허용응력과 안전율 (feat. 사용응력, 기준강도)

이번에는 사용응력, 허용응력, 기준강도, 안전율에 대해서 알아볼까 한다.

이 글을 읽기에 앞서 응력의 개념과 변형률에 대해서 미리 보고 오길 바란다.

( 아래 포스팅 참고 )

https://portsafety.tistory.com/7

응력과 외력 (feat. 응력의 단위)

https://portsafety.tistory.com/9

응력과 변형률 (feat. 응력-변형률 선도)

 

 

건축물, 선박, 기계, 기구에 이르는 모든 것들은 설계를 하게 되고 설계는 결국 치수를 정하는 것이다. 이 치수를 정할 때는 제품에 작용하는 외력과 재료가 가진 고유특성(이를 테면 극한강도)을 토대로 이루어진다.

그 내용에 대해 한 번 알아보자.

 

1.     허용응력 (Allowable Stress, σa)

허용응력이란 탄성한도 내에 위치해야 하는 응력으로써 재료에 가해져도 파괴되지 않을 최대의 응력이고 안전율과 기준강도로 구해지는 값이다.

2.     사용응력 (Working Stress, σw)

사용응력은 재료가 실제 사용조건에서 받는 응력으로 하중의 종류, 온도, 풍압 등 여러 변수를 고려하여 예측되는 값이다.

3.     기준강도

기준강도는 안전율을 계산할 때 기준이 되는 강도이다. 재료는 고유의 특성이 있으므로 그 중에서 어떤 값으로 안전율을 계산해야 하는지는 재료마다 다르다.

 

재료	기준강도	재료	기준강도
연성 재질	항복강도	전성 재질	극한강도
고온에서 정하중	크리프한도	반복하중	피로한도
장주 또는 봉재	좌굴한도	정하중	항복강도 또는 극한강도

 

일반적인 탄소강의 경우 극한강도를 기준강도로 잡는다. 그러나 알루미늄 같은 연한 재질은 기준강도를 항복점으로 잡아 소성변형이 이루어지지 않도록 설계한다. 그 밖에, 고온에서 정하중을 받는 기둥이나 열교환기와 같은 경우에는 크리프한도라는 것을 기준으로 잡는다.

(파괴의 형식에 대해서는 다른 글에서 다뤄야겠다.)

 

4.     안전율 (Factor of Safety, S)

 

안전율은 허용응력과 기준강도의 비로써 오랜 경험과 기술축적으로 결정되는 설계상의 안전 여유율이라고 볼 수 있다. 또한 ISO, API, ASME 등의 Rule & Regulation에 의해 정해져 있기도 하다. 따라서 안전율은 반드시 지켜야 할 규범적 수치라고 보면 되고 항상 1보다 커야 한다.

경제성을 위해서는 안전율을 낮게 적용하는 것이 좋으나 안전성을 위해서는 높게 설정하는 것이 좋다.

 

< 안전율의 개념 >

 

이 안전율은 다음의 식으로 구한다.

안전율 S = 기준강도/허용응력        *  허용응력 = 기준강도 / 안전율(S)

 

기준강도와 안전율은 알고 있으니 허용응력을 알 수 있다.

이 허용응력은 사용응력보다 항상 크거나 같아야 하므로 실 사용 조건에서 사용응력을 구해서 허용응력보다 작은지 확인해야 한다.

만약, 사용응력이 허용응력보다 크다면 설계를 변경해야 한다.

 사용응력 σw = 힘 / 면적  이므로,   면적을 늘리게 되면 사용응력이 작아진다.

그러나 면적을 많이 늘리게 되면 재료가 많이 필요하므로 부피와 무게도 그만큼 늘어나기 때문에 신중해야 할 것이다.

그럼 힘을 줄일 수 있을 것인가? 실 사용조건에서의 힘은 다양한 요소를 고려하게 되는데, 적용을 제외하거나 적은 값으로 계산하게 되면 실제 사용시 문제를 일으킬 수도 있다.

 

[핵심 내용정리]

1.     응력의 크기비교

극한강도 > 항복강도 > 탄성한도 ≥ 허용응력 ≥ 사용응력

2.     허용응력은 기준강도와 안전율을 통해서 구할 수 있다.

3.     기준강도는 사용환경에 따라 적용값이 달라진다.