되는 가장 일반적인 건축 자재입니다. 콘크리트는 시멘트, 물, 공기, 거친 골재 및 미세 응집체로 구성된 복합 재료입니다. 미세 응집체는 일반적으로 모래이며 거친 골재는 자연스럽거나 분쇄된 바위입니다. 특정 특성을 수정하기 위한 화학 혼합물도 일반적으로 사용됩니다(즉, 주조 중에 콘크리트 유체를 만드는 초가소제). 아스팔트 믹스는 주로 아스팔트, 거친 골집 및 미세 한 골재로 구성되며, 배치 중에 점도를 개선하는 데 사용되는 다수의 유화제 및 기타 첨가제로 구성됩니다. 콘크리트와 아스팔터 믹스 모두에서, 골재는 경제시멘트와 아스팔트의 양을 최소화해야 하기 때문에 혼합 볼륨의 매우 중요한 부분을 차지합니다. 응집체의 두 가지 유형은 일반적으로 인식됩니다: 대략 4.75mm(바위)보다 큰 입자로 정의된 거친 응집체 및 작은 입자(모래)로 구성된 미세 응집체. 골재의 다른...

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 콘크리트는 가장 일반적인 건축 자재 중 하나이며, 콘크리트, 물 및 공기로 구성된 박격포 단계와 거칠고 미세한 골재로 구성된 골재 상으로 구성됩니다. 콘크리트 믹스를 디자인할 때 두 가지 주요 고려 사항이 있습니다. 첫째, 콘크리트는 형태가 강철 보강으로 포장되어 있더라도 새로운 상태로 형태로 캐스팅하기 쉽고 쉽게 작동해야합니다. 이 조건에서, 중요한 것은 콘크리트의 재원학이다. 둘째, 혼합은 내구성이 뛰어나고 서비스성이 좋은 28일(또는 이와 유사한 지정된 시간)에 지정된 강도의 경화 콘크리트를 생성해야 합니다. 이 실험실 연습에서는 시험 배치 방법이라는 콘크리트 혼합물 비례 방법이 탐구될 것입니다. 생산된 콘크리트는 슬럼프, 유동성, 공기 함량 및 밀도를 포함한 신선한 콘크리트의 주요 특성을 결정하기 위해 일반적인 테스트를 수행하는 데 사용됩니다. 시험 배치 방법은 혼합물 설계에 대한 간단하고...

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 콘크리트와 관련된 건설 프로젝트에는 두 가지 단계가 있습니다. 첫 번째 단계는 배치, 운반 및 신선한 콘크리트를 캐스팅하는 것을 포함합니다. 이 단계에서 는 재료가 점성이며 작업 성과 성과성과 마무리성이 핵심 성능 기준입니다. 두 번째 단계는 콘크리트가 형태에 배치된 직후 수분 공급 공정이 시작될 때 발생하며, 콘크리트가 설정되고 경화되기 시작합니다. 이 과정은 매우 복잡하며 모든 단계가 잘 이해되고 특징적이지는 않습니다. 그럼에도 불구하고, 콘크리트는 주조 후 약 14~28일 후에 의도된 설계 강도와 강성을 달성해야 한다. 이 시점에서, 콘크리트의 압축 및 인장 강도를 결정하기 위해 배치 시 발주 된 콘크리트 실린더뿐만 아니라 때로는 강성을 결정하기 위해 일련의 테스트가 수행됩니다. 이 실험의 목적은 세 가지입니다: (1) 콘크리트의 7, 14- 및 28 일 강도를 결정하기 위해 압축 실린더...

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 압축 콘크리트에 초점을 맞춘 이전 실험실에서, 우리는 콘크리트가 단방향 압축 힘에서 매우 큰 응력을 견딜 수 있음을 관찰했다. 그러나 관찰된 오류는 압축 실패가 아니라 최대 인장력이 발생하는 전단 평면을 따라 오류가 발생했습니다. 따라서, 장력에서 콘크리트의 동작과 특히 그것의 최대 강도를 이해하는 것이 중요합니다 그 궁극적 인 및 서비스 행동을 모두 제어 할 수 있습니다. 궁극적인 관점에서 볼 때, 장력과 전단 응력의 조합은 균열과 즉각적이고 치명적인 실패로 이어질 것입니다. 이러한 이유로, 콘크리트는 구조적 응용 분야에서 강화되지 않은 조건에서 사용되는 경우 거의 없습니다. 대부분의 콘크리트 구성원은 이러한 균열을 중지하고 균열 폭이 제한 될 수 있도록 강철로 강화됩니다. 후자는 균열 폭과 분포를 제어하는 것이 내구성의 열쇠이기 때문에 서비스 가능성 관점에서 중요합니다. 이 실험의 목적은 세...

출처: 로베르토 레온, 버지니아 공대, 블랙스버그, 버지니아 토목 및 환경 공학부 나무는 초기부터 건설에 사용 된 유비쿼터스 재료입니다. 목재는 미적 가치가 큰 재생 가능하고 지속 가능한 소재입니다. 오늘날, 다른 어떤 구조 재료보다 나무로 지어진 건물이 더 많을 것입니다. 이 건물의 대부분은 단독 주택이지만, 많은 큰 아파트 건물뿐만 아니라 상업 및 산업 건물, 또한 나무 프레임을 사용합니다. 건설에서 나무의 광범위한 사용은 경제적, 미적 기초 모두에서 매력을 가지고 있습니다. 최소한의 장비로 목재 건물을 건설할 수 있는 능력은 다른 유형의 건설과 경쟁적인 목재 프레임 건물의 비용을 유지했습니다. 반면, 건축적 고려사항이 중요한 경우 노출된 나무의 아름다움과 따뜻함은 다른 재료와 어울리기 어렵다. 이 실험의 목적은 스트레스 변형 동작을 조사하기 위해 나무의 세 가지 유형에 인장 및 압축 테스트를 수행하고, 굴곡 성능을 확인하기 위해 나무 빔에 4 점 굽힘 테스트를 수행하는...