[논문]H형 복공판과 Channel형 복공판의 피로거동에 관한 실험적 연구

이승수; 김두환

문제 정의

현재 노면복공으로 사용되고 있는 Channel형 복공판은 지하철 건설과 같은 지하 시설 공사시 도로면을 복개하기 위하여 사용되며, 공사차량이나 화물차량 등과하중의 차량 통행 시 반복되는 과하중과 도심지의 혼잡한 도로 상황를 견디지 못하여 피로에 의해 파괴되는 문제점이 발생하고 있다. 본 시험에서는 다수의 H형강을 나란하게 배열하여 과하중을 견딜 수 있도록 한 복공판을 기존의 Channel형 복공판과 비교시험을 통하여 휨에 의한 응력상태와 처짐의 데이터를 획득 축척하고, 피로균열의 발생원인과 구조체의 거동의 상관성을 분석하고, 이로부터 구조체의 안전성을 평가함으로서 구조물의 유지관리에 효율성을 높이기 위함을 목적으로 한다.

가설 설정

가력하중은 DB-18 하중에 대하여 복공판 한본에 가장 불리하게 하중을 태우기 위해 트럭의 뒷바퀴가 복공판 중앙에 재하되었을 때를 가정하고, 표준트럭하중을 산출하였으며(4), 이때 충격계수 i=0.4를 적용하고, 최대하중은 11tonf, 최소하중은 1tonf으로 응력 비는 0.1로 일정하게 하였다. 시험체의 파괴는 처짐이 제어시키기 어려울 정도로 급속히 진전될 때와 육안으로 확인시 시험체의 균열길이가 시험체의 2/3점 까지 진행되었을 때 시험체가 파괴된 것으로 간주하였으며, 피로시험에서 하중 재하를 위하여 사용된 가력판은 종 방향길이 23.

제안 방법

본 시험에서 사용된 시험체는 Fig. 1, Fig. 2 같이 H형 복공판과 Channel형 복공판으로 구성되며, 각각 피로시험을 실시하여 구조체의 성능저하 및 설계기준의 상향조정에 필요한 성능 개선의 가능성 및 효율성을 검증하기 위한 시험으로 기존의 복공판에 대한 개선방향를 검토하였고, H형강을 사용한 새로운 형태의 복공판의 성능을 검토하였다.
4와 같이 100mm 용량의 변위계를 외단에는 50mm 용량의 변위계를 설치하였다. 중앙부 처짐을 측정하기 위하여 복공판 전체 길이의 중앙선상의 중앙에 한 개, 중앙선의 외단에서 H형 복공판과 Channel 형 복공판 각각 98.5mm, 70mm 떨어진 곳에 한 개씩 총 3개를 설치하고 변형률 게이지는 응력이 크게 발생될 지점을 예상해 부착하였다.
피로시험에서는 반복하중의 재하는 백만회를 기준으로 각 단계별로 재하 하고, 반복횟수에 따른 측정일련번호에 대해서 피로시험기를 정지시킨 후 정적재하시험을 통해 시험체의 거동 변화를 분석하였다.
피로시험은 Instron사의 100ton용량(stroke :±50mm)의 유압식 피로시험기를 사용하여 일정진폭 반복하중으로 실시하였으며, 파형은 sine파, 재하속도는 2Hz로 재하하였다. 피로하중의 반복횟수에 따른 시험체의 변형률, 변위 그리고 시험체의 피로거동 및균열진전사항을 측정하기 위하여 Table 3와 같이 일정 반복횟수에 대해서 피로시험기를 정지시킨 후 정적으로 최대하중까지 1tonf씩 증가시키면서 육안, 변형 게이지 및 변위측정기에 의해 시험체의 반복횟수에 따른 하중-처짐, 하중-변형률 관계를 측정하였으며, 실험 후 파단된 시험체에 대하여 균열 발생점 및 파단형상을 관찰하였다.
피로시험은 Instron사의 100ton용량(stroke :±50mm)의 유압식 피로시험기를 사용하여 일정진폭 반복하중으로 실시하였으며, 파형은 sine파, 재하속도는 2Hz로 재하하였다. 피로하중의 반복횟수에 따른 시험체의 변형률, 변위 그리고 시험체의 피로거동 및균열진전사항을 측정하기 위하여 Table 3와 같이 일정 반복횟수에 대해서 피로시험기를 정지시킨 후 정적으로 최대하중까지 1tonf씩 증가시키면서 육안, 변형 게이지 및 변위측정기에 의해 시험체의 반복횟수에 따른 하중-처짐, 하중-변형률 관계를 측정하였으며, 실험 후 파단된 시험체에 대하여 균열 발생점 및 파단형상을 관찰하였다. ^(2),(3)

대상 데이터

1로 일정하게 하였다. 시험체의 파괴는 처짐이 제어시키기 어려울 정도로 급속히 진전될 때와 육안으로 확인시 시험체의 균열길이가 시험체의 2/3점 까지 진행되었을 때 시험체가 파괴된 것으로 간주하였으며, 피로시험에서 하중 재하를 위하여 사용된 가력판은 종 방향길이 23.67cm, 횡방향길이 59.14cm의 크기를 사용하였다.

성능/효과

균열의 발생은 Fig. 8 (a) (b)에서 보이듯이 전단력이 크게 발생하는 지점부위에서 시작이 되어 진전하는 것으로 확인할 수 있었으며, 반복횟수가 증가함에 따라 횡리브와 외측 Channel-beam의 용접부위 파단 이후에 내하력의 지속적인 감소로 인해 시험체의 변위 및 응력이 커짐에 따라 지점부위부터 초기균열이 발생하여 하부플랜지로 균열이 진전하는 양상을 본 시험을 통해서 확인할 수 있었다.
CFL1․2 시험체의 경우 시험체 모두 반복횟수 10,000회 이후 급격하게 상부플랜지와 하부플랜지 모두 큰폭으로 변형률이 증가하는 것으로 나타났다. 이는 CFL1․2 시험체 모두 반복하중이 가해짐에 따라 횡리브의 용접부위와 외측부위의 용접 파단으로 인한 구조체가 일체화 되지 않고 부분적으로 분리되어 변형률이 크게 증가하는 것으로 사료된다.
CFL1․2 시험체의 경우는 HFL시험체와는 달리 반복횟수가 증가하면서 외단의 Channel-beam과 중앙 횡리브의 용접부위의 파단 이후에 강성의 지속적인 감소로 인하여 중앙 변위가 크게 증가하는 경향을 나타내어 이는 사용성에 약간의 문제가 있음을 알 수 있었다. 또한 파괴시 반복횟수에 근접할 때 기능 상실로 인한 내구력 감소로 중앙최대 변위가 큰 폭으로 증가하는 것을 알 수 있었다.
HFL, CFL의 시험체에 대하여 일정진폭 하중하에서 피로시험을 실시한 결과는 Table 6과 같다. Table 6을 비교한 결과 Channel형 복공판은 62,000～125,300회 정도의 적은 반복하중하에서 파단되어 구조체로서 기능이 상실되는 문제점이 제시되었고, H형 복공판은 백만회 이상의 반복하중에서 충분한 내구성을 확보하고 있음을 알 수 있었다.
687mm으로 분석이 되어, HFL1․2 시험체에 비해서 큰 변위 차를 보여주었다. 또한 CFL1․2 시험체의 최대 변위는 초기 값 및 파괴 시 나타난 값을 고찰해 볼 때 HFL1․2 시험체 보다 상대적으로 큰 값으로 나타났다.
CFL1․2 시험체의 경우는 HFL시험체와는 달리 반복횟수가 증가하면서 외단의 Channel-beam과 중앙 횡리브의 용접부위의 파단 이후에 강성의 지속적인 감소로 인하여 중앙 변위가 크게 증가하는 경향을 나타내어 이는 사용성에 약간의 문제가 있음을 알 수 있었다. 또한 파괴시 반복횟수에 근접할 때 기능 상실로 인한 내구력 감소로 중앙최대 변위가 큰 폭으로 증가하는 것을 알 수 있었다.
백만회의 피로시험동안 시험체 HFL1의 중앙 및 외측 변위의 폭은 평균 0.275mm이고, HFL2의 경우 0.174mm로 고찰되어 작은 변위폭에서 안정적으로 시험체가 거동을 한 것으로 나타났으며, 시험체 CFL1과 CFL2에서는 각각 1.375mm, 2.687mm으로 분석이 되어, HFL1․2 시험체에 비해서 큰 변위 차를 보여주었다. 또한 CFL1․2 시험체의 최대 변위는 초기 값 및 파괴 시 나타난 값을 고찰해 볼 때 HFL1․2 시험체 보다 상대적으로 큰 값으로 나타났다.
본 연구에서는 현재 노면 복공판으로 사용하고 있는 H형 및 Channel형 복공판에 대한 피로시험을 수행하여 안전성과 사용성을 규명한 바 Channel형 복공판의 경우 동일하중에서의 피로시험을 통해서 H형 복공판에 비해 약 8배정도의 작은 반복하중에서 시험체의 파괴가 일어나, Channel형 복공판이 2.5배 작은 단면계수를 가지고 있다 하더라도 공용하중을 사용하는데 있어 내구수명의 확보에 문제점이 있음을 알 수 있었다.

후속연구

또한, Channel형 복공판의 경우 반복횟수가 증가함에 따라 변위 및 변형률이 급격히 증가하는 요인은 여러 종류의 형강을 Spot 용접으로 처리하여 구조체로서 일체화 시키지 않음에 따라 용접길이 및 용접면적의 부족으로 인한 기능성 부족으로 파단이 발생된 것으로 추정이 됨에 따라 Channel-beam과 횡리브의 용접부위의 보완이 필요함을 알 수 있었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	실제 구조물의 파괴는 어떨 때 발생하게 되는가?	실제 구조물의 파괴는 일반적으로 손상이 한 순간에 발생하여 일어나는 것이 아니라 손상이 점진적으로 누적되어 더 이상 하중을 견딜 수 없을 때 발생하게 된다. 구조물의 손상은 과대하중, 피로, 좌굴, 충격, 부식 등 여러 요인에 의해 발생하지만, 그 중에서 피로에 의한 손상이 가장 큰 비중을 차지하는 것으로 알려져 있다.
	강재의 파괴는 무엇을 초과한 하중에 의해서 일어나는가?	강재의 파괴는 극한강도를 초과한 하중에 의해서 일어날 뿐만 아니라 하중의 반복작용을 받으면 부재의 내력이 극한강도 또는 항복강도 이하인 경우에도 파괴되는 경우가 있다. 강재가 정하중이 아니라 계속적인 동적하중을 받는다면 정하중 조건에서 받을 수 있는 하중보다 훨씬 더 작은 하중에서 부재의 파괴가 올수 있다.
	하중보다 훨씬 더 작은 하중에서 부재의 파괴가 올 경우 무엇이 일정하면 어느 응력수준에 대하여 거의 일정한 반복횟수에서 파단하는가?	강재가 정하중이 아니라 계속적인 동적하중을 받는다면 정하중 조건에서 받을 수 있는 하중보다 훨씬 더 작은 하중에서 부재의 파괴가 올수 있다. 이 경우 강재의 종류 또는 형상이 일정하면 어느 응력수준에 대하여 거의 일정한 반복횟수에서 파단하는 것으로 알려져 있다.

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