콘크리트의 피로파괴 : 크기가 작은 하중의 반복은 부재의 파괴를 발생 시킬 수 있다

안녕하세요 오늘은 콘크리트의 피로파괴에 대해서 글을 작성하려고 합니다. 피로파괴는 구조설계 시 주의 깊게 설계하지 않아서 저도 소홀히 했었는데 이번 기회에 내용을 확인하고 정리하려고 합니다. 

 

실제로 이번에 피로 설계기준인 KDS 14 20 26은 2페이지로 내용이 상당히 적었습니다. 이 기준은 최소한의 요구조건을 규정하는 것을 확인할 수 있었습니다.  

 

피로는 주로 강재에서 검토되는 내용으로 크기가 작은 하중이 반복적으로 작용될 때 항복강도를 넘는 하중이 가해지지 않았음에도 부재가 파괴되는 현상을 말합니다. 여기서 반복하중의 크기와 횟수가 중요할 것입니다. 실제로 고속도로 교량, 철도, 공장의 크레인 거더 등의 구조물은 사용기간동안 매우 많은 반복하중을 받을 것입니다. 이러한 구조물은 높은 하중에 의해서 파괴되기 보다는 반복하중에 의한 재료의 손상이 누적되고 피로파괴에 대한 위험이 더 높을 것입니다. 즉, 피로설계는 구조물의 수명과 사용성에서 중요한 부분이라고 생각됩니다. 

 

피로에 대한 검토는 활하중에 대한 철근의 응력범위를 기준으로 판단합니다. 지침에서 정한 응력범위 이내이면 별도의 피로검토를 할 필요가 없으며 만약에 이 범위를 넘어간다면 적절한 피로에 대해서 검토를 진행해야합니다. 보통은 철근의 응력범위를 피로검토를 하지않아도 되는 응력범위로 들어오게 해서 피로 검토를 수행하지 않는 것이 정석입니다.  

 

지침에서 피로검토를 수행하지 않아도 되는 철근 응력의 범위는 다음과 같습니다. 

종류	설계기준 항복강도 및 위치	응력 범위(MPa)
이형철근	300MPa	130
	350MPa	140
	400MPa	150
긴장재	연결부 또는 정착부	140
	기타 부위	160

 

위 표의 응력범위 이내에 있으면 피로검토를 수행하지 않아도 됩니다. 그렇다면 지침에서 위와 같은 응력범위를 기준으로 피로검토를 수행여부를 결정하는 이유는 구조물에 작용하는 응력의 크기가 피로수명을 결정하는데 가장 중요한 이유이기 때문일 것입니다.

 

 

반복하중에 대한 실험결과를 S-N곡선으로 잘 표현한 연구는 Helgason and Hanson(1974)가 있습니다. 이 실험을 통해서 현재의 응력범위가 결정되었다고 생각할 수 있습니다. 이 실험에서 응력범위가 증가하면 피로수명은 감소하며, 응력범위가 감소하면 피로수명이 증가하나, 응력범위가 일정한계(피로한계) 이하가 되면 피로수명에는 영향을 미치지 못하는 것으로 밝혔습니다. 또한 국내에서 실시한 실험 연구(변근주 등, 1997)에서 응력범위를 국외의 기준과 비교분석한 결과를 보여주기도 했습니다. 

 

건축구조기준에서 제시된 응력범위는 이러한 실험적 논문들을 통해서 응력범위가 결정되었다고 생각합니다.  

 

지금까지의 내용을 정리하면 다음과 같습니다. 

-피로는 크기가 작은하중이 지속적으로 반복될 때 항복강도 이하에서 파괴되는 현상 

-주로 휨을 받는 부재에서 발생(보, 슬래브, 축인장력 및 휨모멘트가 크게 작용하는 기둥) 

-활하중에 대한 응력범위로 피로검토 여부 결정 

-지침에서 제시된 응력범위는 실험적 연구를 기반으로 결정 

 

오늘은 콘크리트의 피로파괴에 대해서 글을 작성해 보았습니다. 저도 해당 내용을 구조설계를 하면서 주의깊게 고민해 보지 않은 부분이라 오늘 논문도 찾아보면서 공부를 해봤습니다. S-N곡선을 통해 철근의 응력범위가 피로검토에 중요한 요인이라는 것을 알았습니다. 여러분도 피로검토에 대해서 한번씩 스스로 공부해 보는 시간을 가졌으면 좋겠습니다. 

 

오늘도 글을 읽어주셔서 감사합니다 :)