안전계수와 허용응력

1. 허용응력
   
   기계나 구조물의 각 부재가 오랜 기간 동안 고장이나 파손 없이 그 목적을 수행하도록 하기 위해서는 각 부재에 작용하는 응력을 재료의 성질 하중의 종류 및 사용 상태 등에 따라 어느 정도 수준 이하로 하여야 함. 이 한계의 응력을 허용응력이라 함.
   
   
   
2. 기준강도
   
   재료의 종류, 형상, 사용조건 및 수명 등을 고려하여 일반적으로 다음과 같은 값을 사용한다.
   
   
1. 정하중 작용 시
   
   - 연성재료 : 탄성파손이 발생하는 항복응력
   - 취성재료 : 취성파괴가 발생하는 극한강도
   
   
2. 반복하중 작용 시
   
   - 양진하중 작용 시
        * 무한 수명이 요구될 때 ; 피로한도
        * 유한 수명이 요구될 때 ; 시간강도
   
   - 편진하중 작용 시 ; 편진 피로한도
   
   - 임의의 평균응력이 있는 경우 ; 피로한도 선도로부터 최대응력과 최소응력
   
   
3. 고온에서 정하중 작용 시
   
   크리프한도(납과 같은 연금속이나 고분자 재료는 상온 근처에서도 크리프를 일으키므로 주의)
   
4. 천이온도 이하에서 사용하는 경우
   
   저온취성에 유의, 기준강도를 상당히 낮게 잡을 것.
   
5. 긴 기둥이 압축이나 편심하중을 받아 좌굴이 예상되는 경우 ; 좌굴응력
   
   
3. 안전계수
   
   기준강도로부터 고장이나 파손이 없이 안전하게 기계의 목적을 달성할 수 있도록 실제 사용응력의 한계를 정하기 위한 계수
   
        안전계수(S) = 기준강도 / 허용응력
   
   안전계수가 클수록 설계에 안전성이 있는 반면 경제성이 떨어지므로 안전성을 해치지 않는 범위 내에서 가능한 안전율을 작게 잡을 것.
   
   
4. 안전계수(S)에 영향을 미치는 인자
   
   
1. 하중의 종류와 성질
   
   동하중 특히 충격하중의 경우 정하중에 비해 안전계수(S)를 크게 하고 기계적 성질이 잘 알려져 있는 인장, 굽힘에 비해 압축, 전단, 비틀림응력이 작용할 때는 안전계수(S)를 크게 한다.
   
   
2. 재질 및 그 균일성에 대한 신뢰성
   
   연성재료는 결함에 의한 강도손실이 작고 탄성파손 후라도 바로 파괴가 발생하지 않으므로 취성재료보다 안전계수(S)를 작게 한다.
   
   
3. 하중계산, 응력계산의 정확성
   
   가정 및 생략항의 고려, 관성력의 무시 여부, 잔류응력의 유무, 유도적 하중의 무시 여부 등
   
   
4. 사용조건의 영향
   
   마모, 부식, 열팽창 등 사용 중 예상하지 못한 변화발생 가능성
   
   
5. 공작물의 정밀도 및 사용상태
   
6. 수명을 길게 하려면 안전계수(S)를 크게 잡는다.
   
7. 불연속부의 존재여부
   
   노치 효과가 발생하므로 안전율을 크게 한다. 특히 취성재료가 저온에서 충격하중을 받을 경우 노치 효과에 주의.
   
   
5. 경험적 안전율
   
   극한강도를 기준으로 하는 경우 하중조건에 따른 안전율의 일반적인 평균치
   
   cf. 강재의 경우
   
   정하중 : 3
   등하중 ┬ 반복하중 ┬ 편진하중 : 5
              │               └ 양진하중 : 8
              └ 충격하중 : 12
   
   
6. 경험적 방법의 안전율 (Cardullo법)
   
   
1. Cardullo법은 안전계수에 관계하는 각 인자의 곱에 의하여 그 값을 결정하는 것. 재료의 극한 강도를 기준으로 함
   
   (정하중시 연강; a = 2, b = 1, c = 1, d = 1.5, → S = 3)
   
   
   S = a×b×c×d
   
   a ; 탄성비 (극한강도/탄성한도 = 극한강도/허용하중)
   b ; 하중의 종류(정하중, 반복하중)
   c ; 하중의 속도(정하중, 충격하중)
   d ; 재료의 조건, 여유계수 (재료의 결함, 미지의 온도변화, 재료의 성질 변화, 잔류응력, 계산의 부정확성, 불측의 초과하중 등 불안감이나 신뢰감의 부족을 보완)
   
   ※ 설계의 결함으로 인한 위험은 대부분 소재의 강도계산이 적정하지 못함에 기인. 설계 시, 반드시 적절한 안전율을 고려할 것.
   
   ※ 피로강도를 기준강도로 보는 경우, c×d가 안전계수이며 이중에서도 d가 참된 의미의 안전계수라 할 수 있음.