변형률 (strain)
쉽게 풀면
재료가 힘을 받아 얼마나 늘어나거나 줄어들었는지를 원래 길이와 비교한 비율이에요. 예를 들어 1미터짜리 고무줄을 당겨서 1.01미터가 되었다면, 늘어난 길이 1센티미터를 원래 길이 1미터로 나눈 0.01이 변형률이다. 고무줄처럼 눈에 보이게 늘어나지 않아도, 하중을 받는 모든 구조 부재는 미세하게 이런 변형을 겪는다. 고무줄을 당겼을 때 원래 길이에 비해 얼마나 늘어났는지 그 비율을 나타낸 값이라고 이해하면 된다.
왜 중요한가
외력을 받은 재료가 원래 길이나 형태에서 변형된 정도를 원래 치수에 대한 비율로 나타낸 무차원량으로, 응력과 함께 재료의 역학적 거동을 정량화하는 구조역학의 기본 개념으로 다뤄진다. 변형률 게이지를 이용해 실제 구조물의 미세한 변형을 직접 계측할 수 있어, 이론적 계산값을 검증하는 실험 연구의 핵심 측정 대상으로 다뤄집니다. 구조물의 변형률을 실제 계측하는 스트레인게이지는 교량이나 대형 구조물의 건전성을 모니터링하는 대표적인 계측 수단으로 활용된다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
계측된 변형률 값이 항복 변형률을 초과했음을 근거로 부재의 소성 변형 발생 여부를 판단한 사례를 설명한다.
하중이 탄성한계를 넘지 않는 범위에서는 변형률이 하중에 비례해 예측 가능하게 나타남을 보여주는 결과이다.
조금 더 깊게 보면
변형률은 응력과 선형적으로 비례하는 탄성구간과 그렇지 않은 소성구간으로 나뉘는데, 구조물이 탄성한계를 넘어서는 하중을 받으면 하중이 제거돼도 영구변형이 남게 되므로 설계 시 이 탄성한계 내에서 거동하도록 안전율을 확보하는 것이 기본 원칙이다. 변형률 자체는 무차원 비율이라 재료의 종류나 크기와 무관하게 비교할 수 있다는 점에서, 절대적인 변형량(처짐 등)과는 구분되는 값입니다. 변형률은 응력에 대응하는 무차원량으로, 재료의 탄성계수는 응력과 변형률의 비율로 정의되어 재료가 얼마나 쉽게 변형되는지를 나타내는 지표로 쓰인다.
주의할 점
변형률은 응력과 비례 관계(탄성계수)를 갖는 것은 탄성 구간에서만 성립하며, 항복점을 넘어서면 이 비례 관계가 더 이상 성립하지 않는다는 점에 유의해야 한다. 탄성 범위를 넘어서는 큰 변형률이 발생하면 재료는 힘을 제거해도 원래 형태로 돌아오지 않는 영구변형(소성변형)이 남게 된다.