저주기 피로

Low-cycle fatigue

저주기의 피로에는 두 가지 기본적인 특성이 있다: 각 주기의 소성 변형과 재료가 이 유형의 하중에 대해 유한 내구성인 저주기의 현상이다.용어 주기는 궁극적인 피로와 실패를 초래하는 스트레스의 반복적인 적용을 의미한다. 저주기는 적용 사이의 긴 기간과 관련이 있다.

피로 연구는 주로 항공학의 크기 설계와 첨단 계산법을 이용한 에너지 생산이라는 두 분야에 집중되어 왔다.LCF 결과는 복잡한 기계 및 야금 현상(균열 전파, 작업 연화, 변형률 농도, 작업 강화 등)[1]을 더 잘 이해하기 위해 재료의 동작을 보다 심층적으로 연구할 수 있게 해준다.

역사

저주기 피로(LCF)로 인한 일반적인 요인은 높은 스트레스 수준과 낮은 고장 사이클 수입니다.특히 지난 50년 동안 금속과 온도, 스트레스 및 고장 주기 수 사이의 관계에 대한 많은 연구가 수행되었다.테스트는 S-N 곡선을 그리는 데 사용되며, 온도가 증가함에 따라 고장 주기 수가 감소하는 것으로 나타났다.그러나 광범위한 테스트는 비용이 너무 많이 들었기 때문에 연구자들은 주로 컴퓨터 소프트웨어를 이용한 유한 요소 분석을 이용했다.[2]

저주기 피로 및 고주기 피로에서 주기 수와 고장 횟수를 비교하는 그래프.

많은 실험을 통해 LCF의 결과로 물질의 특성이 바뀔 수 있다는 것을 알게 되었다.파단 연성은 감소하는 경향이 있으며, 처음에는 작은 균열의 유무에 따라 크기가 달라진다.이러한 테스트를 수행하기 위해 응력 진폭을 변경하지 않을 수 있기 때문에 일반적으로 전기 유압 서보 제어 시험 기계가 사용되었다.또한 이미 뚫린 구멍이 있는 시료에 대해 저주기 피로실험을 실시하면 균열 전파에 취약해 파단 연성이 크게 감소하는 것으로 조사되었다.40~200μm에 이르는 작은 구멍 크기에도 불구하고 이는 사실이었다.[3]

특성.

구성부품이 저주기 피로에 노출되면 반복적으로 탄력적으로 변형된다.예를 들어 부품이 영구적으로 변형될 때까지(플라스틱 변형) 장력에 적재되어야 하는 경우, 저주기 피로 또는 LCF의 1/2 사이클로 간주된다.전체 사이클을 완료하려면 부품을 원래 모양으로 다시 변형해야 한다.부품이 고장나기 전에 견딜 수 있는 LCF 사이클 수는 일반 피로 사이클보다 훨씬 적다.[4]

고순환 변형의 이러한 상태는 높은 온도 변화와 같은 극단적인 작동 조건의 결과인 경우가 많다.재료의 팽창 또는 수축에서 발생하는 열 응력은 부품의 하중 조건을 악화시킬 수 있으며 LCF 특성이 발휘될 수 있다.

역학

저주기 피로의 행동을 설명하는 흔히 사용되는 방정식은 관-만손 관계(L. F. Covin 1954년 출판, 1953년 S. S. Manson 출판)이다.

어디에,

  • Δε /2 는 플라스틱 변형 진폭이다.
  • εf'은 2N =1에서 변형률 절편에 의해 정의된 피로 연성 계수로 알려진 경험 상수;
  • 2N은 고장으로의 회귀 횟수(N 사이클)이다.
  • c는 피로 연성 지수로 알려진 경험 상수로, 일반적으로 -0.5에서 -0.7까지 범위가 지정된다.c가 작으면 피로 수명이 길어진다.[5]

주목할 만한 고장

그 실패가 LCF의 결과였던 주목할 만한 사건 중 하나는 1994년 노스리지 지진이었다.많은 건물과 다리가 무너졌고, 그 결과 9,000명 이상의 사람들이 부상을 당했다.[6]남부캘리포니아대 연구진이 저사이클 피로를 겪었던 10층짜리 건물의 주요 부위를 분석했다.불행히도, 저주기 피로를 위해 S-N 곡선을 직접 구성할 수 있는 실험 데이터가 제한되어 있었기 때문에, 대부분의 분석은 S-N 곡선에 고주기 피로 행동을 플로팅하고 그 그래프에 대한 선을 연장하여 팜그렌-마이너 방법을 사용하여 저주기 피로 곡선의 일부를 생성하는 것으로 구성되었다.궁극적으로 이 데이터는 노스리지의 10층 철골 건물이 직면했던 유사한 유형의 피해를 보다 정확하게 예측하고 분석하기 위해 사용되었다.[7]

21층짜리 오히긴스 타워가 컨셉시온에서 부분적으로 붕괴되었다.2010년 칠레 지진으로 구조 요소에 피로 파괴가 발생했다.[8]

또 다른 최근의 사건은 2010년 칠레 지진으로 칠레 대학의 여러 연구자들이 지진으로 인해 전국적으로 여러 개의 철근 콘크리트 구조물이 손상되었다는 보고를 했다.보, 벽, 기둥과 같은 많은 구조적 요소들이 피로 때문에 실패하여 설계에 사용된 강철 보강재가 종방향 좌굴의 분명한 징후로 노출되었다.[9][10]이 사건으로 칠레 지진 설계 표준은 지진으로 인한 손상된 구조물에 대한 관측에 근거하여 갱신되었다.[11]

참조

  1. ^ Pineau, Andre (2013). "Low-Cycle Fatigue". Fatigue of Materials and Structures: Fundamentals: 113–177.
  2. ^ Agrawal, Richa (July 2014). "Low Cycle Fatigue Life Prediction" (PDF). Ijeert. Richa Agrawal. Retrieved 2016-02-18.
  3. ^ Murakami, Y.; Miller, K. J. (2005-08-01). "What is fatigue damage? A view point from the observation of low cycle fatigue process". International Journal of Fatigue. Cumulative Fatigue Damage Conference - University of Seville 2003 Cumulative Fatigue Damage Conference. 27 (8): 991–1005. doi:10.1016/j.ijfatigue.2004.10.009.
  4. ^ "Understanding Fatigue" (PDF). ASME. D.P DeLuca.
  5. ^ 오도넬, W.J., B.F.랭거.핵 과학과 공학, 제20권, 페이지 1-12, 1964.
  6. ^ Taylor, Alan. "The Northridge Earthquake: 20 Years Ago Today". The Atlantic. Retrieved 2016-02-18.
  7. ^ Nastar, Navid (2008). "Effects of Low-Cycle Fatigue on a Ten-Story Steel Building" (PDF). Retrieved 2016-02-18.
  8. ^ Rojas, F.; et al. (2011). "Performance of tall buildings in Concepción during the 27 February 2010 moment magnitude 8.8 offshore Maule, Chile earthquake". The Structural Design of Tall and Special Buildings. 20 (37–64). doi:10.1002/tal.674.
  9. ^ Egger, J. E.; Rojas, F. R.; Massone, L. M. (2021-09-24). "High-Strength Reinforcing Steel Bars: Low Cycle Fatigue Behavior Using RGB Methodology". International Journal of Concrete Structures and Materials. 15 (38). doi:10.1186/s40069-021-00474-9.
  10. ^ Massone, L. M.; Herrera, P.A. (2019-05-22). "Experimental study of the residual fatigue life of reinforcement bars damaged by an earthquake". Materials and Structures. 52 (61). doi:10.1617/s11527-019-1361-x.
  11. ^ "Damage and implications for seismic design of RC structural wall buildings". Earthquake Spectra. Wallace J, Massone L, Bonelli P, Dragovich J, Lagos R, Lüders C, Moehle J. 2012.