3-보충. 하중의 종류 / 압력을 받는 원통 / 막응력

■ 하중의 종류

 

[1. 하중과 변형률, 안전율] 에서 다뤘던 하중에서 심화된 내용을 보충하고자 합니다.

이 내용은 기사시험이나 전공시험에 사지선다형으로 나오는 문제이기도 하니, 개념을 잘 알아두도록 합니다.

 

대분류	소분류	설명
정하중	수직(=법선)하중 - 인장/압축하중 전단(=접선)하중 굽힘하중 비틀림하중	생략
동하중	반복하중	하중의 크기와 방향이 일정하게 반복
	교번하중	하중의 크기와 방향이 충격 없이 주기적으로 변화
	변동하중	진폭과 주기가 모두 변화, 불규칙하게 작용
	충격하중	짧은 시간에 충격적으로 가해지는 하중 (초기속도 없이 가할 수 있는 응력,신장량은 정(적)조건의 2배)

 

피로파괴란 동하중을 (충격하중 제외) 지속적으로 받으면 극한강도 또는 항복점보다 훨씬 못미치는 값에서 파괴가 발생하는 현상을 말합니다.

피로한도는 아무리 동하중을 가하여도 피로파괴가 일어나지 않는 최대응력 지점을 말합니다. 제품을 설계할 때 피로한도를 높이는 것이 중요합니다.

 

피로파괴의 예로는 지속적으로 진동이 일어나는 기계설비, 자동차, 항공기 등의 응력집중이 일어나는 부분이 크랙이 가거나 뚝 끊어져버리는 현상입니다.

 

이 내용은 기계재료쪽 내용이긴 하지만, 당연히 기사나 전공시험에도 나오므로 잠깐 언급하겠습니다.

   ** 피로한도를 개선하는 방법? ---> 숏피닝, 샌드블라스팅, 롤러압연, 표면경화열처리 등

   ** 피로한도에서 사용하는 곡선? ---> S-N 곡선 

 

 

■ 하중의 종류에  따른 안전율 보충자료 - 안전율의 기준강도

 

 안전율의 공식은 여러가지 용어로 나타낼 수 있습니다.

여기에서 하중의 종류에 따라 안전율을 구할 때의 '기준강도'가 아래와 같이 달라지게 됩니다.  사지선다형으로 문제에 나오기도 하니 알아두도록 합니다. 
 ex) 문제 보기 중 '취성재료가 상온에서 정하중을 받을 때는 항복점을 고려한다' 가 있으면 오답이겠죠.

 

하중 구분	조건	기준강도
정하중	연성재료 (연강)	항복점
	취성재료 (주철)	극한강도
	고온	크리프 한도
	좌굴 일어날 수 있는 긴 기둥	좌굴응력
반복하중		피로한도

 

아래의 내용은 참고로만 언급하겠습니다.

 

※ 연강의 안전율은 하중의 종류별로 아래와 같다.

   - 정하중 3  /  반복하중 5  /  교번하중 8   / 충격하중 12    (연강 - 정반교충 - 3,5,8,12  로 외우기) 

 

 

■ 압력을 받는 원통

일반적으로 안지름 d에 비해 두께 t 얇은 원통 형태의 구조물은 (물탱크, 송수관, 보일러관 등) 내부에 유체가 지나갈 때 바깥방향으로 압력 p가 발생하게 됩니다. 

이 경우 관에는 압력에 저항하는 두 방향의 인장응력 σ1, σ2 가 발생합니다. 

특히 원주방향 응력은 같은 뜻을 지칭하는 이름이 많아서, 문제에서 말장난 할 수 있으니 구분해서 외울 수 있도록 해야 합니다.

 

σ1 = 원주방향 응력 = 원환응력 = 후프응력 = 축이음방향 = pd/2 

σ2 = 세로방향 응력 = 축방향 응력 = 길이와 평행한 방향 응력 = pd/4

 

두 응력을 살펴보면 축방향 응력 값이 원주방향보다 더 작습니다.

위의 응력은 관 압력에 '저항'하는 응력이므로, 만약 내부의 과대한 압력으로 관이 파손된다면 축방향(세로방향) 먼저 균열이 일어날 것임을 알 수 있습니다.

 

또한 관(원통)을 설계할 때는 σ1를 기준으로, 더 크게 설계해야 합니다. (σ1이 더 크니까) 

 

■ 막응력 (구에서의 응력)

구 형태 (=3차원 응력상태이다 = 얇은 살두께 = 막응력 = 구형(sphericcal) 용기)  에서의 응력은 위에서의 σ2 값과 같습니다. 

 σ = pd/4