오늘 다뤄볼 주제는 구조물의 “좌굴 파괴”에 대한 것입니다. 우리 일상생활에서 폴리에틸렌 용기는 화장품 용기나 음료수병, 식품 용기, 세제 용기, 장난감, 바닥재, 비닐 등 다양한 플라스틱 제품을 사용하고 있으며, 가공성 및 용도 특성 상 얇은 두께로 구성되는 제품이 많습니다.
얇은 박판 형태의 구조물의 경우 압축력에 대해 매우 취약한 형태며, 좌굴(Buckling) 파괴에 의한 내력 저하 현상이 발생합니다.일상생활에서 알루미늄 캔을 발로 밟았을 때 찌그러지는 현상과 유사하며, 이는 폴리에틸렌 용기를 포함하여 항공, 선박, 자동차 등 다양한 산업 분야에서도 발생합니다.
박판형태 구조물에서 좌굴 파괴가 왜 위험한가?
구조물이 파괴되는 현상은 항복, 피로, 좌굴, 크리프 등으로 구분할 수 있습니다. 일반적인 구조물에서는 항복조건에 대하여 강건성 평가를 수행하고 안전여부 확인을 하게 되며, 연성변형에 대해 눈으로 확인할 수 있어 어느 정도 대응할 수 있습니다.
하지만, 피로 및 좌굴파괴의 경우 사용자가 예상하지 못한 시점에서 갑작스럽게 파손이 시작되어 대응이 어렵고 매우 위험한 상황이 초래될 수 있습니다. 좌굴의 경우 일상생활 예시로 보면, 콜라를 먹고 알루미늄 캔을 천천히 밟고 있을 때 갑작스럽게 꺾이면서 내력이 저하되는 상태와 유사합니다.
일반 산업구조물의 경우 어느정도 두께감이 존재하기 때문에 좌굴파괴에 대한 위험성이 거의 존재하지 않습니다. 하지만, 폴리에틸렌 용기나 알루미늄 캔 등과 같이 구조상 강성유지와 함께 무게 절감이 핵심이 되는 항공, 선박, 자동차 등의 산업분야에서는 매우 얇은 박판형태로 판재를 이용하며, 좌굴파괴에 대한 위험에 항상 노출되어 있습니다. 일반적인 인장/굽힘 변형에 대한 구조 안전성에 추가로 압축에 대한 좌굴 안전성도 필수로 검토가 필요합니다.
폴리에틸렌 용기의 좌굴해석은 어떻게 할 수 있을까?
좌굴파괴에 대해서는 실험이나 CAE 해석으로 접근을 합니다. 해석적 접근법에 대해 상세 분류해본다면 선형정적해석(Linear Static Analysis), 비선형정적해석(Non-linear Static Analysis) 로 구분할 수 있습니다.
선형정적해석에서는 외력에 대한 하중의 변형정도를 보고 구조물의 각 모드 차수의 고유진동수와 비교하여 좌굴이 발생할 수 있는 개략적인 하중스케일 값을 확인할 수 있습니다. 1개의 해석결과를 기반으로 검토하기 때문에 매우 빠르고 쉽게 접근이 가능한 장점이 있으나, 실제적인 값과 오차가 발생할 수 있는 단점이 존재합니다.
비선형정적해석에서는 실제 강성 변화를 반영하여 내력이 떨어지는 현상을 구현하게 되어 실제와 유사한 값을 얻을 수 있으나, 매 강성 변화를 추적하여 반영해야 하므로 매우 많은 해석 결과와 시간이 소요되게 됩니다. 더욱이 비선형 해석에서 주로
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