개념 한 쪽
건설재료 일반에서는 플라스틱의 장단점과 수지별 특성, 그리고 탄성계수와 전단 탄성계수 사이의 수학적 관계를 주로 다룬다. 플라스틱은 경량성과 내식성 등 장점이 있으나 탄성계수가 작아 변형이 큰 단점을 지닌다. 전단 탄성계수는 탄성계수와 포아슨 비를 이용해 계산한다는 점을 핵심으로 정리한다.
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출제기준 단원 「건설재료의 종류 및 특성」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 플라스틱 특성 진위 판별 | 1 | 플라스틱의 경량성·내식성·열특성 등 일반적 특성의 옳고 그름을 가리는 능력을 묻는다 |
| 탄성상수 계산 | 1 | 탄성계수와 포아슨 비를 이용해 전단 탄성계수를 계산하는 절차를 묻는다 |
| 수지 특성 매칭 | 1 | 수지별 내약품성·내열성 등 특성 키워드와 수지 이름을 연결하는 능력을 묻는다 |
플라스틱은 금속이나 콘크리트에 비해 무게가 매우 가벼워 구조재료로 사용하면 경량화를 달성할 수 있다는 장점이 있다. 또한 성형성이 좋아 공장에서 대량 생산이 용이하고, 전기절연성 및 내수성·내습성·내식성 등 화학적 저항성이 우수하다는 점이 일반적 특성으로 설명된다.
반면 플라스틱은 상대적으로 탄성계수가 작아 같은 하중을 받으면 금속보다 변형이 크다는 단점을 지닌다. 따라서 구조재료로 플라스틱을 고려할 때는 강성 요구치와 변형 허용치의 트레이드오프를 반드시 검토해야 한다. 일반적인 플라스틱은 열에 약해 열팽창 계수가 크고 열에 의한 체적변화가 크다는 점을 유의해야 한다.
수지 종류에 따라 특성이 달라 일부 수지는 특정 환경에서 우수한 성능을 보인다. 예컨대 불소 수지는 내산성·내약품성·내전기성이 뛰어나고 넓은 온도 범위(-100℃에서 250℃)에서 성질 변화가 적어 '만능수지'로 불린다는 설명이 대표적이다. 다른 수지들인 아크릴, 에폭시, 멜라민 등은 각각 투명도, 접착성, 내열성 등에서 장단점을 가진다.
재료역학적 상수 간에는 정해진 수학적 관계가 존재한다. 전단 탄성계수 G는 탄성계수 E와 포아슨 비 ν로부터 G = E / [2(1+ν)]의 공식으로 계산한다는 점을 숙지해야 한다. 이 관계는 선형 탄성 범위에서 성립하며 재료의 탄성적 응답을 다른 형태의 계수로 변환할 때 사용한다.
문제 유형은 플라스틱의 특성 진위 판별과 탄성상수 변환 계산으로 나뉜다. 예를 들어 포아슨 비가 1/3이고 탄성계수 E가 2.04×10^6 kgf/㎝2인 재료의 전단 탄성계수 G를 구하는 계산을 보여준다.
계산 절차는 다음과 같다. 포아슨 비 ν = 1/3이므로 1+ν = 4/3이고 2(1+ν) = 8/3이다. 따라서 G = E ÷ [2(1+ν)] = 2.04×10^6 ÷ (8/3) = 2.04×10^6 × 3 ÷ 8 = 765,000이 된다. 이와 같이 G 계산에서 분수 처리 순서를 정확히 하면 정답을 얻는다.
플라스틱 특성 문제 예시는 '열에 의한 체적변화가 작다'라는 진술이 일반적 플라스틱의 특성과 어긋나므로 오답이라는 식의 판별을 보여준다. 플라스틱은 대체로 열팽창 계수가 커서 열에 의한 체적변화가 크다는 점을 근거로 삼는다.
플라스틱의 내식성에 대한 설명 중 옳지 않은 것은?
정답 ③ · 문항은 플라스틱의 내식성 관련 진술 중 틀린 것을 찾는 문제이다. 플라스틱은 일반적으로 많은 화학약품에 대한 저항성이 우수하고 물 흡수가 적은 성질을 갖는 경우가 많으며, 열경화성과 열가소성 수지 간에 화학약품 저항성이 다르다는 것은 사실이다.
플라스틱은 일반적으로 내식성이 우수하고 비흡수성이나, 열가소성 수지는 약알카리에 약하지 않다는 설명이 옳지 않다.
어떤 재료의 포아슨 비가 1/3이고,탄성계수는 2,040,000kgf/㎝2일때 전단 탄성계수는?
정답 ② · 문제는 포아송비와 탄성계수로부터 전단탄성계수를 계산하는 문제이다. 전단탄성계수 G는 G = E / [2(1+ν)] 공식을 사용한다.
전단 탄성계수(G)는 탄성계수(E)와 포아슨 비(ν)를 이용해 G = E / [2(1+ν)] 공식으로 계산할 수 있다.
플라스틱의 성질에 대한 설명으로 틀린 것은?
정답 ④ · 문항은 플라스틱의 성질에 대한 옳지 않은 설명을 묻는다. 플라스틱은 금속이나 콘크리트에 비해 열팽창계수가 크기 때문에 열에 의한 체적변화가 크며, 따라서 체적변화가 작다고 한 진술은 틀리다.
플라스틱은 금속이나 콘크리트에 비해 열팽창 계수가 커서 열에 의한 체적 변화가 크므로, 열에 의한 체적변화가 작다는 설명은 틀렸다.
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