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구조 및 기계설계에 있어서 안전율 | ||
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기계설계 또는 건축설계시 우리는 막연하게 안전율 얼마라고 정의하지만 오늘 이 시간에는 안전율에 대하여 좀더 명확히 짚고 넘어가도록 하겠다. 먼저 안전율을 정의하기 전에 우리는 다음과 같은 사항을 필히 고려해야 할 것이다. 1. 안전율 정의 시 고려사항 - 하중의 종류 : 등분포하중, 집중하중에 대한 하중의 성격을 설정하고 이어서 하중의 지속조건에 의한 단기하중, 중기하중, 장기하중에 대하여 진지하게 생각할 것이며 하중의 운동방향(수직, 수평, 경사, 모멘트)에 따른 구조물의 역학관계(반력, 전단력, 휨력) 그리고 하중의 운동방식에 따라 교번, 충격, 반복, 편진, 양진등을 고려해야 하다 - 구조물의 형상 : 하중의 종류에 대해 고려되었다면 다음엔 하중을 재하할 부분의 구조물 의 형상을 고려해야 한다. 구멍,단차, 파임 그리고 단면이 급작스럽게 변하는 노치(notch)를 고려하여 응력조건을 부여해야 하며 또 효과적인 재료의 배치에 의한 단면효과, 구조물의 표면거칠기, 녹, 부식, 사용재료에 대한 물성치등이 그것이다. - 사용재료 : 강, 철, 주철등의 사용에 신중해야 한다. 안전율을 정의할 경우 일반적인 탄소강 의 경우 기준강도를 항복점으로 설정하지만 주철의 경우엔 기준강도를 인장강도로 정의한다. 이와 같은 이유는 탄성과 취성의 상극성이 관여된다 할 수 있다. - 구조물 사용환경 : 구조물은 고온상에서 크리프피로가 발생되어 상온하에서도 더 큰 피로한계 를 보인다. 그리고 사용재질에 따라서 저온에서의 취성을 염두해야 한다. 또 화학공장에서 사용 시 우려되는 부식에 의한 침식, 유체의 흐름이 빠른 수중이나 유중 그리고 기중속에서 우려되는 캐비테이션에 의한 점침식도 빠트려 생각할 수 없는 부분이다. 건설기계같은 악조건속에서의 작업이나 인승용 기기와 같은 경우엔 더더욱 그러하겠다. 2. 안전율의 정의(경험적인 안전율 = 기준강도 / 허용응력) - 탄소강의 기준강도 : 항복점(보통 하항복점) - 취성재료의 기준강도 : 인장강도 - 굽힘재료의 기준강도 : 굽힘응력 - 고온에서의 기준강도 : 크리프강도 - 반복, 굽힘이 잦은 재료에서의 기준강도 : 피로한도 - 저온에서의 기준강도 : 피로강도를 가급적 낮게 잡는다 3. 캐듈러의 안전율 캐듈러는 안전율을 다음과 같이 정의하고 있다 안전율 = a x b x c x d a : 하중계수 - 인장강도와 탄성한도의 비(보통 1.2 ~ 1,5) b : 탄성비 - 탄성한도와 피로한도의 비 c : 충격계수 d : 여유계수 4. 응력해석의 개념 인장강도 > 항복점 > 탄성한도 > 피로한도 > 허용응력 > 사용응력 위에서와 같이 우리가 구조물에 사용할 응력은 사용응력(계산응력)이다. 사실 사용응력을 정확히 알기란 거의 불가능하지만 최소한 허용응력내에서 사용해야 함은 명백한 사실이다. 이러한 사실을 고려하여 허용응력내에서 사용응력을 집행할 수 있도록 여러가지 조건들이 배려되고 있다. 형상계수라든지 응력계수, 수정계수등을 통해 충분히 사용응력을 정의할 수 있어야 한다. 이러한 내용을 고려하여 해석법을 허용응력해석법이라 하여 현장에서 많이 사용하고 있지만 구조물의 형상에 따라 수시로 바뀌는 부분에 대해서는 정확하게 파악하기 어려워 많은 난점을 가지고 있다. 5. 안전율을 극대화 하기 위한 여러 가지 방법 적극적인 방법 - 표면처리 : 물리적인 방법(침탄, 질화, 유화), 화학적인 방법(불꽃경화, 고주파 경화) - 열처리 : 풀림, 불림, 담금질 후 뜨임처리 - 금속침투법 : 니켈확산침투, 보로나이징, 탄화물 침투법, 알루미늄 또는 아연확산침투범) 소극적인 방법 - sand 또는 short blasting 을 통해 표면처리하는 방법 - 도막, 녹 등의 부식처리(약품, 수공구, 동력공구) - buffing, 폴리싱 등의 연마법 - 가공시 응력이 집중될 수 있도록 chamfering 응력을 분산시킬 수 있도록 rounding 상기에서 언급한 모든 내용들을 충분히 숙지한 후 안전율에 대하여 진지하게 고민하고 또 고민해야 한다 설계의 목적은 납기를 줄이고 제품의 품질을 향상시키고 cost 를 절감하는 등 유형적으로 기업 또는 제품의 경쟁력 확보를 득하기 위해서 이고 더 나아가서는 무형의 재산(인재, 재산손실, 안전)을 얻게 되는 최종 부산물을 얻는 이유에서 이다. 스스로가 설계베터랑이라고 여기기에 앞서 자신이 설계한 기계를 스스로도 정확히 신뢰할 수 있는 지를 먼저 문의해야 할 것이다. 
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| Toal 65 |
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