압연강재 잔류응력

왜 배우는가: 압연강재의 잔류응력은 열간압연 후 불균일 냉각으로 단면 내부에 자가 평형을 이루며 남는 응력으로, 압축부재의 좌굴강도와 피로·취성 거동에 직접 영향을 준다. 설계에서 잔류응력을 무시하면 실제 좌굴 하중이 과대 평가되므로 강구조 압축재 설계의 기본 개념으로 반복해 출제된다. I형 단면의 플랜지와 웨브에 나타나는 분포 형태를 정확히 설명하는 것이 답안의 핵심이다.

출제 이력: 제118회 1교시 4번, 제101회 1교시 1번, 제63회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

압연강재 잔류응력은 외력 없이 단면 내부에서 자가 평형을 이루며 남는 응력으로, 불균일 냉각에 의해 생긴다.

핵심 키워드

• 잔류응력(residual stress)
• 자가 평형(self-equilibrium)
• 불균일 냉각(non-uniform cooling)
• 열간압연(hot rolling)
• 플랜지(flange)와 웨브(web)
• 인장 잔류응력과 압축 잔류응력
• 비탄성 좌굴(inelastic buckling)

2. 개념 풀이

쉽게 말하면, 뜨거운 강재가 식으면서 바깥과 안이 서로 다른 속도로 줄어들고, 그 차이가 단면 안에 힘의 균형을 이루는 응력으로 남는 것이다. 외력을 제거해도 사라지지 않는다는 점이 핵심이다.

정식 정의는 다음과 같다. 잔류응력은 외력을 제거한 후에도 재료 내부에 남아 있는 응력으로, 단면 전체에서 힘의 합과 모멘트의 합이 0이 되는 자가 평형 상태의 응력이다. 열간압연 형강은 단면이 완전히 냉각되는 과정에서 부위별 냉각 속도 차이로 소성 변형과 열수축이 엇갈려 이 응력이 생긴다.

자가 평형은 외부 하중 없이 단면 내부 응력의 합력과 모멘트가 0이라는 뜻이다. 따라서 인장 영역이 있으면 반드시 같은 크기의 압축 영역이 함께 존재한다.

불균일 냉각은 표면과 내부, 플랜지 끝과 웨브 중앙의 냉각 속도가 달라 수축 시기와 양이 어긋나는 현상이다. 이 어긋남이 잔류응력의 근본 원인이다.

인장 잔류응력과 압축 잔류응력은 부호로 구분한다. 열간압연 형강에서는 늦게 식는 부위가 인장, 먼저 식는 부위가 압축을 받는 것으로 정리하면 된다.

3. 등장 배경과 필요성

열간압연 형강은 롤을 통과한 뒤 공기 중에서 냉각된다. 플랜지는 두께가 두꺼워 중심부가 늦게 식고, 웨브는 얇아 빨리 식는다. 이 차이로 인해 냉각 후 단면에 잔류응력이 형성된다.

잔류응력이 중요한 이유는 압축부재의 좌굴 거동에 있다. 잔류응력이 있으면 외력이 작아도 일부 단면이 먼저 항복 영역에 들어가므로, 부재가 탄성 범위를 벗어나는 압축력이 낮아진다. 즉 좌굴에 불리해진다.

또한 잔류응력은 변형, 안정성, 피로 저항에 부정적인 영향을 준다. 잔류응력은 설계에서 고려해야 할 요소다.

설계에서는 잔류응력을 직접 계산하기보다 그 영향을 좌굴곡선이나 설계 강도식에 반영한다. 따라서 답안에서는 잔류응력의 원인, 분포 형태, 좌굴에 미치는 영향을 연결해 설명하는 것이 중요하다.