최근 일본에서 하로식 트러스교의 콘크리트 상판을 관통하는 사재가 콘크리트 상판의 상부 또는 하부에서 심한 부식손상 에 의해 파단 된 사례가 보고되었다. 이는 도장막의 노화에 따른 콘크리트와의 경계부에 있어 사재의 국부부식에 기인한 것으로 추정되고 있다. 그러므로 이와 같이 콘크리트와 강재의 경계부에 있어서의 국부 부식손상 대책수립 및 이를 기점으로 발생될 수 있는 피로손상에 대한 검토가 필요하다. 본 실험에서는 인장시험편에 부분적으로 콘크리트 블록을 설치한 콘크리트-강재의 모델시험체에 대한 부식환경촉진실험을 실시하여, 경계부의 부식감소량을 측정하였으며, 부식실험 후의 모델시험체를 이용한 피로실험을 실시하였다. 부식촉진실험의 조건으로는 실제대기환경에의 적용성이 검토된 S6사이클(JIS K5621)을 사용하였으며, 부식촉진실험기간은 150일, 300일, 450일, 600일로 각 5개의 모델시험체를 사용하였다. 부식촉진실험결과를 근거로 실험기간에 따른 최대 및 평균 부식깊이를 정량화하였으며, 부식실험 후의 부식 손상된 모델시험체의 피로실험결과를 근거로 실험기간의 증가에 따른 피로강도 감소량을 명확히 하였다.
최근 일본에서 하로식 트러스교의 콘크리트 상판을 관통하는 사재가 콘크리트 상판의 상부 또는 하부에서 심한 부식손상 에 의해 파단 된 사례가 보고되었다. 이는 도장막의 노화에 따른 콘크리트와의 경계부에 있어 사재의 국부부식에 기인한 것으로 추정되고 있다. 그러므로 이와 같이 콘크리트와 강재의 경계부에 있어서의 국부 부식손상 대책수립 및 이를 기점으로 발생될 수 있는 피로손상에 대한 검토가 필요하다. 본 실험에서는 인장시험편에 부분적으로 콘크리트 블록을 설치한 콘크리트-강재의 모델시험체에 대한 부식환경촉진실험을 실시하여, 경계부의 부식감소량을 측정하였으며, 부식실험 후의 모델시험체를 이용한 피로실험을 실시하였다. 부식촉진실험의 조건으로는 실제대기환경에의 적용성이 검토된 S6사이클(JIS K5621)을 사용하였으며, 부식촉진실험기간은 150일, 300일, 450일, 600일로 각 5개의 모델시험체를 사용하였다. 부식촉진실험결과를 근거로 실험기간에 따른 최대 및 평균 부식깊이를 정량화하였으며, 부식실험 후의 부식 손상된 모델시험체의 피로실험결과를 근거로 실험기간의 증가에 따른 피로강도 감소량을 명확히 하였다.
Recently in Japan, fracturing was observed on the diagonal member of a through truss bridge at the boundary region with the concrete slab. Local corrosion damage where the diagonal member was enclosed in the concrete slab is an important factor in the fracture. In this study, accelerated exposure te...
Recently in Japan, fracturing was observed on the diagonal member of a through truss bridge at the boundary region with the concrete slab. Local corrosion damage where the diagonal member was enclosed in the concrete slab is an important factor in the fracture. In this study, accelerated exposure tests were carried out on concrete-steel model specimens simulating steel members at the boundary with concrete. Fatigue tests were then performed on the corroded model specimens. Accelerated exposure tests of the S6-cycle, which is carried out on the model specimens for 150, 300, 450 and 600 da ys. Their surface geometry was then measured. From the accelerated exposure test results, change in maximum and mean corrosion depths was determined according to the testing periods. The effect of local corrosion on fatigue strength was also presented based on the fatigue test results.
Recently in Japan, fracturing was observed on the diagonal member of a through truss bridge at the boundary region with the concrete slab. Local corrosion damage where the diagonal member was enclosed in the concrete slab is an important factor in the fracture. In this study, accelerated exposure tests were carried out on concrete-steel model specimens simulating steel members at the boundary with concrete. Fatigue tests were then performed on the corroded model specimens. Accelerated exposure tests of the S6-cycle, which is carried out on the model specimens for 150, 300, 450 and 600 da ys. Their surface geometry was then measured. From the accelerated exposure test results, change in maximum and mean corrosion depths was determined according to the testing periods. The effect of local corrosion on fatigue strength was also presented based on the fatigue test results.
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문제 정의
본 연구에서는 콘크리트에 접해있는 강재의 국부부식 발생이 강재의 피로거동 및 피로강도에 미치는 영향을 정량화하기 위하여, Kainuma 등(2005)에서 사용된 150일, 300일, 450일, 600일간 부식촉진실험에 의해 부식 손상된 강판-콘크리트블록 모델시험체의 피로실험을 실시하였다. 그 결과 국부부식에 의한 강재의 피로강도 감소에 대해 정량적으로 검토하였다.
모델시험체의 피로실험을 실시하였다. 그 결과 국부부식에 의한 강재의 피로강도 감소에 대해 정량적으로 검토하였다. 본 연구에서는 부식 손상된 강재에 대해 피로 실험을 실시한 것으로 부식과 피로의 연계현상에 대해서는 고려하지 않았다.
본 연구에서는 콘크리트와 접해 있는 강재에 발생하는 국부부식에 의한 부식감소량 및 피로특성을 파악하기 위하여, 콘크리트 강재의 모델실험체의 부식촉진실험 (S6-Cycle)과 피로 실험을 실시하였다. 본 실험으로부터 얻어진 주요한 결과를 정리하면 아래와 같다.
본 연구에서는 단기간에 국부부식이 피로강도에 미치는 영향을 검토하기 위하여 S6-Cycle의 부식촉진실험을 이용하여대기 부식환경을 시뮬레이션 하였다. 현재 동일한 시편에 대한 대기 노출시험을 실시하고 있어, 향후 실제 대기 노출 환경하에서의 국부부식에 대한 검토를 수행할 계획이다.
제안 방법
그리고 실험적 및 해석적 검토를 통하여 콘크리트와의 경계부에 있어서의 강재의 국부부식의 패턴, 국부 부식감소량을 명확히 하였으며, 대기노출환경하의 국부 부식감소량 추정법을 제안하였다.
모델 시험체는 길이 방향의 중앙부를 착목부로하기 위하여, 그림 2에 나타낸 것과 같이 인장시편의 중심으로부터 편측 100x90x60mm의 콘크리트 블록을 타설한 합계 20개의 모델시험체를 제작하였다. 강재의 표면 거칠기는 일반 강교와 유사하게 70um가 되도록 그릿블라스트 처리하였다. 콘크리트 시공배합을 표2에 나타내었다.
콘크리트 시공배합을 표2에 나타내었다. 콘크리트블록의 상면을 제외한 측면 및 하면은 염수의 염화물이온과 외기로부터의 산소나 이산화탄소가 콘크리트 내부로 침투되지 않도록 실리콘 수지로 코팅하였다.
부식촉진실험에는 복합환경사이클시험기(SUGA사 제작)를 사용하였다. 부식촉진실험조건으로는 그림 3에 나타낸 S6-Cycle(JIS K5621)를 사용하였으며, 실험기간은 150일, 300일, 450일, 600일로 각 실험기간에 대해 5개의 모델 실험체를 사용하였다.
예정된 실험기간동안의 부식촉진실험 종료 후 콘크리트 블록을 제거하고, 구엔산암모니움(CH4H2S)과 치오요소(C6H14-N2O7)의 혼합용액에 침투시켜 60- 100℃로 가열한 상태에서 플라스틱제 브러시로 녹을 완전히 제거하였다. 그리고 X-Y 2축 자동이동 테이블(최소이동간격 1皿)과 레이져변위계(스폿직경: 130皿, 분해능력: O.lp m)로 구성된 레이저포커스 심도계를 이용하여 부식후의 표면 형상을 측정하였다. 측정범위는 강재-콘크리트의 경계선으로부터 콘크리트 내측으로 20mm, 강판 상측으로 100mm의 합계 120mm, 폭 40mm로 하였다.
부식한 모델실험체의 피로실험에는 하한하중을 5kN, 상한 하중을 77kN로 일정한 인장 편진하중(200MPa)을 사용하였으며, 반복하중의 파형은 정현파로 반복속도는 6~20Hz 토하였다. 그리고 피로균열의 발생위치 및 진전 상황을 추적奇 기 위하여 Dye-marking 및 Beach-marking 실험도 5~ 10회 실시하였다.
그리고 피로균열의 발생위치 및 진전 상황을 추적奇 기 위하여 Dye-marking 및 Beach-marking 실험도 5~ 10회 실시하였다.
20개의 모델시험체에 대한 부식촉진실험을 시작하여, 15( 일, 300일, 450일, 600일의 경과 후 각각 5개의 모델시험처의 부식촉진실험을 종료하였다.(이하, 실험기간。] 150일 300일, 450일, 600일인 모델시험체를 각각 D150, D300 D450, D600 시험체라 칭함).
부식실험 종료 후, 콘크리트 블록을 제거하고, 폭(40mm)X 길이(120mm)의 범위에 대해 lOOxlOOum 간격으로 48만 점에 대한 표면형상을 측정하였다. 표면형상의 측정 결과로부터 판 폭방향의 평균 부식깊이를 구하였고, 대표적인 실험체의 부식깊이를 그림 5에 나타내었다.
대상 데이터
강재시편에는 표 1에 나타낸 화학성분 및 기계적 성질을 가지는 두께 9mm의 SM490재를 사용하였다. 모델 시험체의 형상 및 치수를 그림 2에 나타내었다.
모델 시험체의 형상 및 치수를 그림 2에 나타내었다. 모델 시험체는 길이 방향의 중앙부를 착목부로하기 위하여, 그림 2에 나타낸 것과 같이 인장시편의 중심으로부터 편측 100x90x60mm의 콘크리트 블록을 타설한 합계 20개의 모델시험체를 제작하였다. 강재의 표면 거칠기는 일반 강교와 유사하게 70um가 되도록 그릿블라스트 처리하였다.
일반적으로 강구조물은 방청을 목적으로 도장이 실시되므로 도장 된 강판을 사용하여야 하나, 본 실험에서는 도장의 노화에 필요한 실험기간의 단축 및 도장이 노화된 후의 부식 거동 및 피로거동을 파악하기 위하여 무도장 강판을 사용하였다.
부식촉진실험조건으로는 그림 3에 나타낸 S6-Cycle(JIS K5621)를 사용하였으며, 실험기간은 150일, 300일, 450일, 600일로 각 실험기간에 대해 5개의 모델 실험체를 사용하였다. 예정된 실험기간동안의 부식촉진실험 종료 후 콘크리트 블록을 제거하고, 구엔산암모니움(CH4H2S)과 치오요소(C6H14-N2O7)의 혼합용액에 침투시켜 60- 100℃로 가열한 상태에서 플라스틱제 브러시로 녹을 완전히 제거하였다.
lp m)로 구성된 레이저포커스 심도계를 이용하여 부식후의 표면 형상을 측정하였다. 측정범위는 강재-콘크리트의 경계선으로부터 콘크리트 내측으로 20mm, 강판 상측으로 100mm의 합계 120mm, 폭 40mm로 하였다. 측정간격은 IOOxIOOh m로 하여, 각 모델 시험체에 대해 약 48만점의 데이터를 측정하였다.
측정범위는 강재-콘크리트의 경계선으로부터 콘크리트 내측으로 20mm, 강판 상측으로 100mm의 합계 120mm, 폭 40mm로 하였다. 측정간격은 IOOxIOOh m로 하여, 각 모델 시험체에 대해 약 48만점의 데이터를 측정하였다.
부식촉진실험을 종료하였다.(이하, 실험기간。] 150일 300일, 450일, 600일인 모델시험체를 각각 D150, D300 D450, D600 시험체라 칭함). 실험 종료 후의 D150 D300, D450, D600 시험체의 부식상태를 그림 4에 나타난다.
데이터처리
피로파괴가 발생한 데이터에 대해 최소자승법을 이용하여 평균회귀 곡선을 구하여, 그림 10에 실선으로 표시하였다. 그리고 평균회귀곡선식을 식 (1)과 식 (2)에 나타내었다.
성능/효과
실험개시 후 150일째에는 거의 균일한 적갈색의 녹층이 얇게 형성되었으며, 300일째에는 녹층의 두께가 증가하고 부분분적으로 녹층이 박리되고 있었으며, 녹의 색상도 흑갈색으로 변색 되어갔다. 450일째에는 녹층의 박리가 가속화 되었으며, 박리된 녹이 콘크리트 표면에 적체되었고, 콘크리트와 경계부 부근에 있어서는 녹층의 부풀림 현상이 발생하였다.
발생하였다. 그 최대값은 D150에서 0.285mm, D300에서 0.752mm, D450에서 0.759mm이며 D600에서 1.200mm로 실험 기간이 증가함에 따라서 폭방향의 평균 부식깊이의 최대값도 점점 증가하는 경향을 보였다.
전체 20개의 시험체 중 미파단이 4개, 상면 또는 하면의 부식 피트에서 피로균열 발생한 시험체가 3개, 모서리의 부식 피트에서 피로균열이 발생한 시험체가 11개로서, 모서리의 부식 피트에서 피로균열이 발생, 진전하여 최종적으로 파단된 경우가 가장 많았다.
D300은 。등급, D450은 E등급 및 D600은 G등급으로 무부식 강판의 피로등급인 A등급에 비해 피로실험기간의 증가에 따라서 각각 1등급, 3등급, 4등급, 6등급씩 피로강도 등급이 저하하였으며, 최대 6등급까지 감소하였다.
80MPa, G등급은 50MPa이다. 무부식 강재의 피로 강도에 대한 부식후의 피로강도율을 계산하면, 즉 부식되지 않은 강판(실험기간 0일)의 피로강도를 100%로 하면, D150 은 82%, D300은 53%, D450은 42%, D600은 26%에 해당한다. 이는 콘크리트와의 경계부가 없는 강판 시험체에 대해 2년에서 8년간 실시된 대기노출실험(日本鋼構造協會, 1993)을 통해 얻어진 피로강도율 60~90%에 비해 매우 작은 값을 나타내고 있다.
(1) S6-cycle 부식촉진실험기간이 150일, 300일, 450일, 600일로 증가함에 따라 각각의 최대부식깊이는 0.425 mm, 1.366mm, 1.557mm, 2.013mm로 점점 증가하였다. 이들 최대 부식깊이는 평균부식깊이의 약 5배에 달하였다.
(2) 본 실험에 사용한 강재시편의 실험기간 0일(무부식)의 피로 등급이 JSSC피로설계지침의 A등급인 것에 대하여, 실험기간 150일, 300일, 450일, 600일 후의 피로 등급은 각각 B, D, E, G등급으로 부식실험 기간의 증가에 따라 감소하였으며, 최대 피로등급이 6등급까지 감소되었다.
(3) 각 실험체의 200만회 피로강도를 비교하면, 무부식의 A등급이 190MPa인 것에 대하여, 300일, 450일, 600일로 실험기간이 증가함에 따라 각각 155MPa, lOOMPa, 80MPa, 50MPa로 피로강도가 감소하였다. 무부식의 200만회 피로강도를 100%로 하여 산정한 피로강도율은 각각 82%, 53%, 42%, 26%로 전면부식이 의한 피로강도율 60~90%에 비해 큰 피로 강도 감소가 발생하였다.
무부식의 200만회 피로강도를 100%로 하여 산정한 피로강도율은 각각 82%, 53%, 42%, 26%로 전면부식이 의한 피로강도율 60~90%에 비해 큰 피로 강도 감소가 발생하였다.
(4) 최대 부식깊이의 증가에 따라 피로강도가 감소하며, 평균 및 최대 부식깊이가 각각 0.085mm 및 0.38mm 이하이면 응력범위 200MPa에서는 피로균열이 발생하지 않았으며, JSSC 피로설계지침의 피로강도등급 A 등급을 만족하였다.
후속연구
D450과 D600에서 다소 큰 편차가 발생하고 있지만, 최대 부식깊이는 평균 부식깊이의 약 5배 정도임을 알 수 있다. 그러므로 이 결과를 이용하면 콘크리트에 접해 있는 강재의 국부부식에 의해 발생하는 최대부식 깊이를 콘크리트와의 경계부 부근에서의 강재의 평균 부식 깊이의 측정을 통하여 근사적으로 추정할 수 있을 것이다.
시뮬레이션 하였다. 현재 동일한 시편에 대한 대기 노출시험을 실시하고 있어, 향후 실제 대기 노출 환경하에서의 국부부식에 대한 검토를 수행할 계획이다.
단 식 (1)과 식 (2)는 응력범위 200MPa 하의 피로실험결과에 근거하여 산출 된 것으로, 부식피트의 형상 및 발생위치 등은 고려되지 않았으며, 단지 부식 깊이만을파라메타로 구한 근사식임에 주의해야 한다. 그리고 향후 실제 대기노출환경에 대한 적용성에 대한 실험적 연구를 통한 적용성 검증이 필요하다고 판단된다.
참고문헌 (8)
？Mie River and National Highway Work Office, Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2007), http://www.cbr. mlit.go.jp/mie/
Shigenobu KAINUMA, Naofumi HOSOMI, In-Tae KIM and Yoshito ITOH (2005), Time-dependent corrosion behavior of structural steel members in boundary with concrete, Journal of Structural Mechanics and Earthquake Engineering, JSCE, No.780/I-70, pp. 97-114.
John M. Barsom and Stanley T. Rolfe (1987), Fracture & fatigue control in structures, 2nd Edition, Prentice-Hall, pp.345-424.
SUGA Test Instrument Co., Ltd. (1992), SUGA general catalogue.
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