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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 교량, 선박 등과 같은 강구조물에서 피로손상이 가장 빈번하게 발생하는 것의 하나로 보고되고 있는 하중 전달형 십자연결의 필렛용접부를 대상으로 용접 후처리에 따른 피로강도 향상 효과를 정량적으로 분석할 목적으로 실시하였다.
- 이것은 핫스포트 응력기준 응력집중계수 산정으로 인한 평가 방법의 차이 및 용접지단부에서 측정값의 영향 등에 의한 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서는 핫스포트 응력기준 응력집중계수를 시험편 이음부 형상 및 접선각 개선에 따른 상대적 평가를 위한 인자로서 사용하고자 한다.
- 피로 시험 결과로부터 S-N 곡선으로 작성하고 피로강도를 평가하였으며, 이를 기초로 각 용접 후처리 방법에 따른 피로강도를 비교하고, 피로강도의 향상 매커니즘을 규명하였다. 또한 용접 지단부에서의 피로균열의 발생 및 성장 특성을 분석하여, 실제 구조물에서 발생할 수 있는 피로균열의 제어 및 유지관리를 위한 기초자료를 제시하였다. 한편 일부 시험편에 대해서는 용접 지단부의 형상을 파악하기 위해 용접부의 비드형상을 채취하여 지단부의 곡률반경과 접선각을 측정하였으며, 이로부터 용접 지단부의 형상과 피로강도의 관계를 고찰하였다.
제안 방법
- 응력범위는 BS 7608을 참조로 하여 5×104~5×106 범위에서 피로파단이 발생하도록 결정하였다. 또한 각 조건별로 최대응력범위로부터 단계적으로 응력범위를 낮춰 실시하였으며, 동일 응력범위에 대해 2개의 시험편을 7개의 응력범위에 대하여 실시하였다. 한편 피로하중은 최대하중을 150 kN으로 고정하고 최소하중을 변화시키면서 응력비 R이 0.
- 본 연구에서는 하중 전달형 십자형 필렛용접 이음부를 대상으로 Toe Grinding, TIG Dressing, Weld Profiling 등의 용접 후처리를 실시한 후 피로시험을 실시하여 피로강도를 평가하였으며, 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 시험편은 용접 후처리 방법을 그림 3과 같이 As Welded (무처리), Toe Grinding, TIG Dressing, Weld Profiling 등의 4가지 조건으로 하였으며, 각 용접 후처리 방법별 시험 편의 구분기호는 표 3과 같다. As Welded 및 Toe Grinding 시험편은 그림 1(a)에 나타낸 것과 같은 형상으로 제작하였으나, Weld Profiling 시험편의 경우는 용접부의 피로강도가 크게 향상되는 것을 고려하여 사전에 지그부분에서의 응력집중으로 인한 응력상승을 반영하여 지그부분의 단면적을 증가시켜 그림 1(b)와 같은 형상으로 제작하였다.
- 18 이다. 여기서, 핫스포트 응력기준에 의한 응력집중계수 계산은 편심에 의한 영향을 제거하기 위하여 면내응력만을 사용하여 계산하였다. 본 연구에서의 핫스포트 응력기준에 의한 응력집중계수는 일본의 강구조물피로설계지침(日本鋼構造協會, 1993) 등에 일반적으로 보고되고 있는 십자이음의 용접지단부의 응력집중계수인 2.
- 따라서 본 연구에서는 교량, 선박 등과 같은 강구조물에서 피로손상이 가장 빈번하게 발생하는 것의 하나로 보고되고 있는 하중 전달형 십자연결의 필렛용접부를 대상으로 용접 후처리에 따른 피로강도 향상 효과를 정량적으로 분석할 목적으로 실시하였다. 용접 후처리 방법으로는 Toe Grinding, TIG Dressing, Weld Profiling을 적용하였으며, 이들 시험편에 대해 일정진폭 반복하중하에서 피로시험을 실시하였다. 피로 시험 결과로부터 S-N 곡선으로 작성하고 피로강도를 평가하였으며, 이를 기초로 각 용접 후처리 방법에 따른 피로강도를 비교하고, 피로강도의 향상 매커니즘을 규명하였다.
- 응력범위는 BS 7608을 참조로 하여 5×104~5×106 범위에서 피로파단이 발생하도록 결정하였다.
- 일부 시험편에는 면·내면외응력 및 핫스포트(hot spot) 응력을 분석하기 위하여 기존의 연구(仁甁, 1993) 등을 참조하여 그림 7에 나타낸 것과 같이 용접 지단부로부터 두께 t에 대하여 0.5t(7.5 mm) 및 1.5t(22.5 mm) 떨어진 위치에 변형률게이지를 부착하여 응력을 측정하고, 핫스포트 응력의 평가 및 응력집중효과를 분석하였다.
- 용접 후처리 방법으로는 Toe Grinding, TIG Dressing, Weld Profiling을 적용하였으며, 이들 시험편에 대해 일정진폭 반복하중하에서 피로시험을 실시하였다. 피로 시험 결과로부터 S-N 곡선으로 작성하고 피로강도를 평가하였으며, 이를 기초로 각 용접 후처리 방법에 따른 피로강도를 비교하고, 피로강도의 향상 매커니즘을 규명하였다. 또한 용접 지단부에서의 피로균열의 발생 및 성장 특성을 분석하여, 실제 구조물에서 발생할 수 있는 피로균열의 제어 및 유지관리를 위한 기초자료를 제시하였다.
- 피로균열 발생 및 파단 양상을 파악하기 위해 각 시험편별로 피로시험 완료 후 용접 지단부에서의 피로균열의 발생위치와 균열의 성장상황 그리고 파단면을 조사하였다. 그 일례로 As Welded 시험편에 대한 피로균열의 발생점(그림에서 화살표로 표시) 및 파단면을 그림 10에 나타내었다.
- 피로시험은 1,000 kN 용량의 유압식 피로시험기(M&T KOREA사)를 사용하여 일정진폭 반복하중 하에서 인장피로 시험을 실시하였다(그림 6 참조).
- 한편 용접 후처리에 의한 지단부 형상 개선을 조사하기 위하여 As Welded 시험편과 Weld Profiling 시험편을 대상으로 그림 4와 같이 용접지단부의 곡률반경 ρ와 접선각 θ를 측정하였다.
- 또한 용접 지단부에서의 피로균열의 발생 및 성장 특성을 분석하여, 실제 구조물에서 발생할 수 있는 피로균열의 제어 및 유지관리를 위한 기초자료를 제시하였다. 한편 일부 시험편에 대해서는 용접 지단부의 형상을 파악하기 위해 용접부의 비드형상을 채취하여 지단부의 곡률반경과 접선각을 측정하였으며, 이로부터 용접 지단부의 형상과 피로강도의 관계를 고찰하였다.
대상 데이터
- As Welded 및 Toe Grinding 시험편은 그림 1(a)에 나타낸 것과 같은 형상으로 제작하였으나, Weld Profiling 시험편의 경우는 용접부의 피로강도가 크게 향상되는 것을 고려하여 사전에 지그부분에서의 응력집중으로 인한 응력상승을 반영하여 지그부분의 단면적을 증가시켜 그림 1(b)와 같은 형상으로 제작하였다. 그리고 TIG Dressing 시험편은 As Welded 시험편과 Weld Profiling 시험편의 두 가지 형상으로 제작하였다.
- 본 연구에서 사용된 시험편은 그림 1과 같이 선박구조물 등의 강구조물에서 대표적인 구조상세인 하중 전달형 십자 이음형태이다. 용접은 그림 2에 나타낸 바와 같이 완전용입의 필렛용접을 실시하였으며, 시험편의 제작에 사용한 용접조건은 표 2와 같다.
- 본 연구에서 사용된 시험편의 강종은 선박구조물에서 사용되는 강재인 AH32 강재로 이에 대한 기계적 성질은 표 1 과 같다.
성능/효과
- 1. 용접 후처리를 실시하지 않은 As Welded 시험편과 용접 후처리를 실시한 Toe Grinding, TIG Dressing 및 Weld Profiling 시험편은 모두 BS Code의 피로설계기준인 “F” 등급을 충분히 상회하는 피로강도를 확보하는 것을 알 수 있었다.
- 2. 용접 후처리에 따른 200만회 피로강도는 As Welded 시험편과 비교하여 Toe Grinding, TIG Dressing 및 Weld Profiling 순서로 각각 1.54배, 1.71배 및 2.69배의 피로 강도 증가효과가 있는 것을 알 수 있었다.
- 3. 피로파괴가 발생한 시험편에서 피로균열은 모두 응력집중이 가장 큰 용접 지단부에서 발생하여 반타원형으로 성장하여 파단에 이르는 전형적인 양상을 나타내었다. As Welded 시험편은 시험편의 3~4 곳에서 피로균열이 발생하였으나, 용접 후처리로 TIG Dressing을 실시한 시험편은 대부분이 시험편의 한 곳에서 피로균열이 발생하는 양상을 나타내어, 용접 후처리에 의해 지단부의 형상이 개선되면 피로균열의 발생점의 개수가 감소하는 것을 알 수있었다.
- 4. As Welded 시험편의 제작시 용접에 따른 시험편의 변형에 의해 평균적으로 1.85 mm의 편심이 발생하였으며, 이러한 편심 때문에 시험편에는 면내응력 이외에 면내응력의 약 3~17% 정도의 면외응력이 추가적으로 발생하였다. 이러한 추가적인 면외응력은 용접부의 피로거동에 나쁜 영향을 미치게 되므로 이러한 영향을 최소화할 수 있는 용접절차서의 작성이 중요하며, 또한 편심량이 제작기준의 허용기준 이내에 들어오도록 제작이 이루어져야 할 것이다.
- 피로파괴가 발생한 시험편에서 피로균열은 모두 응력집중이 가장 큰 용접 지단부에서 발생하여 반타원형으로 성장하여 파단에 이르는 전형적인 양상을 나타내었다. As Welded 시험편은 시험편의 3~4 곳에서 피로균열이 발생하였으나, 용접 후처리로 TIG Dressing을 실시한 시험편은 대부분이 시험편의 한 곳에서 피로균열이 발생하는 양상을 나타내어, 용접 후처리에 의해 지단부의 형상이 개선되면 피로균열의 발생점의 개수가 감소하는 것을 알 수있었다.
- 또한 BS Code의 피로설계기준인 “F”등급과 비교하면 전반적으로 피로수명은 높은 응력범위보다는 낮은 응력범위에서 증가하는 것을 알 수 있으며, 이러한 경향은 As Welded 시험편, Toe Grinding 시험편, TIG Dressing 시험편, Weld Profiling 시험편의 순서로 증가하는 정도가 커지는 것을 알 수 있다.
- 여기서, 핫스포트 응력기준에 의한 응력집중계수 계산은 편심에 의한 영향을 제거하기 위하여 면내응력만을 사용하여 계산하였다. 본 연구에서의 핫스포트 응력기준에 의한 응력집중계수는 일본의 강구조물피로설계지침(日本鋼構造協會, 1993) 등에 일반적으로 보고되고 있는 십자이음의 용접지단부의 응력집중계수인 2.0 보다는 작은 것을 알 수 있다. 이것은 핫스포트 응력기준 응력집중계수 산정으로 인한 평가 방법의 차이 및 용접지단부에서 측정값의 영향 등에 의한 것으로 판단된다.
- 8 MPa로 나타나는 것을 알 수 있다. 여기서 Weld Profiling 시험편은 용접부에서 파단된 시험편이 두 개밖에 되지 않아 200만회 피로강도는 모재부에서 파괴된 전체 시험편을 모두 포함하여 계산한 결과이며, 모재부에서 파괴된 시험편의 경우 용접부의 피로수명은 실제로 더욱 커질 것이므로 실제 200만회 피로강도는 증가할 것으로 판단된다. 이로부터 용접 후처리를 실시함으로써 200만회 피로강도도 크게 증가하는 것을 알 수 있으며, 후처리 방법으로는 Toe Grinding보다 TIG Dressing이나 Weld Profiling을 실시한 경우가 피로강도의 증가효과가 더 큰 것을 알 수 있다.
- 한편 시험편의 각변형이 시험편의 응력성분에 어떤 영향을 미치는가를 평가하기 위하여 계산한 면내응력에 대한 면외응력의 비는 약 3~17% 정도의 수준인 것을 알 수 있다. 이 값은 시험편 형상에 따라 변화가 상당히 큰 것을 알 수 있으며, 또한 핫스포트 응력기준의 응력집중계수와 거의 비례관계가 있는 것을 알 수 있다. 그러나 이러한 경향이 연결부의 피로강도에 미치는 영향에 대한 보다 정량적인 평가를 위해서는 향후 이러한 상관관계를 평가할 수 있는 추가적인 시험이 필요할 것으로 판단된다.
- 표 4로부터 As Welded 시험편과 Weld Profiling 시험편의 용접 지단부의 평균 곡률반경은 각각 3.81 mm와 7.86 mm이며, 평균 접선각은 각각 127.6°와 136.3°로 측정되어, Weld Profiling 시험편은 As Welded 시험편보다 곡률반경과 접선각이 모두 큰 것을 알 수 있다.
- 표 5 및 그림 9의 200만회 피로강도를 추정한 결과를 보면, As Welded 시험편은 99.0 MPa, Toe Grinding 시험편은 153.3 MPa, TIG Dressing 시험편은 169.4 MPa, 그리고 Weld Profiling 시험편은 266.8 MPa로 나타나는 것을 알 수 있다. 여기서 Weld Profiling 시험편은 용접부에서 파단된 시험편이 두 개밖에 되지 않아 200만회 피로강도는 모재부에서 파괴된 전체 시험편을 모두 포함하여 계산한 결과이며, 모재부에서 파괴된 시험편의 경우 용접부의 피로수명은 실제로 더욱 커질 것이므로 실제 200만회 피로강도는 증가할 것으로 판단된다.
- 또한 피로균열은 대부분의 시험편에서 한 곳이 아닌 3~4 곳에서 발생하여 합체된 양상으로 진전하였다. 피로균열의 진전은 시험편 폭 방향으로는 전체 폭의 대부분을 성장하였고, 두께 방향으로는 전체 두께의 50% 정도를 진전한 후, 그 후에는 피로균열의 진전 없이 전단면 항복에 의해 파단되었다.
- 이는 앞에서 기술한 바와 같이 Weld Profiling에 따른 용접지단부의 접선각 형상의 개선효과에 의한 것으로 판단된다. 한편 면내응력에 대한 면외응력의 비도 약 5%로 As Welded 시험편보다 적으며, 그 편차도 적은 것을 알 수 있었다. 따라서 Weld Profiling 시험편에서의 피로강도 향상은 용접지단부 형상의 개선뿐만이 아니라 고품질의 제작이 가능한 것 등도 영향을 미쳤을 것으로 판단된다.
- 한편 선박구조물 등의 피로설계 기준으로 광범위하게 적용되고 있는 BS Code를 적용하여 하중 전달형 리브 십자형 필렛용접 연결부에 대한 BS Code(2000)의 피로설계기준인 “F”등급과 비교하면, As Welded 시험편은 물론 용접 후처리를 실시한 Toe Grinding, TIG Dressing 및 Weld Profiling 시험편 모두 설계기준 “F”등급을 상회하는 충분한 피로강도를 확보하는 것을 알 수 있다.
후속연구
- 이 값은 시험편 형상에 따라 변화가 상당히 큰 것을 알 수 있으며, 또한 핫스포트 응력기준의 응력집중계수와 거의 비례관계가 있는 것을 알 수 있다. 그러나 이러한 경향이 연결부의 피로강도에 미치는 영향에 대한 보다 정량적인 평가를 위해서는 향후 이러한 상관관계를 평가할 수 있는 추가적인 시험이 필요할 것으로 판단된다.
- 한편 이러한 편심 때문에 시험편에는 면내응력인 인장응력 이외에 면외응력인 휨응력이 추가적으로 발생하게 된다. 이러한 추가적인 응력은 편심 크기가 클수록 증가하게 되어 용접부의 피로거동에 영향을 미치게 되므로 향후 제작에서는 이러한 영향을 충분히 고려하는 것이 중요하다.
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