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기계구조물 해석방법에 대한 견해 | ||
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건축이던 토목이던 기계이던 여러 가지 조합된 하중(작동 메카니즘에 따른 기계동역학을 포함)을 지지하는 구조도면에 대한 해석의 근본 목적은 1. 사용 안전을 위한 구조물의 강도검토 : 전단, 축력(인장 및 압축), 비틀림, 모멘트, 좌굴 2. 구조의 사용 편의성을 위한 강성검토 : 처짐, 진동, 균열 이다. 이러한 목적달성을 위해 현존하는 해석방법은 크게 3가지로 분류되는데 1. 허용응력설계법(해석법) 2. 강도설계법(해석법) 3. 한계상태설계법(해석법) 으로 나누워진다. 각각의 해석방법은 상호 장단점이 있어서 각 설계법간의 조합을 통해 활용되는 것이 일반적이다. 1. 허용응력설계법은 재료의 탄성거동내에서 강도 및 강성을 고려한 방법으로 아래와 같이 적용된 안전율을 통하여 { 사용응력 < 허용응력 < 탄성한도 < 항복강도 < 극한강도(인장강도) } 모든 설계부품이나 부속자재들이 사용응력이거나 허용응력내에 오도록 하는 단면을 결정하고 부재를 보강하는 선형해석의 의미로 허용응력설계법 자체로는 - 변형은 중립축으로부터의 거리에 비례한다. - 재료의 휨 인장응력을 무시한다. - 재료의 탄성계수로 하나의 정해진 값을 각각 사용한다. 와 같은 가정을 사용하므로 사실상 부재시공상의 예측불발의 문제, 재료의 표면상태, 노후화의 정도등은 완전히 배재되고 사용재료들이 어느 정도에서 파괴가 발생되는 지를 정확히 예측하기에는 불가능하며 안전율에 따른 재료의 최대 한계강도상태까지의 성능활용이 어려워 대규모공사 시 부재력이 커지거나 시공기간이 증가하여 경제성에 문제가 지적된 방법으로 해석법 자체만으로는 건축 또는 토목분야에서는 사용되지 않는 방법이나 일부 관계법령에서의 허용성 여부 와 위험기계류등에서는 산업안전관리공단등에서 허용하고 있다. 2. 강도설계법은 허용응력설계법과는 달리 S >= Q 의 기본 조건을 활용하고 rS >= φQ 로 - S : 공칭강도 - Q : 하중 - r : 공칭강도 저감계수 -φ : 하중증가계수 예를 들면 공칭강도를 S=2 TF 로 보고 장기하중(D=0.8 TF), 단기하중(L=0.3 TF) 라고 한다면 0.4 * S = 1.4D + 1.7L 라는 통계적 방법을 도입하여 S = 0.4 * 2 = 0.8 TF Q = 1.4 * 0.8 + 1.7 * 0.3 = 1.63 TF S < Q 로 기준강도에 적합하지 못한 설계가 되고 만다. 사용하중은 어떠한 경우에고 설계공칭강도를 넘어설 수 없도록 하는 설계해석방법으로 - 조합재료는 완전히 부착되어 일체로 거동한다. - 철근 콘크리트의 경우에서 콘크리트의 인장강도는 무시하고 설계한다. (실제로 철근이 항복하는 상황에 도달하면 콘크리트가 전달하는 인장력은 매우 작다) - 변형률은 중립축에서의 거리에 비례한다. (즉, 하중이 가해진 후에도 단면은 평면을 유지한다) 와 같은 가정을 수반하여 사실상 허용응력법의 장점을 일부 반영하여 만들어 진 해석방법으로 특정한 상황에 따라 하중을 통계학적 수치를 대입하고 자재의 사용성에 대한 공칭강도의 통계적 저감을 통해 허용응력법에서 불가능했던 재료의 파괴레벌까지 설계영역을 확장하여 파괴에 대한 안전도의 확보가 확실해졌다는 의미가 크고 이런 연유로 이 해석방법을 소성해법 또는 비선형해법이라고도 한다. 하지만 강도설계법은 실질적으로 서로 다른 재료의 특성을 일일이 반영하기 어렵운 현실과 비선형영역(소성영역)을 사용하므로 선형영역대에서 별도의 사용성 검토가 필요하여 완전히 허용응력해법을 탈피하진 못한다. 한계상태설계법은 구조물에 하중이 작용하면, 이 하중에 의해 부재나 구조물에 모멘트, 전단력, 변위, 가속도 등과 같은 여러 형태의 하중효과가 나타난다. 하중효과 ＞ 구조체의 저항능력 : 구조물은 파괴상태에 이른다. 하중효과 ＜ 구조체의 저항능력 : Safety 하중효과 ＝ 구조체의 저항능력 : 구조물은 한계상태(limit state)에 이른다. 그러나 위에서 언급한 하중효과나 구조체의 저항능력은 확정적인 값이 아니라 불확실성을 갖고 있으므로 확률변수로서 취급하게 되며, 이러한 확률변수들은 확률 통계적인 접근방법으로 다루게 된다. 하중효과를 확률변수 Q로, 구조체의 저항능력을 확률변수 R로 표시하며, Q와 R은 서로 독립변수로서 가정하여 순차적으로 접근하는 해석방법으로 완전한 통계적 신뢰성 공학을 바탕으로 선진국권에서 채택되어 사용하는 방법으로 우리나라는 현재 강도설계법을 주축으로 점차 한계상태설계법으로 전향하는 추세에 있다. +++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++ 제목에 대한 이해를 위해 서론이 너무 길었던 것 같다. 기계구조물을 해석하는 방법에 대한 견해로 나는 허용응력법을 추천하고 싶다. 첫번째로 기계메카니즘을 위한 모든 부품류들에 대해서 정밀공차를 적용하는 산업현장에서의 노력이 허용응력해법의 무결점 가정에 어느 정도 부합하고 두번째로 재료의 인장응력은 일반적으로 전단응력에 비해 큰 수치를 가지므로 선전단을 고려한 허용응력해법에 부합하고(이점은 강도설계법과도 부합된다) 세번째로 기계공사는 건설공사와는 달리 큰 경간부나 고층을 수반하는 대규모 구조물의 존재여부가 공사비 책정상 사업성이 적기 때문이고 네번째로 콘크리트등과 같은 복합부재를 사용하여 주구조물을 이루는 일이 거의 없고 다섯번째로 기계메카니즘에서의 소성해법은 소성가공(압연, 전조, 단조, 인발, 압출..,) 을 통한 부품제작 그자체를 목적으로 한 작업외에는 목적자체가 소성을 통해 기계메카니즘을 이룰 경우 소성힌지의 존재로 기계메카니즘에 문제가 발생되므로 원천적으로 구조을 위한 소성설계는 배재해야 한다 라는 이유 때문이다. 구지 강도설계법이나 한계상태설계법을 도입하지 않을 이유도 없지만 수백, 수천가지의 단일 부품으로 조합되는 기계구조물을 단지 확률적 통계에 의존한다는 신뢰성에 의지하는 발상자체가 타이틀과는 너무도 맞지 않다고 판단하기 때문이다. 여기서 기계구조물이란 명칭의 의미는 필자 나름대로 - 부재 + 부재 = 부품 - 부품 + 부품 = 기구 - 기구 + 기구 = 설비 - 설비 + 설비 = 시설(PLANT, 플랜트) 와 같은 개념으로 생각하였다. 
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| Toal 65 |
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