철근의 피로 특성, S-N곡선, 피로 한계, 특성피로강도

안녕하세요

오늘은 철근의 피로 특성에 관하여 알아보도록 하겠습니다.

 

철근의 피로 특성(Fatigue Characteristics of Reinforcement)

 

 근래에 와서 강도설계법과 같이 재료의 강도가 설계의 기준으로 이용되고 점차 고강도 철근을 사용하면서 철근의 피로 거동에 관해서 관심을 끌게 되었다. 특히 교량 상판과 같은 철근콘크리트 요소들은 많은 반복하중이 작용하게, 되면 보강철근이 피로에 의해서 파괴될 수도 있다. 콘크리트 보에 매립된 이형철근이 피로파괴를 일으키면 중에서 가장 낮은 응력 범위(stress rage)는 145 MPa이었다. 이 피로파괴는 fy = 400 MPa의 D35 철근이 배치된 보에 반복하중이 125만 회 작용한 뒤에 일어났으며 이때의 최소 응력은 121 MPa이었다.

이형철근의 응력범위-피로수명 S-N 곡선

 철근의 피로 특성은 응력 범위와 파괴를 일으키는 데 필요한 반복하중의 수로 표현되며 이를 S-N 곡선(maximum stress-number of cycles to failure)이라 한다. 이형철근에 대해서 수행한 여러 시험에 의해서 구한 S-N 곡선이 그래프에 주어졌다. 이 곡선은 D16에서 D35 철근을 이용하여 수행되었으며 최소 응력은 인장 항복강도의 -0.10에서 0.43배의 범위이었다. 그림에서 보면 S-N 곡선이 상당히 서로 다른 특징을 보여주어 응력 범위 외에도 여러 요인이 이형철근의 피로강도에 영향을 미치는 것을 알 수 있다.

 

그래프에서 대부분의 곡선이 반복하중 100만 번까지는 경사가 급하다가 그 이후에는 경사가 낮은 평평한 부분을 형성하고 있어 실용적인 피로한계(fatigue limit 또는 endurance limit)를 형성하고 있다. 작용하는 응력 범위가 이 피로한계보다 작으면 무한한 반복하중에도 파괴를 일으키지 않고 견딜 수 있는 한계이다. S-N 곡선에서 기울기가 급한 부분의 피로강도 범위를 유한수명(finite life)이라고 하고 기울기가 거의 없어 평평한 부분의 응력 범위를 무한수명(long life)이라고 부른다.

보강철근의 피로파괴는 일반적으로 철근의 표면에 아주 작은 균열이 발생하면서 시작한다. 하중이 지속 반복하여 작용하면서 초기 균열이 철근의 다른 부분으로 발달하여 더 이상 하중을 지지하지 못하고 파괴가 일어나게 된다.

MC90 보고서 3.2.2에 의하면 표면이 매끄러운 철근에 비해서 리브(libs)나 홈(notch)이 있는 철근의 피로강도가 낮고 철근의 지름이 증가할수록 감소하는 경향이 있다고 보고하고 있다. 또한 굽은 철근이 직선 철근에 비해서 피로강도가 떨어지고 특히 굽힌 반경이 작아질수록 피로강도가 더 떨어진다고 보고하고 있다. 실험 결과에 의하면 굽힘의 반경이 철근의 지름의 5배일 때 피로강도는 직선 철근에 비해서 52%~68%밖에 되지 않고, 굽히는 반경이 지름의 15배인 경우에는 5배인 경우의 1/3 정도인 16%~ 22%만 감소한다고 하였다. 게다가 용접이 최근의 정적 강도(static strength)에는 거의 영향을 미치지 않지만, 피로강도는 상당히 감소시킨다고 보고하였다. 또한 해로운 환경(바다 등)에서 부식은 철근의 피로강도에 나쁜 영향을 미친다고 보고하고 있다.

철근콘크리트 구조물의 전계에 있어서 중요한 질문은 그립 과연 콘크리트에 매립되지 않은 철근에 대한 피로 실험 결과를 직접적으로 매립된 보강철근에 적용할 수 있느냐 하는 것에 대한 의문이다. 실험에 의하면 콘크리트에 매립된 철근의 특성 피로강도(characteristic fatigue strength = stress range)는 재료의 피로강도에 비해서 40%에서 70%밖에 되지 않는다고 보고하고 있다. 이렇게 매립된 철근의 피로강도가 낮아지는 이유는 매립된 철근에 점진적으로 일어나는 부식의 영향(feting corrosion effect) 때문이라고 한다.

콘크리트에 매립된 보강철근의 특성 피로강도(characteristic fatigue strength)를 10^6(백만) 반복하중에 대해서 직선 철근이나 굽힌 철근의 굽힘반경이 지름의 25배 이상일 때 철근의 지름이 16mm 이하일 때는 210 MPa로, 16mm~40mm일 때는 210 MPa~160 MPa로 제시하고 있으며, 굽힘반경이 철근 지름의 25배 이하면 이 값들에 계수(ξ= 0.35+ 0.026 D/∅)를 곱하도록 하였다. 여기에서는 철근의 지름이고 D는 굽힘반경이다. 용접이나 기계적 연결을 한 경우에는 10^7(천만) 반복하중에 대해서 응력 범위를 50 MPa로 제시하고 있으며, 해양환경에 대해서는 같은 반복하중에 대해서 65 MPa를 제시하였다.

어떤 부재의 이형철근이 10^6 또는 그 이상의 반복하중에 의해서 인장응력이나 인장응력과 압축응력이 작용하게 되면 최대응력과 최소 응력의 차이가 140 MPa을 초과하게 되면 피로파괴가 일어날 수 있고, 굽은 부근이나 용접한 철근에서는 응력 범위가 70 MPa 이상 초과하게 되면 피로파괴가 일어날 수 있다고 제안하고 있다.

구조기준 4.4.2 피로에 대한 안정성을 검토할 때 충격을 포함한 사용 활하중에 의한 철근과 긴장재의 응력 범위가 표와 같이 응력 범위 이내에 들면 피로에 대해서 검토할 필요가 없다고 제안하며, 피로의 검토가 필요한 구조 부재는 높은 응력을 받는 부분에서 철근을 구부리지 못하도록 하고 있다.

피로를 고려하지 않아도 되는 철근과 긴장재의 응력 범위 [구조기준 4.4.2]