핫스팟응력 (Hot-Spot Stress)

한 줄 정의: 용접이음부의 응력집중 위치(핫스팟)에서 표면외삽법을 통해 산출되는 국부적인 구조응력이다.

쉽게 풀면

용접 부위 중 가장 힘이 많이 몰리는 곳의 응력을 특별한 방법으로 계산한 값이다.

왜 중요한가

핫스팟 응력은 용접 이음부에서 피로해석을 할 때 구조 형상에 의한 응력 집중은 포함하되 용접 비드 자체의 영향은 제외한 기준 응력이므로, 선급의 피로 평가 절차와 해양구조물 설계 규정에서 S-N 선도의 적용 기준으로 쓰입니다. 실무에서는 유한요소 해석에서 용접 토우로부터 정해진 거리의 응력을 외삽해 구하며, 이 값에 대응하는 핫스팟 S-N 선도로 피로수명을 산정합니다.

논문에서는 이렇게 쓰입니다

핫스팟응력법은 용접 토우 부근의 응력을 정해진 위치에서 선형 외삽하여 산출하며, 이를 핫스팟 SN선도와 비교해 용접부 상세의 피로강도를 평가한다.

유한요소해석에서 용접 토우로부터 0.5t, 1.5t 위치의 응력을 선형 외삽하여 핫스팟응력을 산출한다.

핫스팟응력법은 용접부 형상에 따른 응력집중은 반영하지만 용접 토우의 비선형 노치 응력은 직접 반영하지 않고 적용하는 S-N 곡선에 포함된 것으로 간주한다는 한계를 가진다.

핫스팟응력법의 적용 한계를 설명한다.

조금 더 깊게 보면

핫스팟 응력은 유한요소 모델의 요소 크기와 외삽 방법에 민감해서, 같은 구조를 다른 방식으로 모델링하면 값이 달라지므로 규정이 정한 메시 크기와 외삽 지점을 따라야 재현성이 확보됩니다. 공칭응력 접근법이 단순 형상에만 쓸 수 있고 노치응력 접근법이 용접 비드까지 모델링해야 하는 것과 달리, 핫스팟 접근법은 복잡한 형상에도 적용할 수 있으면서 용접 품질의 영향은 S-N 선도에 맡기는 중간 수준의 방법입니다. 다만 용접 루트에서 시작하는 균열에는 적용할 수 없다는 한계가 있습니다. 표면외삽에 쓰는 0.5t, 1.5t 지점(t는 판 두께)은 국제선급연합(IACS)이 정한 표준 위치로, 이 위치를 임의로 바꾸면 같은 구조라도 산출되는 핫스팟응력 값이 달라져 결과를 비교할 수 없게 된다. 공칭응력 접근법이 단순 형상에만 쓸 수 있고 노치응력 접근법이 용접 비드까지 모델링해야 하는 것과 달리, 핫스팟 접근법은 복잡한 형상에도 적용할 수 있으면서 용접 품질의 영향은 S-N 선도에 맡기는 중간 수준의 방법이다.

주의할 점

핫스팟응력법은 격자 크기와 외삽 위치 설정에 따라 결과가 민감하게 달라지므로 표준화된 절차를 따라야 한다. 핫스팟응력법은 격자 크기와 외삽 위치 설정에 따라 결과가 민감하게 달라지므로 표준화된 절차를 따라야 한다. 다만 용접 루트에서 시작하는 균열에는 적용할 수 없다는 한계가 있어, 그런 경우에는 다른 접근법을 별도로 검토해야 한다.