[논문]이중 링크 형식 수평 인입 집 크레인의 피로 해석, 신뢰도 및 수명 예측에 관한 연구

허철원; 문덕홍

문제 정의

이 크레인이 설계 및 제작되었을 때의 국내 피로 설계 기술은 현재의 수준에 비하면 매우 낮을 뿐만 아니라 피로 설계를 반영하지 못한 경우가 허다하여 피로에 대한 자료가 없다. 따라서, 본 논문에서는 크레인의 하중 사용 이력과 설계된 자료를 바탕으로 근래 크레인의 피로 해석에 많이 적용하고 있는 규격인 BS5400 PartlO (1980)')을 이용하여 피로해석을 수행하였다. 아울러, 크레인 구조물의 신뢰도 및 수 명예측 해석에 사용된 통계적 데이터는 이규격에서 주어졌고 피로해석에 의한 설계수명과 비파괴검사에서 검출한 균열의 수를 바탕으로 피로 균열의 성장에 대한 Paris의 법칙과 연구 실시험에 의해 결정된 평균값 이하의 응력범위를 구하는 데 적합한 Gaussian 확률 밀도함수를 이용하여 향후 5년 내지 10년에 걸쳐 예상되는 피로 균열의 발생 빈도를 평가함으로써 이크레인 구조물의 신뢰도 및 잔존 수명을 예측하였다.

가설 설정

4) 현 시점에서 피로에 의한 파괴를 방지하기 위해서는 크레인 구조물에 대한 적절한 정밀 점검 계획을 강구하는 것이 최선의 방법일 것이다.
Palmgren-Miner의 법칙에 손상비D, 는임의의 웅력 수준에서의 작용 사이클 수와 그 응력 수준에서 파손에 이르는 총사이클 수의 비에선 형적으로 비례한다고 가정한다. 즉,
5년 후에 자분탐상 검사를 포함한 정밀 안전진단을 실시하는 것이 균열의 성장률과 증가 발생 빈도로 볼 때 바람직할 것으로 사료된다. 사용시간이 증가함에 따라 균열의 수가 점차 증가할 것이다. 크레인의 사용 여부는 안전성 및 보 수 비용과 관련이 있을 것이다.

제안 방법

개선 또는 보수수정 작업을 한 G등급은 현재까지 피로 누적 손상을 받아온 F2 등급보다 높은 내구성을 갖게 될 것이다. 따라서, 본 논문에서는 이러한 조건 하에서 크레인 구조물에 존재하는 가장 취약한 피로상세를 F2로 설정하고 설계수명을 계산하기로 한다.
따라서, 본 논문에서는 크레인의 하중 사용 이력과 설계된 자료를 바탕으로 근래 크레인의 피로 해석에 많이 적용하고 있는 규격인 BS5400 PartlO (1980)')을 이용하여 피로해석을 수행하였다. 아울러, 크레인 구조물의 신뢰도 및 수 명예측 해석에 사용된 통계적 데이터는 이규격에서 주어졌고 피로해석에 의한 설계수명과 비파괴검사에서 검출한 균열의 수를 바탕으로 피로 균열의 성장에 대한 Paris의 법칙과 연구 실시험에 의해 결정된 평균값 이하의 응력범위를 구하는 데 적합한 Gaussian 확률 밀도함수를 이용하여 향후 5년 내지 10년에 걸쳐 예상되는 피로 균열의 발생 빈도를 평가함으로써 이크레인 구조물의 신뢰도 및 잔존 수명을 예측하였다.
5만 사이클이다. 즉, 현재까지 총사용한 150만 사이클을 적용시켜 피로 누적 손상을 계산하였다.

대상 데이터

균열부의 재질은 SM400B이다. 국내 철강제조 업체의 경우 이재질에 대한 파괴인성 Ke에 대한 시험값이 없는 관계로 기계적 성질이 유사한 ASTM A36의 0℃의 파괴인성을 이용하였다. 식(10)의 Y값은 Del Research Corp.
프렌지의 폭은 250mm이고, 검출된 균열의 크기는 약 32mm이다. 균열부의 재질은 SM400B이다. 국내 철강제조 업체의 경우 이재질에 대한 파괴인성 Ke에 대한 시험값이 없는 관계로 기계적 성질이 유사한 ASTM A36의 0℃의 파괴인성을 이용하였다.
본 크레인의 비파괴 정밀검사는 자분탐상 검사 약 650포인트 육안검사 약 350포인트씩 수행하였다. 검출한 총균열 수는 50개이고 이 중 38개는 붕괴 유발 부재(FCND에, 12개는 비붕괴 유발 부재(NFCM)에 나타났다.
부재의 단면형상은 H빔이고 프렌지의 중앙 부분에 균열이 발생하였다. 프렌지의 폭은 250mm이고, 검출된 균열의 크기는 약 32mm이다.

이론/모형

2의 설계주기 스펙트럼의 Cl, C2, C3 및 C4 주기 영역 각각에 대하여 피로 하중 조합에 의한 구조 블록별 웅력 스펙트럼들을 먼저 구한다. 저수장법 또는 비흐름 주기 계산법을 이용하여 응력스펙트럼으로부터 웅력 범위들을 계산한다. 따라서, 식(6)을 이용하여 피로 누적 손상을 계산할 수 있다
피로균열 성장을 예측하기 위해서 Paris의 방정식 笏올 이용한다.

성능/효과

1) 검출된 균열의 수에 의한 붕괴 유발 부재(FCM)의 신뢰도 日은 0.962이고, 설계수명의 신뢰도 0.977를 초과한 상태이다.
5는 가로축의 각 사이클에서 매 10만 사이클이 더 작용할 경우 새로이 생성되는 균열의 예상 수량을 나타낸다. 150만 사이클에서 나타난 균열을 모두 수정 보수 작업을 한 뒤 10만 사이클, 즉 1년 후에 비파괴검사를 한다면 약 13개, 2년 후에는 28개, 3년 후에는 45개, 4년 후에는 63개, 5년 후에는 83개, 10년 후에는 약 200개의 새로운 균열이 나타날 것이다.
2) 피로 해석 결과로 볼 때 이 크레인의 현재까지 작업량은 설계수명을 약 15% 초과한 상태이다.
3) 현재 검출된 균열을 적합한 방법으로 보수 수정 작업을 한 시기부터 1년(약 10만 사이클 사용) 후에 약 13개, 2년 후에 28개, 3년 후에 45개, 4년 후에 63개, 5년 후에 약 83개, 10년 후에 약 200개의 새로운 균열이 생성될 것으로 예측된다.
5) 크레인 구조물의 안전을 유지하기 위해 현재까지 검출한 균열들을 적합한 방법으로 수정 작업을 한 후 6개월마다 육안검사를 실시해야 하고 1.5년 후에 자분탐상 검사를 포함한 정밀안전 진단을 실시하는 것이 균열의 성장률과 증가 발생 빈도로 볼 때 바람직할 것으로 사료된다.
Table 3.3의 피로 해석 결과에 의하면, 주집은 약 250만 사이클, 플라이집은 약 9S만 사이클, A- 프레임은 약 130만 사이클, 백스테이는 약 940만 사이클, 평형 레버는 약 180만 사이클, 인장 바는 약 190만 사이클, 포탈 프레임은 약 100만 사이클의 설계 수명으로 설계된 것으로 평가된다. 약 17년간 150만 사이클이 작용된 이 크레인의 사용이력으로 볼 때, 연평균 8만8천 사이클의 부하 시험을 한 것으로 볼 수 있다.
본 크레인의 비파괴 정밀검사는 자분탐상 검사 약 650포인트 육안검사 약 350포인트씩 수행하였다. 검출한 총균열 수는 50개이고 이 중 38개는 붕괴 유발 부재(FCND에, 12개는 비붕괴 유발 부재(NFCM)에 나타났다. 따라서, 비파괴검사에서 검출된 균열수에 의한 붕괴 유발 부재의 신뢰도 Re
약 75만 사이클 사용했을 때 처음으로 1개의 검출 가능한 균열이 생성되며 크레인 가동 후부터 150만 사이클 사용한 현재까지 검출 가능한 예상총 누적 균열수는 약 43개이다. 실제 비파괴검사 결과 붕괴 유발 부재에 38개의 피로 균열이 검출되었는데 이에 상당하는 사용 사이클 수를 역으로 구해보면 약 145만 사이클이다. 이 결과로 볼 때 이론적인 피로해석 및 통계적 신뢰도 평가에 의한 결과와 실험적인 비파괴검사 결과가 정확하지는 않지만 대체로 잘 부합하고 있는 것으로 판단된다.
6의 영역 I과 II 내에서 성장하고 있는 상태일 것이다. 약 75만 사이클 사용했을 때 처음으로 1개의 검출 가능한 균열이 생성되며 크레인 가동 후부터 150만 사이클 사용한 현재까지 검출 가능한 예상총 누적 균열수는 약 43개이다. 실제 비파괴검사 결과 붕괴 유발 부재에 38개의 피로 균열이 검출되었는데 이에 상당하는 사용 사이클 수를 역으로 구해보면 약 145만 사이클이다.
65 X105 사이클이다. 이 결과는 1년에 10만 사이클 사용 기준으로 볼 때 약 3.6년 뒤에 이 부분은 균열의 임계 길이까지 성장함을 의미한다.
실제 비파괴검사 결과 붕괴 유발 부재에 38개의 피로 균열이 검출되었는데 이에 상당하는 사용 사이클 수를 역으로 구해보면 약 145만 사이클이다. 이 결과로 볼 때 이론적인 피로해석 및 통계적 신뢰도 평가에 의한 결과와 실험적인 비파괴검사 결과가 정확하지는 않지만 대체로 잘 부합하고 있는 것으로 판단된다.
충격 및 스펙트럼계수를 적용한 피로권상 하중과 Fig. 3.2의 설계주기 스펙트럼 및 현재 크레인의 피로상세 등을 고려하여 설계수명을 계산해 본 결과, 플라이집, A■프레임 및 포탈 프레임의 설계 수 명은 현재까지 사용한 150만 사이클보다 작게 나타났고, 비파괴검사의 결과에서도 대부분의 균열이 이들 블록에서 검출되었다. 반면에 주집, 평형 레버, 백스테이 및 인장 바 등의 블록들은 설계수명에 이르지 않은 상태이다.
현재 이 크레인은 피로 해석 결과로 볼 때 설계 수명을 약 15% 초과한 상태이고, 또한 비파괴검사 를 통하여 검출된 균열의 수에 의한 신뢰도에 있어서도 설계수명의 신뢰도 0.977보다 저하된 0.962이다. 따라서 현재의 크레인의 상태는 적합한 유지보수 작업을 하지 않고 사용하는 것은 위험한 사고를 초래할 수 있을 것이다.
현재까지 검출한 균열을 적합한 방법으로 수정 작 업을 한 후 6개월마다 육안검사를 실시하고 15만 사이클 사용, 즉 1.5년 후에 자분탐상 검사를 포함한 정밀 안전진단을 실시하는 것이 균열의 성장률과 증가 발생 빈도로 볼 때 바람직할 것으로 사료된다. 사용시간이 증가함에 따라 균열의 수가 점차 증가할 것이다.

후속연구

크레인의 사용 여부는 안전성 및 보 수 비용과 관련이 있을 것이다. 1.5년 뒤에 정밀 비파괴 검사에서 검출된 균열의 수와 성장률에 따라 크레인의 안전성을 판단하고 비파괴검사의 주기를 재조정하는 것이 바람직할 것이다.
향후 물동량이 현재까지의 연평균 물동량보다 약 10% 정도 증가할 것으로 예상하면 1년 당 약 10만 사이클의 부하 시험이 예상된다.

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