이방성과 등방성은 무엇인가?

이방성은 각 방향마다 기계적 성질이 다른 재료입니다. 예를 들어 나무는 대표적인 이방성 재료입니다. 이방성 재료는 방향마다 성질이 바뀌므로 파괴성상의 파악 등이 어렵고 현재도 연구가 진행되고 있습니다. 이번에는 그런 이방성의 의미, 등방성과의 차이, 이방성 재료의 몇 가지 예를 소개합니다.

 

이방성이란?

방향마다 기계적 성질(강도나 영 계수 등)이 다른 재료를 이방성 재료라고 합니다.

대표적인 이방성 재료가 '나무'입니다.

 

나무는 섬유 방향과 섬유 직교 방향으로 강도가 크게 다른 재료입니다. 나무는 섬유 방향의 인장력에 강하지만 섬유 직교 방향은 그다지 강하지 않습니다.

이 성질을 이해하지 못하면 인장력에 대해 직교 방향으로 부재 배치할 가능성도 있습니다.

이방성 재료는 구조 부재나 공업 제품으로 취급하기 어려운 단점이 있습니다. 그러나 후술하는 집성재, CLT와 같이, 원래의 이방성을 적게 개량한 재료도 있습니다.

 

이방성 재료의 예

그러면 대표적인 이방성 재료는 무엇이 있는가? 

• 철근 콘크리트
• 나무
• FRP

등입니다.

 

철근 콘크리트의 부재는 방향성을 의식하여 철근을 배치합니다. 예를 들어 보는 보통 길이 방향으로 철근을 배치합니다. 그것은 길이 방향으로 응력이 작용하기 때문입니다. 따라서 길이 방향과는 직교 방향에는 주근과 같은 힘을 받는 철근을 배치하지 않습니다.

 

즉, 방향에 따라 강도나 성질이 다른 이방성 재료입니다. 나무와 FRP도 마찬가지입니다. 

 

FRP는 섬유 강화 플라스틱의 약칭입니다. 섬유를 섞어 강화한 플라스틱으로 섬유 방향은 높은 강도를 가지고 있습니다. 실(섬유)의 인장력에 강한 성질을 이용한 이방성 재료입니다.

 

목재와 이방성의 관계

나무는 섬유 방향으로 강하고 섬유 직각 방향으로 잡아당기면 쉽게 찢어집니다. 따라서 무구의 목재를 구조체로 이용하는 경우, 섬유 방향으로 힘이 전해지도록 배려하여 설계를 실시합니다.

 

현재는, 공공 구조물 등의 대규모 건축물에도 목재가 응용되기 시작하고 있습니다만, 이것은 방향성을 줄이기 위해서 「집성재」가 자주 이용됩니다. 「집성재」란, 나무를 얇게 자르고 접착제로 겹쳐 압축하여 성형한 것입니다. 즉, 이방성의 단점을 줄인 재료입니다.

최근에는 CLT(박판을 서로 직교하도록 적층 접착한 후판)이라는 재료가 기대되고 있습니다. 나무는 이방성 재료이지만, 이와 같이 방향성이 있는 판을 직교마다 적층하면, 방향성은 적어집니다.

 

이방성 재료의 단점

아래에 이방성 재료의 단점을 정리했습니다.

 

・방향마다 성질이 다르기 때문에 사용하기 어렵다(생각하는 경우가 많다)

· 계산이 복잡해진다.

 

이방성 재료는 방향마다 기계적 성질이 크게 다릅니다. 등방성 재료보다 생각하는 것이 많은 재료입니다.

 

방향마다 기계적 성질이 다르기 때문에 계산이 복잡해져 섬유 방향과 섬유 직교 방향, 그 밖의 방향에 관한 각각의 탄성 계수나 포아송비 등을 정의할 필요가 있습니다. 이것은 등방성 재료를 다루는 것보다 힘든 작업입니다.

 

또한 이방성 재료는 접합부나 복합적인 응력이 작용하는 부분에 세심한 주의를 기울여야 합니다.

 

등방성이란?

한편, 등방성이란 방향에 따라 재료의 성질이 변하지 않는 것을 의미합니다. 예를 들어, 모든 방향에서 잡아 당겨도 같은 방식으로 변형되는 등방성입니다.

 

대표적인 등방성 재료

그런, 등방성을 가지는 대표적인 재료가 「강」입니다. 강은 인장하는 방향으로 강도나 탄성계수가 변화하지 않습니다. 이러한 방향에 의존하지 않는 재료를 「등방성 재료」라고 합니다.