콘크리트 피로

정의

콘크리트 피로는 반복하중을 받는 콘크리트가 정적 강도보다 낮은 응력에서도 누적 손상으로 파괴되는 현상이다.

같은 크기의 응력이라도 여러 번 반복되면 파괴가 일어난다. 그래서 응력의 크기뿐 아니라 반복 횟수와 변동폭을 함께 본다.

교량 거더, 철도, 해양 구조물처럼 반복하중을 받는 곳에서 특히 중요하다.

미세균열과 S-N 곡선

콘크리트 피로의 원리는 미세균열의 성장이다.

시멘트 페이스트와 골재의 계면에 있는 미세균열이 반복 응력에 의해 진전한다.

단면의 유효 면적이 줄어 결국 파괴에 이르며, 취성 파괴의 형태로 나타나는 경우가 많다.

피로 강도는 S-N 곡선으로 표시한다. 응력이 클수록 파괴까지 반복 횟수가 적어진다.

누적 손상 법칙

누적 손상은 Palmgren–Miner 법칙으로 계산한다.

응력 수준별 실제 반복 횟수를 파괴 반복 횟수로 나눈 값을 모두 더한다.

이 법칙은 손상이 반복 횟수에 따라 선형으로 누적된다는 가설이다. 금속 재료 연구에서 먼저 정립되었다.

예제 계산

예제로 계산 과정을 확인한다. 압축강도는 30MPa이고, 두 응력 수준이 5년 동안 반복된다고 가정한다.

응력비는 최대응력을 압축강도로 나눈 값이다. 수준 1은 0.6, 수준 2는 0.8이다.

각 수준의 반복 횟수를 가정된 파괴 반복수로 나누면 0.25와 0.50이다.

두 값을 더하면 누적피로손상도 D는 0.75가 된다.

D가 파괴 판정 기준에 미달하므로 5년 시점에서는 파괴 전 단계이다.

강재와 콘크리트 비교

강재와 콘크리트의 S-N 곡선 특성을 비교한다.

강재는 피로한도가 있어 한도 이하의 응력에서는 무한 반복이 가능하다고 본다.

콘크리트는 반복 횟수가 늘수록 강도가 계속 줄어, 한도 대신 강도 기준으로 다룬다.

또 콘크리트는 인장강도가 낮아 인장 반복에 더 불리하다.

Miner 법칙은 응력 재하 순서를 무시하므로 결과는 근사치이며 설계에는 안전계수를 둔다.

정리

정리한다. 콘크리트 피로는 반복하중에 의해 정적 강도보다 낮은 응력에서 생기는 파괴다.

피로 검토는 응력비, S-N 곡선, 누적손상도 순서로 계산한다.

Palmgren–Miner 법칙은 손상을 선형으로 더하지만 응력 순서 효과를 무시한다.

시험에서는 정의, S-N 곡선, Miner 법칙 계산이 반복해서 출제된다.