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문제 정의
- 검토하고자 한다. 또한 현행 설계기준의 최소 용접 치수에 대한 규정의 완화 가능성을 검토하고자 한다.
- 본 연구에서는 TMC강의 필릿용접부에 대한 강도시험을 실시하여 모재의 두께, 용접치수, 힘 작용방향에 대한 용접 축의방향 등의 변화에 따른 용접부 강도의 자료 기반을 구축하고, 시험 결과의 분석을 통하여 기존 설계기준의 설계 강도의 적합성을 검토하고자 한다. 또한 현행 설계기준의 최소 용접 치수에 대한 규정의 완화 가능성을 검토하고자 한다.
- 국내의 도로교설계기준은 모재의 두께가 40mm이상인 경우 두께가 증가함에 따라 6mm를 초과하여 점점 더 증가된 최소용접 치수를 사용하도록 규정하고 있다. 본 연구에서는 두께 60mm와 82mm의 시험체에 대해 도로교설계기준이 요구하고 있는 최소치수 이하의 용접치수로 설계한 시험체도 제작하여 다른 경우와 비교할 수 있도록 하였다. 필릿용접의 용접 치수는 판 두께 20mm의 경우 6, 8mm, 판두께 60mm와 82mm의 경우 6.
제안 방법
- SM520- TMC의 필릿용접에 대한 허용전단응력 120MPa에 실측한 용접 치수 평균값을 적용하여 허용강도의 값을 구하였다. 그림 9 는 도로교설계기준에 의한 허용강도에 대한 시험강도의 비를 필릿용접의 치수에 따라 표시한 것이다.
- 변형량을 측정하였다. 또한 모재부와 연결판의 중앙 양면에 부착한 스트레인 게이지를 통해 변형률을 즉정하여 대략적인 응력분포의 이상 유무를 판단할 수 있도록 하였다. 그림 6 은 시험을 위해 LVDT와 스트레인 게이지를 부착한 시험체를 시험기에 설치 완료한, 하중 재하 직전의 상태를 보여주고 있다.
- 연결시켰다. 부재와 연결판은 동일한 강종과 두께로 하였으며, 연결판의 폭은 부재의 폭의 절반이 되도록 설계하였다. 두께별 시험체의 형상 및 치수는 표 3과 같다.
- 있는 시험체를 제작하였다. 시험체 축방향의 인장력을 가하여 시험을 수행하였다. 시험에서 얻은 필릿용접부의 강도를 공칭강도와 도로교설계기준의 허용강도와 비교, 검토한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 시험체는 모든 용착금속부에서 파괴가 일어나도록 설계하였다. 용접치수와 용접 길이는 계산에 의한 연결부의 공칭강도가 모재 부의 공칭강도보다 작도록 선정하였다.
- 연결부의 형태는 용접축이 하중방향과 평행 또는 수직이 되도록, 또는 평행한 부분과 수직인 부분이 병존하도록 시험체의 종류별로 다르게 하였다. 시험체에 대한 강도 시험은 변위 제어 방식으로 시험체의 축방향으로 인장력이 작용하도록 하중을 가했으며, 시험체가 파단되는 점까지 진행하였다.
- 시험체의 용접부는 100% CO2 보호가스를 사용한 FCAW(Flux Cored Arc Welding)로 필릿용접 하였다. 시험체 용접시의 용접자세는 모두 아래보기 자세로 하였다.
- 시험체의 좌우측에는 각 1개의 LVDT를 설치하여 연결부의 변형량을 측정하였다. 또한 모재부와 연결판의 중앙 양면에 부착한 스트레인 게이지를 통해 변형률을 즉정하여 대략적인 응력분포의 이상 유무를 판단할 수 있도록 하였다.
- 대한 시험강도의 비를 나타내고 있다. 여기서 용접부의 공칭강도는 필릿용접의 공칭전단강도 360MPa(제2장 참조)와 실측 용접치수를 바탕으로 계산한 값을 사용하였다. 실측 강도는 인장시험에서 시험체에 가한 최대하중이다.
- 연결부의 강도시험과 소재 인장시험은 포항산업과 학연 구원에서 보유하고 있는 미국 MTS사의 동적, 정적 재하능력 3000kN의 전기유압식 만능시험기를 사용하여 수행하였다.
대상 데이터
- 8. 16mm로 각각 설계하였다.
- 또한 일축 인장응력 상태에 대한 등가의 전단응력을 계산하는 방식으로 시험체의 제작에 사용한 용접 와이어의 최소 인장강도 625MPa에 1八角을 곱하여 전단강도를 구하면 360MPa이다. 본 연구에서는 필릿용접의 공칭 전단 강도가 단지 시험에서 측정한 강도 값과 비교하기 위한 것이므로 편의상 360MPa을 사용하였다.
- 시험체 제작에 사용한 용접봉은 60戏급 메탈타입의 플럭스코어드 와이어이며, 그 물리적 성질은 표 2와 같다.
- 시험결과의 분석에서는 실측 용접치수를 기준으로 공칭강도를 산정하였다. 실측 용접치수는 국부적으로 용접의 형상의 변화가 심한 곳을 제외하고, 대표적인 3곳에서 측정한 값을 평균하여 사용하였다.
- 총 36개의 시험체에 대해 인장시험을 수행하였다.
- 최근 고성능 대형 강구조물에 많이 적용되고 있는 TMC강재에 대해 두께 20mm 〜 82mm의 후판을 6mm 〜 16mm의 여러 용접치수로 필릿용접하여 겹이음부가 있는 시험체를 제작하였다. 연결부의 형태는 용접축이 하중방향과 평행 또는 수직이 되도록, 또는 평행한 부분과 수직인 부분이 병존하도록 시험체의 종류별로 다르게 하였다.
- 판 두께 20mm, 60mm, 82mm의 SM520-TMC 후판에 용접 치수 6mm〜 16mm의 필릿용접을 하여 2면 진단 겹침 연결부가 있는 시험체를 제작하였다. 시험체 축방향의 인장력을 가하여 시험을 수행하였다.
데이터처리
- 시험결과를 국내 도로교설계기 준과 비교하였다. SM520- TMC의 필릿용접에 대한 허용전단응력 120MPa에 실측한 용접 치수 평균값을 적용하여 허용강도의 값을 구하였다.
- 5mm까지 오차가 발생하였다. 시험결과의 분석에서는 실측 용접치수를 기준으로 공칭강도를 산정하였다. 실측 용접치수는 국부적으로 용접의 형상의 변화가 심한 곳을 제외하고, 대표적인 3곳에서 측정한 값을 평균하여 사용하였다.
이론/모형
- 이 강재의 항복강도와 인장강도 값은 기존의 연구 결과(문태섭(1999))를 이용하였으며, 표 1과 같다.
성능/효과
- (1) 도로교설계기준의 최소용접치수 이하로 용접을 수행한 두께 60mm와 82mm의 시험체 경우, 작업성과 품질에서 다른 경우와 차이가 없었다.
- (2) 공칭강도에 대한 시험강도의 비는 1.3〜2.4로 실제 필릿용접의 강도는 일반적인 설계기준의 기본식에 의한 값보다 더 큰 것으로 나타났다.
- (3) 연결부 각 Type 별로 용접치수가 증가할수록 강도는 약간 감소하는 경향을 보이고 있다.
- (4) 도로교설계기준에 의한 허용강도에 대한 시험강도의 비는 모든 경우에 3.5이상으로 안전율 1.7이상을 충분히 확보한 것으로 나타났다.
- (6) 하중의 작용방향이 용접축에 직각인 경우(Type-C)는 평행인 경우(Type-B)에 비하여 필릿용접의 강도는 모재두께 20mm, 60mm, 82mm의 경우에 각각 1.5배, 1.4배, 1.3배 정도로 나타났다.
- 보여주고 있다. 모든 시험체의 파단면은 대부분 용접 루트에서 비드면까지 약45°의 경사를 이루는 용접금속의 중심면에 대략적으로 접근하고 있는 것으로 조사되었다.
- 시험을 실시한 모든 시험체는 당초 설계의 의도와 같이 용접 금속에서 파단이 일어났는데, 시험체의 파단부 형상은 시험변수와 관계없이 모든 경우에 거의 유사하였다.
- 그림 10은 각 용접부 Type별로 모재의 두께에 따른 시험강도의 비를 나타낸 것이다. 필릿용접의 시험강도 평균값은 각 Type별로 모재의 두께에 관계없이 거의 일정한 것으로 나타났다. 그러나 모재 두께 82mm의 Type-B와 C 경우에 시험 강도값은 다소 큰 폭으로 분산되었다.
- 그림 9 는 도로교설계기준에 의한 허용강도에 대한 시험강도의 비를 필릿용접의 치수에 따라 표시한 것이다. 허용강도에 대한 시험 강도의 비는 모든 경우에 3.5이상으로 안전율 1.7이상을 충분히 확보한 것으로 나타났다.
후속연구
- 과거에 적용 가능한 강판 두께로 40mm 까지 만을 규정했던 강구조물 설계기준이 최근에는 40mm를 초과하여 100mm까지 허용하고, 두께별 기준 값을 별도로 규정하고 있다. 또한 새롭게 개발된 TMC강도 최근 도로교 설계기준(2005) 및 철도설계기준(2004)에 등록되어 향후 교량게 많이 적용될 것으로 예상된다.
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