복공판은 규격화된 강재를 조합하여 용접에 의해 일체화 시킨 것으로 주로 지하작업공간의 확보, 가설 차도 및 보도의 용도로 사용되며, 지하철, 지하상가 등의 건설을 위한 복개부와 가설교량의 상부구조 등에 적용된다. 이러한 복공판이 부식 손상된 경우에는 정량적인 잔존내하력 평가 없이 육안조사에 의한 판별 후 교체 또는 일정기간 사용 후 교체 등으로 그 기능을 유지하고 있다. 이에 본 연구에서는 부식된 복공판의 지속적 사용한계를 확인하고 경제적이고 효율적인 복공판 교체시기를 결정하기 위하여, 실제 지하철 현장에서 사용되고 있는 부식 손상된 복공판을 대상으로 각 구성 강재의 잔존두께를 측정하고, 휨 재하실험을 실시하였다. 그리고 수치해석을 수행하여 그 결과를 실험결과와 비교, 분석하였다. 그 결과 복공판 측, 하판의 두께 감소량과 잔존내하력과의 관계를 분석하여, 부식두께 감소량에 의한 복공판의 적절한 교체주기를 결정할 수 있는 지표를 제시하였다.
복공판은 규격화된 강재를 조합하여 용접에 의해 일체화 시킨 것으로 주로 지하작업공간의 확보, 가설 차도 및 보도의 용도로 사용되며, 지하철, 지하상가 등의 건설을 위한 복개부와 가설교량의 상부구조 등에 적용된다. 이러한 복공판이 부식 손상된 경우에는 정량적인 잔존내하력 평가 없이 육안조사에 의한 판별 후 교체 또는 일정기간 사용 후 교체 등으로 그 기능을 유지하고 있다. 이에 본 연구에서는 부식된 복공판의 지속적 사용한계를 확인하고 경제적이고 효율적인 복공판 교체시기를 결정하기 위하여, 실제 지하철 현장에서 사용되고 있는 부식 손상된 복공판을 대상으로 각 구성 강재의 잔존두께를 측정하고, 휨 재하실험을 실시하였다. 그리고 수치해석을 수행하여 그 결과를 실험결과와 비교, 분석하였다. 그 결과 복공판 측, 하판의 두께 감소량과 잔존내하력과의 관계를 분석하여, 부식두께 감소량에 의한 복공판의 적절한 교체주기를 결정할 수 있는 지표를 제시하였다.
Channel-type lining board(CLB) is a welded steel structure used in the field of open cut subway excavation and building basement construction. Lining board is generally installed at the underground environment which is exposed to corrosion factors such as humidity, temperature and corrosive gases. T...
Channel-type lining board(CLB) is a welded steel structure used in the field of open cut subway excavation and building basement construction. Lining board is generally installed at the underground environment which is exposed to corrosion factors such as humidity, temperature and corrosive gases. This study evaluates reusability of the corroded lining board by experimental and analytical method. Static loading tests were performed to know serviceability of corroded CLB after checking thickness loss of the used CLB parts. Strain of the plates and middle point deflection was measured simultaneously. According to experimental test results and comparison with numerical analysis, the thickness loss of the plates by corrosion makes more vertical displacements and stresses in members under the DB vehicle load considering impact factor. As a result, this paper is proposed a way to evaluate used and corroded CLB by checking the plates thickness and it makes construction engineers easy to know optimal time to replace their old CLBs with new one.
Channel-type lining board(CLB) is a welded steel structure used in the field of open cut subway excavation and building basement construction. Lining board is generally installed at the underground environment which is exposed to corrosion factors such as humidity, temperature and corrosive gases. This study evaluates reusability of the corroded lining board by experimental and analytical method. Static loading tests were performed to know serviceability of corroded CLB after checking thickness loss of the used CLB parts. Strain of the plates and middle point deflection was measured simultaneously. According to experimental test results and comparison with numerical analysis, the thickness loss of the plates by corrosion makes more vertical displacements and stresses in members under the DB vehicle load considering impact factor. As a result, this paper is proposed a way to evaluate used and corroded CLB by checking the plates thickness and it makes construction engineers easy to know optimal time to replace their old CLBs with new one.
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문제 정의
본 연구에서는 1차적으로 비교적 상태가 좋은 SP9 시험체와 부식손상과 일부 용접부 파손이 발생한 SP5 시험체에 대하여 해석하였으며, 그 결과를 실험 결과와 비교하였다.
본 연구에서는 복공판의 내하력에 영향을 미치는 변형, 국부손상 및 부식손상 중에서 부식손상을 대상으로 휨 재하실험을 실시하여, 복공판의 잔존 내하성능을 확인하고 지속적 및 재사용성을 판별할 수 있는 지표를 제시하는 것을 목표로 하였다. 본 실험에서는 실제 지하철 현장에서 사용되었거나 사용 중인 복공판을 임의로 선정하여 부식으로 인한 각 구성 강재의 잔존두께를 측정하였으며, 선정된 복공판에 대하여 휨 재하실험을 실시하여 처짐 및 변형 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 부식으로 인해 두께가 감소된 복공판에 대한 부식량 측정과 하중재하실험 및 구조해석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 상판, 측판 및 하판의 두께 감소량에 따른 내하력 저감을 평가하기 위하여, 부식손상 정도가 가장 적은 SP1 시험체의 최대하중 작용 시의 처짐(20mm)을 기준으로, 각 시험체의 최대하중을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 실험적으로 검토할 수 없었던 다양한 부등변 L형강의 두께감소에 따른 내하력을 평가하기 위하여 수치해석을 실시하였다. 수치해석에는 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS 를 사용하였으며, 3차원 Solid 요소(C3D20)로 복공판 전체를 모델링하였다.
본 연구에서는 허용응력을 기준으로 복공판을 구성하고 있는 부재의 내하력을 평가하는 방법으로 복공판의 재사용 여부를 판단할 수 있는 지표를 제시하려고 한다. 부재의 응력은 Fig.
가설 설정
또한, 실험에 사용된 복공판의 경우 국부부식에 의해서 부재의 표면이 일정하지 않게 두께가 감소되었지만, 해석모델의 경우는 각 부재에서 발생하는 부식에 의한 두께 감소량이 일정하다고 가정하였다. 단상 판의 匸형강은 용접된 부분이 파손되지 않은 상태이며, 부식에 의한 두께 감소가 크지 않으므로 상판 부재의 두께를 동일하게 8mm로 하였다.
하중 및 경계조건은 휨재하실험과 동일한 조건을 만족할 수 있도록 하였으며, 복공판의 각 용접부는 타이(tie) 구속 조건을 적용하였다. 모든 시험체가 실제 사용된 복공판이므로 용접 부상 태에 대한 신뢰성을 확보하기 어렵고 또한 이후 변수 연구에서도 적용할 수 있도록 용접에 대한 결함은 없는 것으로 가정하였다.
5)에 대한 하판에서의 응력과 허용응력과의 상관관계를 분석함으로써 추정해 보았다. 해석모델의 각 용접은 양호한 상태이며, 상판 두께는 설계두께와 동일하게 8mm로 가정하였다.
제안 방법
2mm/min로 하였다. Fig. 2와 같이 중앙부의 처짐을 측정하기 위하여 LVDT를 설치하였으며, 각 지점(상면, 측면, 하면)에서 발생되는 응력을 확인하기 위하여 변형률 게이지를 부착하였다.
각 차량하중 하에서 하판의 응력이 허용응력을 초과하지 않는 부등변 L형강의 최소두께를 조사하여 복공판의 재사용이 가능한 두께로 결정하였다.
단상 판의 匸형강은 용접된 부분이 파손되지 않은 상태이며, 부식에 의한 두께 감소가 크지 않으므로 상판 부재의 두께를 동일하게 8mm로 하였다. 그 이외 부재의 두께는 측정된 평균 잔존두께를 적용하였다.
본 실험에서는 실제 지하철 현장에서 사용되었거나 사용 중인 복공판을 임의로 선정하여 부식으로 인한 각 구성 강재의 잔존두께를 측정하였으며, 선정된 복공판에 대하여 휨 재하실험을 실시하여 처짐 및 변형 특성을 분석하였다. 그리고 부식 손상된 복공판에 대한 수치해석을 실시하여, 재하실험결과와의 비교를 통하여 부재 두께감소와 잔존 내하성능과의 상관관계를 분석함으로써, 복공판의 잔존내하성능 평가 및 재사용성에 대한 지표를 제시하였다.
1참조)는 상판의 匸형강의 중앙부, 부등변 L형강의 하판과 측판으로 분류하였다. 그리고 부식된 강재의 특성상 표면의 상태가 두께 측정에 오차를 발생시킬 수 있으므로 부재 길이 방향으로 상판 16지점, 측판과 하판의 각 8지점의 총 32지점에 대해 두께를 측정하였다. 측정에 있어서는 측정오차를 줄이기 위하여 동일한 위치에서 3회 측정된 두께를 평균하여 그 값을 잔존 두께량으로 하였으며, 설계부재두께와 잔존두께의 차이를 부식 두께감소량으로 하였다.
것으로 하였다. 그리고 용접상태는 Fig. 8에 나타낸 것과 같이 상판 匸형강과 측판 L 형강이 양측 4개소(①~④)의 부분용접이 전부 양호한 경우, 중앙부(②, ③)에서 파손된 경우, 전부 파손된 경우의 세 가지 상태로 나누어 해석하였다. 충격계수를 고려한 DB-24, 18, 13.
동일한 두께 감소를 가진 부등변 L형강의 두께와 측면 용접부 파손위치 등을 변화시켜 두께 감소에 의한 처짐과 응력의 관계를 해석하였다. 해석모델의 수와 해석변수는 Table 5와 같다.
두께 측정위치(Fig. 1참조)는 상판의 匸형강의 중앙부, 부등변 L형강의 하판과 측판으로 분류하였다. 그리고 부식된 강재의 특성상 표면의 상태가 두께 측정에 오차를 발생시킬 수 있으므로 부재 길이 방향으로 상판 16지점, 측판과 하판의 각 8지점의 총 32지점에 대해 두께를 측정하였다.
두께 측정은 마이크로미터(측정정도: 1/1000mm) 에 의한 측정을 원칙으로 하였으나, 이에 의한 측정이 불가능한 상판과 측판에 대해서는 초음파 두께측정기(측정 정도: 1/100mm, 접촉면적: p9mm, 측정범위: 최대 300mm, 정확도: ±2%)를 사용하였다.
복공판의 내하력을 확인하는 시험방법이 규정되어있지 않아, 본 실험에서는 시험체의 중앙부 처짐이 40mm(유효 지간의 1/50)에 도달하거나 상부 匸형강의 부분 용접부 파손이 발생하여 집중하중에 의한 부재파괴가 발생하는 경우 또는 지점부 수직 보강재가 파괴되는 경우에 실험을 종료하였다.
복공판의 두께 측정에 있어서는 먼저 대상 지점의 녹을 와이어브러쉬 그라인더를 이용하여 제거한 후 부재의 형상과 부식정도에 따라 Photo 3과 같이 초음파 두께측정기와 마이크로미터를 사용하여 두께를 측정하였다.
지표를 제시하는 것을 목표로 하였다. 본 실험에서는 실제 지하철 현장에서 사용되었거나 사용 중인 복공판을 임의로 선정하여 부식으로 인한 각 구성 강재의 잔존두께를 측정하였으며, 선정된 복공판에 대하여 휨 재하실험을 실시하여 처짐 및 변형 특성을 분석하였다. 그리고 부식 손상된 복공판에 대한 수치해석을 실시하여, 재하실험결과와의 비교를 통하여 부재 두께감소와 잔존 내하성능과의 상관관계를 분석함으로써, 복공판의 잔존내하성능 평가 및 재사용성에 대한 지표를 제시하였다.
10에서 나타난 것과 같이 용접부 파손에 의한 응력에는 큰 차이가 발생하지 않았기 때문에 용접부 탈락에 의한 영향은 고려하지 않았다. 사용된 시험체는 실제 지하철 현장에서 사용되고 있는 복공판을 사용하였기 때문에 단기 구조물로서의 안전성 및 경제성을 고려하여 도로교 설계 기준에서 제시하는 사용강재와 관련한 허용응력 증가계수를 도입하여 적용하였다. 재사용 강재의 허용응력은 책임 기술자가 반복사용의 정도, 부식의 정도, 변형의 상태 등을 종합적으로 검토하여 응력 보정계수를 설정하여 사용하는 것이 바람직하나, 현재 국내에서는 특별히 구분하여 이를 적용하도록 하지 않고 일률적으로 응력보정계수로서 0.
수치해석에는 상용 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS 를 사용하였으며, 3차원 Solid 요소(C3D20)로 복공판 전체를 모델링하였다. 해석조건은 Table 3과 같다.
재사용되는 복공판의 부식정도를 고려한 계속적 사용 성을 부등변 L형강의 두께를 변화시켜 각 차량 하중(DB-24, 18, 13.5)에 대한 하판에서의 응력과 허용응력과의 상관관계를 분석함으로써 추정해 보았다. 해석모델의 각 용접은 양호한 상태이며, 상판 두께는 설계두께와 동일하게 8mm로 가정하였다.
지점부는 실제 복공판이 사용되고 있는 경계조건을 최대한 만족하도록 반력프레임을 설치하였으며, 차륜의 접지면적을 고려하기 위하여 복공판의 중앙부에 시험체 길이방향의 직각으로 직사각형 강판과 고무패드를 설치하여 하중이 등분포 재하될 수 있도록 하였다. 도로교 설계기준(대한토목학회, 2003) 에서는 차륜의 접지면을 DB-24하중의 각 차륜에 대해 면적이 일정한 하나의 직사각형으로 간주하며, 폭과 길이의 비를 2.
그리고 부식된 강재의 특성상 표면의 상태가 두께 측정에 오차를 발생시킬 수 있으므로 부재 길이 방향으로 상판 16지점, 측판과 하판의 각 8지점의 총 32지점에 대해 두께를 측정하였다. 측정에 있어서는 측정오차를 줄이기 위하여 동일한 위치에서 3회 측정된 두께를 평균하여 그 값을 잔존 두께량으로 하였으며, 설계부재두께와 잔존두께의 차이를 부식 두께감소량으로 하였다.
5와 Table 4에 나타내었다. 하중 및 경계조건은 휨재하실험과 동일한 조건을 만족할 수 있도록 하였으며, 복공판의 각 용접부는 타이(tie) 구속 조건을 적용하였다. 모든 시험체가 실제 사용된 복공판이므로 용접 부상 태에 대한 신뢰성을 확보하기 어렵고 또한 이후 변수 연구에서도 적용할 수 있도록 용접에 대한 결함은 없는 것으로 가정하였다.
대상 데이터
먼저 지하철 복개현장에서 12개의 복공판을 임의로 선정하여, 부재별 부식두꺼L 잔존두께를 측정한 후, 휨재하실험을 실시하였다. 본 연구에서 사용된 channel형 복공판의 규격 및 강재의 물리적 특성은 Table 1과 같으며, 형상과 치수, 각 부재의 용접 상태는 Fig.
휨재하실험을 실시하였다. 본 연구에서 사용된 channel형 복공판의 규격 및 강재의 물리적 특성은 Table 1과 같으며, 형상과 치수, 각 부재의 용접 상태는 Fig. 1과 같다. 선정된 복공판은 대부분 심각한 수준의 부식이 진행된 상태이었으며, Photo 2에서와 같이 부식손상정도에 따라 크게 세 가지로 분류할 수 있었다.
본 연구에서는 복공판으로 널리 사용되고 있는 SS400강재의 channel형 복공판을 사용하였다. 상판은 두께 8mm의 匸형강이 나란히 배열되어 있으며, 측판은 두께 6mm의 부등변 L형강으로써 상판의 匸형강과 부분용접되어 있고, 상판 아래로 중앙부 처짐을 보강하기 위하여 내부에 횡방향으로 배치된 리브판과 복공판 양끝단부에 유동을 방지하기 위하여 L형의 앵글이 배면에 설치되어 있다.
성능/효과
1) 지하철 공사에서 사용된 복공판의 두께를 측정한 결과 부등변 L형강의 하부에서 부식 진행속도가 상부의 匸형강의 부식속도 보다 빠른 것으로 조사되었다.
2) 복공판의 내하력 저하는 주로 복공판 구성부재인 L형강재의 두께감소에 의해 발생하였다.
3) 복공판의 휨 재하실험과 수치해석을 통하여 복공판 구성부재 L형강재의 두께감소에 따른 복공판의 지속 및 재사용성 평가 지표(Fig. 11)를 제시하였다.
9와 10에 나타내었다. 동일한 L형강의 두께 감소에 따른 각 하중에서의 처짐은 L형강의 두께 감소가 3mm 이하인 경우에는 부분파손이나 완전파손에 따른 처짐의 차이는 크게 발생하지 않은 것으로 나타났으나, 3mm 이상인 경우에는 처짐이 급속하게 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 본 연구에서 대상으로 하고 있는 탄성 영역에서는 용접부의 파손 정도에 따른 하판에서의 응력의 차이는 크지 않음을 알 수 있었다.
11에 도시하여 보았다. 두께측정의 결과는 DB-24영역에 표시되었으며, 또한 측정된 하판의 응력 역시 허용응력을 초과하지 않는 것으로 나타났다. 이러한 방법으로 각 시험체로부터 측정된 평균 두께값에 대한 하판의 응력이 각 차량 하중에 대한 허용응력을 만족할 경우에는 “.
따라서 가시설 구조물에 대한 허용응력 증가계수 1.50, SS400강재의 허용응력 140MPa 그리고 응력 보정계수 0.9를 곱하여 재사용 강재에 대한 허용응력을 189MPa로 산정하였다.
본 연구에서 평가하고자하는 복공판의 적용 하중 수준은 충격계수를 고려한 DB-24의 후륜 하중으로 해석상 초기 재하단계에 해당하며, 이 구간에서는 해석 결과가 실험결과와 비교적 잘 일치하고 있어 본 해석모델을 사용하여 부식 손상된 복공판의 내하력 평가가 가능하다고 판단된다.
나타났다. 상판의 경우 부식에 의한 두께감소량의 차이가 크지 않았기 때문에 부식감소 정도가 내하력에 미치는 영향을 판단하기 어려웠으나, 측판과 하판의 경우에서는 두께 감소량이 증가할수록 내하력이 감소하는 것으로 나타났다.
측판과 하판의 부식에 의한 두께 감소량이 적고, 상판 외측의 匸형강과 길이방향으로 용접상태가 양호한 SP1, SP9 시험체의 내하력이 크게 나타났다. 상판의 경우 부식에 의한 두께감소량의 차이가 크지 않았기 때문에 부식감소 정도가 내하력에 미치는 영향을 판단하기 어려웠으나, 측판과 하판의 경우에서는 두께 감소량이 증가할수록 내하력이 감소하는 것으로 나타났다.
4에 나타낸 것과 같이 부식 두께감소량이 증가함에 따라 최대하중은 감소하는 경향이 있음을 알 수 있다. 특히, 측판과 하판의 두께감소량과 최대하중감소에는 상관관계가 있음을 알 수 있으며, 측판과 하판의 두께감소에 의해 최대하중은 급격하게 감소함을 알 수 있다. 예를 들어, 하판의 두께 감소량이 약 2.
55mm로 조사되었다. 하판의 두께감소는 상판의 9.5배, 측판의 2.3배 정도로 나타났으며, 측판도 상판과 비교하여감소된 두께가 4.1배 정도 큰 것으로 조사되어 동일한 환경에서도 상판보다는 부등변 L형강의 측 판과 하판의 단면감소가 큰 것으로 나타났다.
후속연구
4) 복공판의 지속 및 재사용성 평가를 위해서는 향후 변형 및 국부손상에 대한 검토가 필요하며, 부식손상에 대한 종합적인 판단기준을 확립하기 위해서는 복공판에 대한 하중의 지점재하 및 편측재하에 대한 실험적 및 해석적 검토가 필요하다고 판단된다.
11은 강재 복공판에 대해 부식 두께 감소만을 대상으로, 복공판 중앙부의 휨재하실험과 해석을 근거로 제시된 것으로 이를 복공판의 지속적 및 재사용성 평가에 적용함에 있어서는 주의해야 한다. 그리고 향후 편측/지점부 재하 및 복공판의 국부변형 등의 손상정도를 고려한 추가 연구가 필요하다고 사료된다.
본 연구에서 제시하고 있는 Fig. 11는, L형 강의 두께 감소에 따른 복공판의 지속적 또는 재사용성을 판단할 수 있는 지표로 사용할 수 있을 것이다. 그러나, Fig.
참고문헌 (12)
가설공사 표준시방서, 사단법인 한국건설가설협회, 2006
김광범, 금속의 대기부식, 한국강구조공학회지 특집 기사, 제8권 제2호 1996
김두환, 김영세, "기존 채널형 복공판과 새로운 복공판 모델에 관한 연구", 한국안전학회지, 제19권 제3호, 2004년, pp. 78-83
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