열응력(Thermal Stress)과 온도 변화에 따른 변형

온도 변화는 힘이 없어도 변형을 만든다

재료에 힘을 가하지 않았는데도 구조물이 늘어나거나 휘어지는 현상을 처음 접하면 직관적으로 이해하기 어렵다. 그러나 온도가 변하면 재료 내부의 원자 간 간격이 변하고, 그 결과 재료는 자연스럽게 팽창하거나 수축하려 한다. 이 변형은 외력이 없어도 발생하며, 이를 열변형이라고 부른다. 중요한 점은 이 변형 자체는 응력이 아니라는 사실이다. 재료가 자유롭게 늘어나거나 줄어들 수 있다면 내부에 저항이 필요 없기 때문에 응력은 발생하지 않는다. 열응력은 온도 변화 그 자체가 아니라, 그 변형이 방해받는 순간부터 시작된다.

 

 

열응력은 ‘구속’이 있을 때 생긴다

열응력의 본질은 변형을 막는 구속 조건에 있다. 막대가 양쪽에서 고정된 상태에서 온도가 상승하면, 재료는 늘어나고 싶지만 그 변형이 억제된다. 이때 재료 내부에서는 늘어나려는 열변형을 막기 위한 저항이 발생하고, 이것이 곧 열응력이다. 즉 열응력은 외부 하중에 의한 응력이 아니라, 스스로 발생하려는 변형을 스스로 억제하면서 생기는 자기 응력이다. 이 때문에 열응력은 하중 조건보다 지지 조건과 연결 방식에 훨씬 민감하다.

 

온도 분포가 불균일하면 구조는 휘어진다

실제 구조물에서는 온도가 항상 균일하게 변하지 않는다. 한쪽 면만 가열되거나 냉각되면, 단면 내부에서 열변형의 크기가 달라진다. 이 경우 구조물은 단순히 늘어나지 않고 휘어지게 된다. 대표적인 예가 바이메탈 스트립으로, 서로 다른 열팽창 계수를 가진 재료가 결합되어 온도 변화에 따라 휘어지는 원리를 이용한다. 구조물에서도 유사하게, 온도 구배는 굽힘 모멘트와 유사한 효과를 만들어 내며 예상치 못한 변형과 응력을 유발한다.

 

열응력은 반복되면 파괴로 이어질 수 있다

열응력은 한 번의 온도 변화만으로도 문제가 될 수 있지만, 특히 위험한 경우는 반복적인 온도 변화다. 가열과 냉각이 반복되면 재료 내부에서는 인장과 압축 응력이 번갈아 작용하고, 이는 피로 손상을 가속시킨다. 외부 하중이 거의 없는 조건에서도 열응력만으로 균열이 발생하는 이유가 여기에 있다. 배관, 터빈, 엔진 부품처럼 온도 변화가 빈번한 구조물에서는 열응력이 설계 수명과 직결되는 주요 요인이 된다.

 

열응력은 설계에서 ‘보이지 않는 하중’이다

열응력은 눈에 보이는 하중이나 무게처럼 직관적으로 인식되지 않기 때문에 설계에서 간과되기 쉽다. 그러나 실제로는 구조물 내부에 상당한 응력을 만들어 낼 수 있으며, 특히 구속 조건이 강한 구조에서는 기계적 하중보다 더 위험해질 수 있다. 열응력을 고려한 설계란 온도 변화 자체를 막는 것이 아니라, 변형이 자연스럽게 일어날 수 있는 여지를 구조에 남기는 것이다. 팽창 이음, 슬라이딩 지지, 여유 간극 같은 요소들은 모두 열응력을 관리하기 위한 설계적 장치다. 결국 열응력이란 온도가 구조물에 부여하는 ‘보이지 않는 힘’이며, 이를 이해하는 것은 실제 구조물을 현실적으로 설계하기 위한 필수 조건이다.