강재 응력이력곡선, 바우싱거 효과, 피로검토

 

강재에 작용하는 반복하중에 대한 응력이력곡선(hysteresis loop) 개념을 정리했습니다. 응력이력곡선은 외력의 반복재하시 강재 재료에 발생하는 물리적 응답(응력)을 그린 그래프입니다. 이 응력이력곡선의 그래프는 강재의 물리적 저항 특성을 평가하는데 이용하는데요, 특히 피로파괴(Fatigue Failure), 소성변형특성을 파악하는데 이용합니다. 이런 응력 응답 중 특징으로 바우싱거 효과(Bauschinger effect)가 있습니다.

구조기술사 기출문제이며, 면접에도 충분히 나올 수 있는 개념문제이니 참고하시기 바랍니다.

 

 

강재의 응력이력곡선 특징

교번응력

강재의 응력이력곡선 그래프를 그리기 위해, 강재에 하중을 재하 또는 제거를 반복하게 된다. 이때 하중의 재하는 한 단면에 대하여 압축과 인장응력이 교대로 발생하게 한다. 이렇게 한 단면에 압축/인장응력을 번갈아서 발생하는 응력을 교번응력이라 한다.

 

응력이력곡선

응력이력곡선은 강재에 점진적으로 큰 힘을 적용한다. 이때 발생하는 강재의 응력(stress)와 변형량(strain)을 측정하여 그린 그래프가 응력이력곡선이다. 응력이력곡선에서 발생하는 특징은 아래와 같다

 

비례한도

비례한도(proportional limit)은 강재의 응력변형률 곡선에서 탄성변형 구간에 속한다. 즉, 외력을 재하 후 제거시 변형이 원래대로 돌아오는 특징이 있고, 변형률과 응력의 관계가 비례 관계를 갖는다. 이 구간의 한계점을 비례한도라고 한다.

 

항복점

위의 비례한도구간을 지나면, 변형률-응력 비례하지 않기 시작하고 탄성구간도 성립하지 않는 구간에 이른다. 이 지점을 항복점이라 한다. 즉, 항복점(yielding point)은 외력을 제거한 이후에도 변형이 남아있는 소성구간(비탄성)의 시작점이라 하겠다. 이 항복점까지 구간을 elastic limit 라고도 한다.

 

바우싱거효과

외력의 증가로 강재 응력이 항복점에 도달하고 비탄성구간에 이르고, 반대 응력을 작용시킨다. 즉, 교번응력을 가하게 되는데, 이 교번응력을 여러번 가했을때 강재의 이론적인 항복응력보다 더 낮은 응력에서 항복에 이르게 된다.

이렇게 강재에 교번응력 발생시 항복응력보다 낮은 응력에 항복되게 되는 현상을 바우싱거 효과라 부른다. 이 현상은 반복하중에 따른 피로 및 취성파괴에 원인으로 설명되는 중요한 요인이다.

 

피로한계검토 S-N curve

SN Curve 정의

응력이력곡선은 피로한계검토에 쓰인다. 이때 피로한계검토를 위한 반복하중 재하에 따른 응력을 그린 그래프를 S-N curve, 선도 또는  Woehler curve 라 부른다.

S-N 선도는 시편이 피로파괴 될때까지 일정한 크기의 응력 Stress를 N회 반복하여 적용하고 이때의 Stress S와 하중횟수 N을 log 도표에 나타낸 것이다.

SN Curve 특징

그래프의 Y축은 부재에 가한 응력, X축은 하중의 반복횟수이다. 일반적으로 반복횟수 N은 log 함수로 표현한다.

강재에 균열이 발생하는데요 소요되는 사이클(하중 반복 횟수)를 한계반복수라고 한다. 일반적으로 10^5 회를 기준으로 저 사이클 피로/고 사이클 피로강도로 구분한다.

SN curve 해석을 통해 강재의 피로수명/반복하중 횟수/허용응력 판단에 도움이 된다.

 

이상으로 강재의 응력이력곡선에 대해 알아봤습니다. 토목구조기술사 114회 기출문제이기도 하고, 건축구조기술사 및 시공기술사에도 충분히 나올 수 있는 개념입니다. 아래 상세 풀이를 담았으니 참고하시기 바랍니다.

 

 

도움이 되셨기를 바랍니다. 감사합니다.

기술사는 다양한 문제를 보는 게 중요합니다. 아래 링크로 관련 기출문제를 드립니다.

[개념정리]피로 한계상태, 피로 검토 언제 어떤 경우에 해야하나요?