최근 설계기준초과 지진 하의 원전 기기에 대한 구조 건전성을 평가하고 확보하는 것의 중요성이 증대하고 있다. 큰 규모의 지진하중이 가해질 때, 원전 기기는 매우 큰 진폭의 반복 하중을 받으며, 이 경우 초저주기 피로에 의한 손상이 발생한다. 저주기 피로에 대한 피로 평가에는 여러 가지 방법이 제안되었다. 하지만 초저주기 피로와 저주기 피로의 균열 생성 메커니즘은 차이를 보이고 이에 따라 저주기 피로에 대해 개발된 피로 수명 평가 방법은 초저주기 피로에 적용하지 못한다. 따라서 초저주기 피로에 대한 손상 평가를 위해서는 새로운 평가 방법이 필요하다.
이에 본 논문에서는 공극 수축 효과를 반영한 변형률 기반의 초저주기 피로 평가 모델을 제안하였다. 제안된 모델은 단순 하중 하에서 연성 파손을 평가하기 위해 개발된 공극 성장 모델을 기반으로 하며, 압축하중 하에서 공극 수축을 고려하기 위해 공극 수축으로 인한 손상 감소가 포함되었다. 기기에 작용하는 하중 크기에 따른 공극 수축률의 변화를 확인하기 위하여 피로 실험 결과를 이용하여 다양한 변형률 진폭에서의 공극 수축률을 계산하였다. 이 결과를 바탕으로 공극 수축률이 기기에 가해지는 하중 크기에 따라 달라짐을 확인하였고, 이에 따라 제안된 초저주기 피로 평가 모델에서 공극 수축률은 소성 변형률 범위에 대한 함수로 정의되었다.
제안된 피로 평가 모델을 검증하기 위해, 큰 반복 하중이 가해지는 노치 C(T) 실험에 대한 피로 평가를 수행하였다. 평가 모델을 이용해 예측된 노치 C(T) 실험의 피로 수명은 실험 결과와 비교하여 비교적 잘 일치하였다. 또한 제안된 평가 모델을 실제 기기 평가에 적용하기 위하여, 초저주기 피로 하중 조건에서 배관 곡관 실험에 대한 피로 평가를 수행하였다. 변위 제어 하중 조건에서 재료와 두께가 다른 세 종류의 곡관 시편을 이용하였으며, 유한요소 해석과 피로 평가를 통해 곡관의 파손 위치, 발생하는 균열의 형상을 정확히 예측하였다. 또한 초저주기 피로 하중 조건에서 곡관의 피로 수명 역시 잘 예측하였다.