강재 교량 피로손상 - 응력범위

피로손상 정의

피로손상은 같은 힘을 여러 번 되풀이해서 받을 때 생기는 손상이다.

정적 항복응력보다 낮은 응력에서도 미세균열이 쌓여 결국 끊어진다.

철사를 앞뒤로 반복해서 구부리면 끊어지는 것과 같다.

응력범위

이제 응력범위를 알아보자. 응력범위는 한 사이클 동안 생기는 응력의 변동 폭이다.

식으로는 Δσ = σmax − σmin 이다. 최대응력에서 최소응력을 뺀 값이다.

단위는 MPa다. 피로 검토는 응력범위를 기준으로 수행한다.

정답 확인

정답은 Δσ = σmax − σmin이다. 최대응력에서 최소응력을 뺀 값이다.

피로 진행 3단계

피로는 세 단계로 진행한다. 균열 발생, 균열 진전, 최종 파단이다.

초기 결함이 없는 부재는 발생 단계가 피로수명의 대부분을 차지한다.

미세균열이 거시균열로 커지면 진전 단계다. 거시균열이 하중 지지 능력을 잃으면 파단이다.

용접 이음은 초기 균열이 있어 발생 단계가 짧으므로 특히 취약하다.

응력범위와 수명 예

가상의 예로 용접 상세의 피로 수명을 검토해 보자. 응력범위는 80 MPa로 둔다.

수명 식은 N = (C / Δσ)^m 이다. C는 상세 등급 상수, m은 기울기 지수다.

이 예의 C는 표준 값을 쓴다고 가정한다. 실제 값은 설계 기준에서 확인해야 한다.

응력범위가 커질수록 N은 급격히 줄어든다. 피로 한계 이하 응력은 무한 수명으로 본다.

헷갈리는 점

헷갈리기 쉬운 실수는 피로한도와 정적 강도를 같은 것으로 보는 것이다.

정적 강도는 항복응력으로 보고, 피로한도는 S-N 곡선 수평부의 응력으로 본다.

철강은 수평부가 나타나지만, 알루미늄 합금 등은 나타나지 않는다.

수평부가 없는 재료는 반복 횟수에 따른 피로 특성으로 평가한다.