[기계안전기술사] 문제풀이 2022년 126-2-2 기계설비 제작 설계시 고려사항 (허용응력, 안전계수, 기준강도 등)
2. 기계.기구 및 설비의 제작 설계 시 고려하여야 할 아래 내용에 대하여 설명하시오
가) 허용응력(Allowable stress)
나) 안전계수(Factor of safety)
다) 기준강도 결정 시 고려사항 5가지
라) 안전계수 결정 시 고려사항 5가지
Q. 기계설비 구조설계 시 재료의 안전율을 정의하고 안전율 결정 시 고려사항 3가지를 설명하시오.
구조물의 구조설계
공학적인 설계에서 중요한 고려사항은 하중을 지지하거나 전달하도록 설계된 대상물의 능력이다.
하중을 지지해야만 하는 대상물에는 건물, 기계, 선박, 비행기, 차량 등 무수히 많으며, 이러한 것을 구조물 (Structure)이라 한다. 그러므로, 구조물이란 하중을 전달하거나 지지하는 임의의 대상물이다
응력(Stress)이란?
어떤 물체에 하중이 걸리면 그 재료의 내부에는 저항하는 힘이 생겨 균형을 이루는데 이 저항력을 응력이라 함.
사용응력 (Working Stress)
구조물이나 기계부품에 실제 작용시키고 있는 응력, 실제 장시간 또는 운전 상태에서 각 부재에 작용 하는 응력. 사용응력은 허용응력 및 탄성한도 내에 있어야 하며 설계를 할 때는 충격하중, 반복하중, 압축하중 인장응력 등 각종 요인을 고려하여 실제로 반영될 응력을 산출한 후 충분히 안전하도록 재료를 선택 하고 부재 크기 등을 정해야 한다.
허용응력 (Allowable Stress)
기계나 구조물의 각 부재가 오랜 기간 동안 변형과 파손 없이 견디기 위해 부재의 작용하는 응력을 어느 수준 이하로 해야 하는데 이 한계를 허용응력이라 한다.
허용응력의 결정
허용응력은 안전율, 안전율은 재료의 기준강도에 따라 정해진다.
기준 강도는 재료의 인장강도, 항복점, 피로강도, 크리프 등의 강도인데 사용환경에 따라 다르다.
허용응력은 안전율로 정하며, 안전율은 기준강도로 정한다.
허용응력은 재료를 사용하는데 허용할 수 있는 최대 응력이다.
허용응력은 탄성한도 이내이어야 하며, 영구변형을 일으키지 않아야 한다.
허용응력은 부재의 형태, 사용 상태, 사용온도, 부식 등에 영향을 받는다.
허용응력은 제작방법, 제작 정도 등의 영향을 받는다.
사용응력과 허용응력과의 관계
극한강도(인장강도)> 항복점 > 탄성한도 > 허용응력 > 사용응력
허용응력 산정(결정)시 고려사항
1) 하중 및 응력의 종류와 성질
2) 응력계산의 정확도 및 크기
3) 재질 및 그 균질성에 대한 신뢰도(재료)
4) 외부 환경(온도, 상태 등)
5) 불연속 부분의 존재여부
6) 공작면의 가공정밀도
안전계수 (Factor of Safety)
안전계수(S) = 기준강도/ 허용응력
응력 계산의 불확실성, 재료의 불균질 등에 부정확성을 보충하고 경제적 치수를 결정하는 데 사용한다.
안전율을 크게 잡으면 안전성은 증가하나 경제성이 떨어지고, 부재의 중량이 무거워지며, 공사가 곤란해진다.
최적 설계를 위해서는 안전성이 보장되는 한 작게 잡아야 한다.
안전율(Factor of Safety)
구조물의 파괴를 피하려면 실제 구조물이 지지할 수 있는 하중은 사용 중 지지하도록 요구되는 하중보다 더 커야 한다.
하중에 저항하는 구조물의 능력을 강도(Strength)라 하므로, 구조물의 실질적인 강도는 요구되는 강도를 초과해야만 한다.
이 요구되는 강도에 대한 실제 강도의 비(Ratio)를 안전율이라 한다.
즉, 안전율(Factor of Safety) = 실제의 강도 / 요구되는 강도 (파괴를 피하려면 이 안전율이 1보다 커야 한다)
안전계수 안전율 결정 시 고려사항 5가지
1. 재료, 재질 및 그 균질성에 대한 신뢰도
- 연성재료는 내부결함에 대한 영향이 취성재료에 비해 작고 탄성파손 개시후에도 곧 파괴가 수반되지 않아 신뢰도가 높아 취성재료에 비해 연성재료는 안전율을 작게 잡는다.
2. 응력 계산의 정확도 (분석의 정확성)
- 정확한 응력계산이 어려운 형상이 복잡한 것, 응력의 작용상태가 복잡한 것은 안전율을 크게 잡아야 한다
3. 하중 값의 정확성, 불확실 정도
- 우발적인 과잉 하중 가능성
- 관성력, 잔류응력이 존재하는 경우 에는 그 부정확성을 보완하기 위해 안전율을 크게 잡아야 한다
4. 응력의종류 및 성질 / 하중의 형태 (동적, 정적, 반복,변동 ..)
5. 불연속 부분의 존재
- 불연속적으로 달린 축과 같이 불연속 부분이 있으면 그 부분에 응력집중이 생기므로 안전율을 크게 잡아야 한다.
6. 공작방법(조립 등) 및 정밀도 (시공오차)
- 공작의 정도, 다듬질면, 조립의 양부 등도 기계수명을 좌우하는 인자가 되므로 설계시 공작의 정도
7. 재료특성 변화 부식이나 환경영향
8. 사용 중 변화 가능성, 예측하기 어려운 변화의 가정: 마모, 부식, 열응력 등 .공작 정도
9. 파괴 양태 (점진적 vs 극단적 파괴 -연성파괴 vs 취성파괴 )
10. 파괴 결과 (손상 정도)
허용응력과 안전계수의 관계
안전계수는 1보다 커야 한다
안전계수를 지나치게 크게 하면 안전성은 높으나 경제성이 떨어지고, 안전계수를 너무 작게 잡으면 파괴로 인한 위험도가 높아진다.
최적의 설계는 안전계수를 1보다 약간 큰 값을 선정하는 것이다.
기준강도 결정 시 고려사항 5가지 기준
강도는 재료의 인장강도, 항복점, 피로 강도, 크리프 등의 강도인데 사용 환경에 따라 다르다.
연강은 항복점을 기준 강도로 한다.
주철은 극한강도를 기준 강도로 한다.
반복하중 시피로한도를 기준 강도로 한다.
고온 정하중시 크리프 한도를 기준 강도로 한다.
좌굴이 발생하는 장주는 좌굴응력을 기준 강도로 한다.
정하중을 받는 부재에서는 항복점, 극한강도가 기준 강도가 된다.
반복하중(정하중의 2배), 교번하중(정하중의 3배), 충격하중(정하중의 5배)에서는 피로한도, 충격치가 기준강도가 된다.
