강구조물의 장기간 사용에 있어 가장 대표적인 노화현상의 하나로 부식손상을 들 수 있다. 그러나 부식 손상된 강재의 지속사용 여부 및 보수 보강 필요 여부를 판단하기 위한 잔존 내하력 평가법이 확립되어 있지 않은 실정이다. 본 연구에서는 부식손상으로 인한 단면결손 또는 두께감소의 정도가 H형 강재의 복부좌굴강도에 미치는 영향을 검토하고 잔존 복부좌굴하중 추정법을 제안하기 위하여, H형 강재의 복부좌굴실험과 유한요소해석을 실시하였다. 본 실험에서는 지하철 공사 현장에서 다년간 대기 노출로 인하여 부식 손상된 주형받침보를 절단한 H형 강재와 부식손상을 모사하기 위하여 인위적으로 복부 하단부의 부식손상 두께와 높이를 달리하여 제작한 H형 강재의 총 13개의 시험체를 사용하였다. 그리고 다양한 하중재하면적 또는 지지단면적을 모사하기 위해, 이들 중 5개의 시험체는 상부플랜지의 상면 전체에 걸쳐 압축하중을 전면재하 하였으며, 나머지 8개는 상부플랜지의 일부분에만 부분적으로 압축하중을 부분재하 하였다. 또한 이들 시험체에 대한 유한 요소해석을 수행하여 실험결과와 비교, 분석하였다. 그 결과, 복부의 부식두께 및 손상높이와 복부좌굴하중과의 상관관계를 정량화하였으며, 평균 부식감소량과 표준편차를 이용하여 H형 강재의 복부좌굴하중 감소계수를 추정할 수 있는 잔존 복부좌굴하중 추정법을 제안하였다.
강구조물의 장기간 사용에 있어 가장 대표적인 노화현상의 하나로 부식손상을 들 수 있다. 그러나 부식 손상된 강재의 지속사용 여부 및 보수 보강 필요 여부를 판단하기 위한 잔존 내하력 평가법이 확립되어 있지 않은 실정이다. 본 연구에서는 부식손상으로 인한 단면결손 또는 두께감소의 정도가 H형 강재의 복부좌굴강도에 미치는 영향을 검토하고 잔존 복부좌굴하중 추정법을 제안하기 위하여, H형 강재의 복부좌굴실험과 유한요소해석을 실시하였다. 본 실험에서는 지하철 공사 현장에서 다년간 대기 노출로 인하여 부식 손상된 주형받침보를 절단한 H형 강재와 부식손상을 모사하기 위하여 인위적으로 복부 하단부의 부식손상 두께와 높이를 달리하여 제작한 H형 강재의 총 13개의 시험체를 사용하였다. 그리고 다양한 하중재하면적 또는 지지단면적을 모사하기 위해, 이들 중 5개의 시험체는 상부플랜지의 상면 전체에 걸쳐 압축하중을 전면재하 하였으며, 나머지 8개는 상부플랜지의 일부분에만 부분적으로 압축하중을 부분재하 하였다. 또한 이들 시험체에 대한 유한 요소해석을 수행하여 실험결과와 비교, 분석하였다. 그 결과, 복부의 부식두께 및 손상높이와 복부좌굴하중과의 상관관계를 정량화하였으며, 평균 부식감소량과 표준편차를 이용하여 H형 강재의 복부좌굴하중 감소계수를 추정할 수 있는 잔존 복부좌굴하중 추정법을 제안하였다.
The most typical deterioration of steel structures is corrosion damage. However, a method to evaluate residual load-carrying capacity of corroded steel structures is not yet established. It is difficult to check current serviceability and safety of the structures. In this study, compressive tests an...
The most typical deterioration of steel structures is corrosion damage. However, a method to evaluate residual load-carrying capacity of corroded steel structures is not yet established. It is difficult to check current serviceability and safety of the structures. In this study, compressive tests and finite element analyses were conducted on H-beams with corroded web. Then, the effect of corrosion damage on web crippling strength and evaluation methods of the web crippling strength are studied. Based on the tests, 4 H-beam specimens used in a subway construction site and 9 H-beam specimens with different web-thickness and damaged-height underwent compression-tests. To consider loading and supporting areas in the site, compressive loading was applied in the entire region of the upper and bottom flange in 5 H-beam specimens and applied partially on the regions of the upper and bottom flange in 8 specimens. The finite element analysis of 38 parametric model specimens simulating different corrosion damages was also carried out. From experimental and analytical results, the relationships between corrosion damages in the web and residual web crippling strength are presented. Factors web crippling strength was reduced are formulated by using residual average thickness and the standard deviation of the corroded web thickness. Also, a simple evaluation method of residual web crippling strength was proposed.
The most typical deterioration of steel structures is corrosion damage. However, a method to evaluate residual load-carrying capacity of corroded steel structures is not yet established. It is difficult to check current serviceability and safety of the structures. In this study, compressive tests and finite element analyses were conducted on H-beams with corroded web. Then, the effect of corrosion damage on web crippling strength and evaluation methods of the web crippling strength are studied. Based on the tests, 4 H-beam specimens used in a subway construction site and 9 H-beam specimens with different web-thickness and damaged-height underwent compression-tests. To consider loading and supporting areas in the site, compressive loading was applied in the entire region of the upper and bottom flange in 5 H-beam specimens and applied partially on the regions of the upper and bottom flange in 8 specimens. The finite element analysis of 38 parametric model specimens simulating different corrosion damages was also carried out. From experimental and analytical results, the relationships between corrosion damages in the web and residual web crippling strength are presented. Factors web crippling strength was reduced are formulated by using residual average thickness and the standard deviation of the corroded web thickness. Also, a simple evaluation method of residual web crippling strength was proposed.
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문제 정의
본 연구에서는 부식손상이 주형보 또는 주형받침보 단부의 좌굴하중에 미치는 영향을 검토하기 위한 기초적 연구로서, 대기 노출에 의해 부식 손상된 H형 강재와 인위적으로 부식손상을 모사한 H형 강재의 복부좌굴실험과 유한요소해석을 실시하였다. 부식손상 정도가 다른 시험체 13개의 좌굴 실험결과 , 부식 손상된 H형 강재의 복부좌굴하중은 복부의 평균 잔존두께와 표준편차에 선형 반비례함을 확인하였다.
그러나 이러한 추정법은 손상 높이비와 잔존두께-좌굴하중감소계수 곡선이 실험적 또는 해석적으로 제시되어 있는 경우에 한하여 적용 가능하다. 이에 본 연구에서는 보다 간편하게 다양한 부식손상정도(부식손상 높이비와 잔존두께)에도 적용 가능한 복부좌굴하중 추정법에 대해 검토한다.
부식 강재의 인장강도는 강재의 표면형상 측정결과로부터 산출된 평균 잔존두께와 표준편차로 계산된 등가유효두께를 이용하여 무부식 강재와 동일하게 추정할 수 있다(장홍주 등, 2009). 본 연구에서는 압축하중을 받는 경우에도 인장강도 추정과 같이 평균 잔존두께와 표준편차를 이용하여 좌굴하중 감소계수를 추정할 수 있는지를 검토한다.
3에서 언급한 것과 같이 본 실험에서 대상으로 한 시험체의 복부좌굴하중은 복부의 잔존 평균두께와 표준편차를 식 (2)에 대입하여 근사적으로 추정할 수 있었다. 본 절에서는 해석결과를 이용하여 해석모델과 같이 다양한 부식손상이 발생한 H형 강재의 복부좌굴하중을 잔존 평균두께와 표준편차를 이용하여 추정할 수 있는지를 검토한다.
본 연구에서는 국부부식에 의해 복부 하부가 부식 손상된 H형 강재의 복부좌굴하중 추정법을 검토하기 위하여 실제 대기환경하에서 부식된 4개의 H형 강재 시험체와 인위적으로 부식 손상을 모사한 9개의 H형 강재 시험체의 복부좌굴실험을 실시하였다. 그리고 복부 하부의 부식손상 정도가 다른 38개의 H 형 강재의 해석모델에 대한 좌굴해석을 실시하였다.
가설 설정
)과 표준편차(S)를 식(2)에 대입하여 추정할 수 있을 것이다. 그리고 이를 무부식 H형 강재의 초기좌굴하중(설계좌굴하중)에 곱하여 좌굴하중을 추정할 수있을 것이다. 또한 본 추정법은 그림 17에 나타낸 것과 같이 하중의 작용범위(전면재하 또는 부분재하)에 상관없이 동일하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
제안 방법
부식손상 정도가 다른 시험체 13개의 좌굴 실험결과 , 부식 손상된 H형 강재의 복부좌굴하중은 복부의 평균 잔존두께와 표준편차에 선형 반비례함을 확인하였다. 그리고 H형 강재의 복부 잔존두께와 부식 손상 높이가 다른 38개의 부식손상 해석모델의 유한요소해석 결과를 이용하여 부식손상 정도에 따른 H형 강재의 복부좌굴하중 변화를 정량화하였다. 마지막으로 실험과 해석결과를 근거로 평균 잔존두께와 표준편차를 이용하여 부식 손상된 H형 강재의 잔존 복부좌굴하중을 추정할 수 있는 추정식을 제안하였다.
그리고 H형 강재의 복부 잔존두께와 부식 손상 높이가 다른 38개의 부식손상 해석모델의 유한요소해석 결과를 이용하여 부식손상 정도에 따른 H형 강재의 복부좌굴하중 변화를 정량화하였다. 마지막으로 실험과 해석결과를 근거로 평균 잔존두께와 표준편차를 이용하여 부식 손상된 H형 강재의 잔존 복부좌굴하중을 추정할 수 있는 추정식을 제안하였다.
기계가공을 실시하지 않고 부식된 주형받침보를 절단하여 그대로 사용한 후술하는 전면재하용과 부분재하용 시험체는 표 1에 각각 AS와 AC, S와 C시험체로 표기하였다. 여기서 AS와 S 시험체는 부식정도가 미미한 주형받침보에서 AC와 C 시험체는 부식정도가 심한 주형받침보를 절단하여 제작하였다.
본 실험에 앞서, 그림 6에 나타낸 것과 같이 다이얼 캘리퍼스(측정정도 0.1mm)를 사용하여 전체 시험체의 복부 높이 방향으로 10mm, 길이 방향으로 60mm 간격으로 복부의 잔존두께를 측정하였다. 측정은 한 개의 측정점당 3회씩 측정하였으며, 그 평균값을 측정점의 평균잔존두께로 하였다.
1mm)를 사용하여 전체 시험체의 복부 높이 방향으로 10mm, 길이 방향으로 60mm 간격으로 복부의 잔존두께를 측정하였다. 측정은 한 개의 측정점당 3회씩 측정하였으며, 그 평균값을 측정점의 평균잔존두께로 하였다. 표 2는 각 시험체 복부의 평균잔존두께를 전면재하와 부분재하로 구분하여 나타내었다.
이에 본 실험에서는 이를 고려하여 다양한 지지면적에 따른 복부좌굴하중의 정량적 평가를 위하여 하중재하 면적에 따라 H형강의 상·하부 플랜지 전면에 하중을 재하하는 전면재하 방식과 상·하 플랜지의 단부로부터 길이 300mm 중 50mm 범위에만 하중을 재하하는 부분재하 방식으로 나누어 압축하중을 재하 하였다.
시험체 복부의 초기 변형값 측정은 먼저 그림 7에 나타낸 것과 같이 실험 전 시험체 단면을 사진촬영 한 후, 그 이미지 파일을 실제 스케일로 확대하였다. 그리고 복부의 상부와 하부 두께 1/2지점을 서로 연결한 직선과 복부 높이 1/2지점의 두께 1/2지점과의 거리를 측정하였다. 동일 시험체에 대해 이미지 처리와 거리측정을 3회 반복 실시하여 얻어진 거리의 평균 값을 초기 변형값으로 하였다.
그리고 복부의 상부와 하부 두께 1/2지점을 서로 연결한 직선과 복부 높이 1/2지점의 두께 1/2지점과의 거리를 측정하였다. 동일 시험체에 대해 이미지 처리와 거리측정을 3회 반복 실시하여 얻어진 거리의 평균 값을 초기 변형값으로 하였다.
5mm/min의 속도로 재하 하였다. 그리고 시험체의 수평변위 및 변형률을 측정하기 위하여, 전면 재하 시험체의 경우에는 그림 8과 같이 복부 높이의 1/2과 기계가공 높이의 1/2 위치에 LVDT와 변형률게이지를 설치하였다. 그리고 부분재하 시험체의 경우에는 그림 9와 같이 단부로부터 25mm 떨어진 복부 높이와 기계가공높이 1/2의 위치에 LVDT와 변형률게이지를 설치하였다.
본 실험에 사용된 강재의 재료 물성치를 확인하기 위해서 앞의 시험체 제작에 사용된 2개의 주형받침보의 플랜지로부터 부식강판을 각각 1개씩 절취한 후, 그림 11과 같이 밀링 가공 하여 제작한 두께 13mm의 무부식 인장시편(KS B 0801 1A호) 2개의 인장실험을 실시하였다. 인장실험결과, 그림 12에 나타낸 것과 같이 두 개의 인장시편의 평균항복응력은 315MPa, 평균극한응력은 약 452MPa이었다.
3에서 기술한 바와 같이 복부 하부의 잔존 두께와 손상 높이는 복부(웨브) 좌굴하중을 결정하는 중요한 요소 중의 하나임을 알 수 있다. 본 절에서는 상용 유한요소 해석프로그램인 ABAQUS를 사용하여 시험체와 이에 추가하여 복부 하부의 잔존두께(Td)를 5, 7, 9mm로 하고 손상높이(Hd)를 30, 50,70,140,202mm로 변화시킨 H형 강재의 복부좌굴하 중을 계산하였다. 그리고 실험에서 사용한 시험체에 부식손상이 발생하지 않은 경우의 초기 좌굴하중과 전면부식에 의해 복부두께가 복부 전체 높이 404mm에 걸쳐 일정하게 부식된 경우를 고려하기 위하여 복부의 두께가 5,7,9,11mm인 H형강재의 복부좌굴하중도 계산하였다.
본 절에서는 상용 유한요소 해석프로그램인 ABAQUS를 사용하여 시험체와 이에 추가하여 복부 하부의 잔존두께(Td)를 5, 7, 9mm로 하고 손상높이(Hd)를 30, 50,70,140,202mm로 변화시킨 H형 강재의 복부좌굴하 중을 계산하였다. 그리고 실험에서 사용한 시험체에 부식손상이 발생하지 않은 경우의 초기 좌굴하중과 전면부식에 의해 복부두께가 복부 전체 높이 404mm에 걸쳐 일정하게 부식된 경우를 고려하기 위하여 복부의 두께가 5,7,9,11mm인 H형강재의 복부좌굴하중도 계산하였다.
3으로 하였다. 그리고 항복응력은 인장실험결과(315MPa)를 사용하였다.
표 6에 나타낸 것과 같이 부식 손상높이(Hd)와 잔존두께(Td)를 변화시킨 38개의 해석모델에 대해 복부좌굴하중을 계산하였다. 그림 22에 전면재하와 부분재하에 대한 해석모델의 좌굴형상을 나타내었다.
조밀단면과 비조밀단면에 따른 좌굴형상을 비교하기 위하여 해석모델을 조밀단면과 비조밀단면으로 분류하였다(한국강구조학회, 2008). 그 결과 전면재하의 T5와 AH202T5, 부분재하의 T5와 H202T5의 해석모델이 비조밀단면이며, 나머지는 조밀단면이었다.
본 연구에서 실제 대기 노출에 의해 부식된 4개의 시험체와 인위적으로 부식손상을 모사한 9개의 시험체 그리고 부식손상을 모사한 38개의 해석모델에 대한 실험 및 해석 결과를 토대로 전면재하와 부분재하와 같은 하중 작용면적에 상관없이 표면형상 측정을 통해 부식 손상된 H형 강재의 잔존 복부좌굴하중을 간편하게 추정할 수 있는 추정법을 제시하였다. 향후 실제 강구조물에 직접 적용하기 위해서는 플랜지 강성, 플랜지 두께와 복부의 두께비, 보강재의 효과 등을 고려한 추가적인 실험 및 해석을 실시하여 식(3)의 적용성에 대한 검증이 필요하다고 판단된다.
본 연구에서는 국부부식에 의해 복부 하부가 부식 손상된 H형 강재의 복부좌굴하중 추정법을 검토하기 위하여 실제 대기환경하에서 부식된 4개의 H형 강재 시험체와 인위적으로 부식 손상을 모사한 9개의 H형 강재 시험체의 복부좌굴실험을 실시하였다. 그리고 복부 하부의 부식손상 정도가 다른 38개의 H 형 강재의 해석모델에 대한 좌굴해석을 실시하였다. 실험과 해석에서의 하중재하는 실제 구조물의 하중 재하 상태를 모사하기 위하여 상부플랜지 상면과 하부플랜지 하면의 전면에 압축하중이 재하되는 전면재하와 일부분에 압축하중이 재하되는 부분재하의 두 가지 하중상태를 고려하였다.
그리고 복부 하부의 부식손상 정도가 다른 38개의 H 형 강재의 해석모델에 대한 좌굴해석을 실시하였다. 실험과 해석에서의 하중재하는 실제 구조물의 하중 재하 상태를 모사하기 위하여 상부플랜지 상면과 하부플랜지 하면의 전면에 압축하중이 재하되는 전면재하와 일부분에 압축하중이 재하되는 부분재하의 두 가지 하중상태를 고려하였다.
이들 11개의 시험체 중에서 9개는 그림 5에 나타낸 것과 같이 하부 플랜지로부터 각각 30, 50, 70, 202mm(이하 가공 높이라 칭함)까지 밀링 가공하여 가공부의 잔존 두께를 7mm 또는 9mm로 하였다. 나머지 2개의 시험체(표 1의 AS와 S 시험체)는 기계가공을 하지 않았다.
대상 데이터
본 실험에서 사용한 시험체는 지하철 공사현장에서 약 6년간 가시설 강부재로 사용된 주형받침보(규격: 440×300×11×18 mm, 강종: SS400재)를 이용하였다.
본 실험에서 사용한 시험체는 지하철 공사현장에서 약 6년간 가시설 강부재로 사용된 주형받침보(규격: 440×300×11×18 mm, 강종: SS400재)를 이용하였다. 먼저 지하철 현장에서 부식정도가 미미한 주형받침보 2개와 상대적으로 부식 정도가 심한 주형받침보 1개를 선정하였다. 그리고 그림 4에 나타낸 것과 같이 부식정도가 미미한 주형받침보를 길이 300mm로 절단하여 11개의 시험체를 1차 제작하였다.
먼저 지하철 현장에서 부식정도가 미미한 주형받침보 2개와 상대적으로 부식 정도가 심한 주형받침보 1개를 선정하였다. 그리고 그림 4에 나타낸 것과 같이 부식정도가 미미한 주형받침보를 길이 300mm로 절단하여 11개의 시험체를 1차 제작하였다.
나머지 2개의 시험체(표 1의 AS와 S 시험체)는 기계가공을 하지 않았다. 그리고 부식정도가 심한 주형받침보에서 길이 300mm로 절단하여 시험체 2개(표 1의 AC와 C 시험체)를 제작하여 총 13개의 시험체를 제작하였다. 본 실험에 사용한 총 13개의 시험체 상세(시험체명, 가공높이, 잔존두께)는 표 1에 정리하였다.
그리고 부식정도가 심한 주형받침보에서 길이 300mm로 절단하여 시험체 2개(표 1의 AC와 C 시험체)를 제작하여 총 13개의 시험체를 제작하였다. 본 실험에 사용한 총 13개의 시험체 상세(시험체명, 가공높이, 잔존두께)는 표 1에 정리하였다.
본 실험에서는 복부 상·하부의 잔존 두께의 차이로 일부 시험체에서는 잔존 두께가 작은 복부 하부에서 국부좌굴이 발생할 것으로 예상하였다.
해석에는 3차원 Solid 요소를 사용하였으며, 전면재하와 부분재하의 해석 모델과 해석 조건은 각각 표4와 그림 18과 같다. 하중은 앞의 압축실험과 동일하게 전면재하 또는 부분 재하로 하였으며, 경계조건은 하부플랜지 하면을 완전고정, 상부플랜지 상면을 연직방향(하중작용방향) 변위를 제외하고 모두 구속시켰다.
좌굴해석에 사용한 재료상수는 표 4에 나타낸 것과 같이 탄성계수는 205GPa, 포아송비는 0.3으로 하였다. 그리고 항복응력은 인장실험결과(315MPa)를 사용하였다.
데이터처리
잔존 평균두께는 복부의 초기 두께 11mm에서 각 시험체의 평균잔존두께(기계가공부의 잔존 평균두께 포함)를 빼고 난 후의 복부 평균두께감소량을 나타낸다. 그리고 표준편차는 전체 측정점의 평균잔존두께의 표준편차로 하였다.
성능/효과
본 연구에서는 부식손상이 주형보 또는 주형받침보 단부의 좌굴하중에 미치는 영향을 검토하기 위한 기초적 연구로서, 대기 노출에 의해 부식 손상된 H형 강재와 인위적으로 부식손상을 모사한 H형 강재의 복부좌굴실험과 유한요소해석을 실시하였다. 부식손상 정도가 다른 시험체 13개의 좌굴 실험결과 , 부식 손상된 H형 강재의 복부좌굴하중은 복부의 평균 잔존두께와 표준편차에 선형 반비례함을 확인하였다. 그리고 H형 강재의 복부 잔존두께와 부식 손상 높이가 다른 38개의 부식손상 해석모델의 유한요소해석 결과를 이용하여 부식손상 정도에 따른 H형 강재의 복부좌굴하중 변화를 정량화하였다.
본 실험에 사용된 강재의 재료 물성치를 확인하기 위해서 앞의 시험체 제작에 사용된 2개의 주형받침보의 플랜지로부터 부식강판을 각각 1개씩 절취한 후, 그림 11과 같이 밀링 가공 하여 제작한 두께 13mm의 무부식 인장시편(KS B 0801 1A호) 2개의 인장실험을 실시하였다. 인장실험결과, 그림 12에 나타낸 것과 같이 두 개의 인장시편의 평균항복응력은 315MPa, 평균극한응력은 약 452MPa이었다.
그림 16에 나타낸 것과 같이 전면재하의 AH30T7 시험체와 부분재하의 H50T9 시험체를 제외하면 복부좌굴하중은 손상 높이비가 증가할수록 감소함을 알 수 있다. 그리고 부식손상부의 잔존두께(Td)가 7mm로 동일한 전면재하와 부분재하 시험체의 복부좌굴하중을 비교하면 부분재하의 경우에 손상 높이비에 대한 복부좌굴하중 감소가 더 크게 발생하였으며, 손상 높이비가 0.5인 경우에는 이와 반대로 전면재하에서 더 큰 복부좌굴하중 감소가 발생하였다. 이와 같이 부식 손상된 H형 강재의 복부좌굴하중감소 또는 복부좌굴하중은 실험을 통해 산출되는 부식손상 높이비와 잔존두께를 이용하여 추정할 수 있을 것이다.
그리고 AH70T7 시험체와 H50T9 시험체의 좌굴형상및 복부좌굴하중-수평변위를 각각 그림 19와 20에 나타내었다. 전 시험체의 실험과 해석으로부터 얻어진 좌굴형상 및 복부좌굴하중-수평변위는 비교적 잘 일치하였다.
전면재하의 경우에는 실험값에 대한 해석값의 오차율이-11.9∼14.9%로 나타났으며, 부분재하의 경우에는 실험값에 대한 해석값의 오차율이 9.0∼34.1%로 전면재하에 비해 비교적 큰 오차율을 보였다.
그림 22에 전면재하와 부분재하에 대한 해석모델의 좌굴형상을 나타내었다. 먼저, 전면재하의 경우에는 그림 22(a)에 나타낸 것과 같이, 좌굴은 주로 복부 높이의 1/2지점 부근을 기점으로 전체좌굴(1차모드)이 발생하였으며, 부식 손상높이가 증가함에 따라 좌굴발생 위치(최대수평변위가 발생한 위치)는 조금씩 복부 하부로 이동하는 경향을 보였다. 그러나 AH140T7과 AH70T5는 복부 두께가 변하는 부분을 기점으로 좌굴이 발생하였으며, AH202T7, AH140T5, AH202T5에서는 부식손상 높이의 1/2위치를 기점으로 한 국부좌굴형상을 나타내었다.
조밀단면과 비조밀단면에 따른 좌굴형상을 비교하기 위하여 해석모델을 조밀단면과 비조밀단면으로 분류하였다(한국강구조학회, 2008). 그 결과 전면재하의 T5와 AH202T5, 부분재하의 T5와 H202T5의 해석모델이 비조밀단면이며, 나머지는 조밀단면이었다. 전술한 바와 같이, 전면재하와 부분재하의 T5는 복부 높이이의 1/2지점을 기점으로 한 전체좌굴형상을 그리고 AH202T5, H202T5는 부식 높이 내에서 국부좌굴이 발생하였지만, 조밀단면과 비조밀단면에 따른 명확한 좌굴형상의 차이는 보이지 않았다.
전면재하와 부분재하의 부식손상 높이비에 따른 복부좌굴하 중감소를 비교하면, 잔존두께 9, 7mm에서는 오차율이 0.88∼-4.26%로 거의 동일하고, 5mm에서는 부식높이 70mm 이상에서 오차율이 9.85∼20.33%로 전면재하의 경우가 부분재하에 비해 상대적으로 큰 복부좌굴하중 감소가 발생하였다.
그림에 나타낸 것과 같이 잔존두께가 9mm인 경우, 부식 손상높이비가 증가함에 따라 복부좌굴하중이 점차적으로 감소함을 알 수 있다. 그리고 잔존 두께가 9, 7, 5mm의 순으로 감소함에 따라 동일 손상 높이비에 대한 복부좌굴하중의 감소도 증가하였다. 그리고 잔존두께 7, 5mm의 경우, 손상 높이비가 0.
(3) 부식 손상된 H형 강재의 좌굴하중감소계수 Ψd(부식 강재의 복부좌굴하중/무부식 강재의 복부좌굴하중)는 아래 식과 같이 복부의 평균 부식두께(Tloss-mean)와 표준편차(S)로 정식화할 수 있었다.
(1) 좌굴실험결과, 좌굴은 복부의 부식 손상두께와 손상높이에 상관없이 복부 높이의 1/2 위치 부근을 기점으로 발생하였으며, 좌굴형상은 1차 모드로 나타났다.
(2) 좌굴실험결과, 복부좌굴하중은 복부의 평균두께감소량과 표준편차의 합이 증가함에 따라 선형적으로 감소하는 경향을 보였다.
후속연구
전면부식의 경우, 부식에 의해 발생하는 표면의 요철은 판 두께에 비교하여 작으므로, 기본적으로 판 두께가 일정한 등단면 강부재로 가정하여 내하력을 평가하는 것이 가능하다고 생각된다. 그리고 부식에 의해 단면이 연속적으로 일정하게 변하는 단면과 계단식 변단면과 같이 단면의 변화가 일정하며 그 변화 빈도가 적은 경우에도 기존의 연구결과(황원섭 등, 2003; 日本建築學會, 2009)를 응용하여 부재의 내하력(좌굴강도)을 평가할 수 있을 것이다. 그러나 국부부식과 같이 부식손상에 의해 표면의 요철이 심한 불규칙 변단면의 경우에는 표면형상 및 단면(또는 두께)감량이 부재의 내하력에 미치는 영향에 대해서는 정량화 되어 있지 않은 실정이다.
5인 경우에는 이와 반대로 전면재하에서 더 큰 복부좌굴하중 감소가 발생하였다. 이와 같이 부식 손상된 H형 강재의 복부좌굴하중감소 또는 복부좌굴하중은 실험을 통해 산출되는 부식손상 높이비와 잔존두께를 이용하여 추정할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 추정법은 손상 높이비와 잔존두께-좌굴하중감소계수 곡선이 실험적 또는 해석적으로 제시되어 있는 경우에 한하여 적용 가능하다.
그리고 이를 무부식 H형 강재의 초기좌굴하중(설계좌굴하중)에 곱하여 좌굴하중을 추정할 수있을 것이다. 또한 본 추정법은 그림 17에 나타낸 것과 같이 하중의 작용범위(전면재하 또는 부분재하)에 상관없이 동일하게 적용할 수 있을 것으로 판단된다.
951로 높은 상관성이 있음을 알 수 있다. 그리고 복부좌굴하중은 해석에 의해 다소 안전측으로 평가되는 경향이 있으므로, 본 연구의 해석모델과 해석조건을 사용하여 다양한 형태의 부식손상을 가지는 H형 강재의 복부좌굴하중을 해석적으로 추정할 수 있을 것으로 판단된다.
따라서 부식 손상된 H형 강재의 복부좌굴하중은 하중재하 형태에 따라 전면재하와 부분재하로 분류하여, 그림 24에 나타낸 것과 같이 잔존두께와 부식손상높이를 측정하여 좌굴하중감소 계수를 산출한 다음, 이를 무부식 H형 강재의 초기좌굴하중(설계좌굴하중)에 곱하여 추정할 수 있을 것이다. 그리고 전술한 바와 같이 상대적으로 더 큰 좌굴하중감소가 발생하는 그림 24의 전면재하에 대한 부식높이비-좌굴하중감소계수 곡선을 이용하여, 전면재하와 부분재하와 같이 하중 작용 면적에 상관없이 부식 손상된 H형강재의 복부좌굴하중을 근사적으로 추정할 수 있을 것이다.
본 연구에서 실제 대기 노출에 의해 부식된 4개의 시험체와 인위적으로 부식손상을 모사한 9개의 시험체 그리고 부식손상을 모사한 38개의 해석모델에 대한 실험 및 해석 결과를 토대로 전면재하와 부분재하와 같은 하중 작용면적에 상관없이 표면형상 측정을 통해 부식 손상된 H형 강재의 잔존 복부좌굴하중을 간편하게 추정할 수 있는 추정법을 제시하였다. 향후 실제 강구조물에 직접 적용하기 위해서는 플랜지 강성, 플랜지 두께와 복부의 두께비, 보강재의 효과 등을 고려한 추가적인 실험 및 해석을 실시하여 식(3)의 적용성에 대한 검증이 필요하다고 판단된다.
따라서 부식 손상된 H형강의 잔존 복부좌굴하중은 먼저 복부의 표면형상을 측정하여 산출한 평균 부식두께(Tloss-mean)와 표준편차(S)를 위의 식에 대입하여 좌굴하중감소계수를 계산한 다음, 이를 무부식 H형 강재의 초기좌굴하중(설계좌굴하중)에 곱하여 추정할 수 있을 것이다.
본 연구는 국부부식 손상이 강재의 복부좌굴하중에 미치는 영향을 검토하고 복부좌굴하중 추정법을 제안하기 위한 기초적 연구로서, 실제 강구조물의 복부좌굴하중 추정에 적용하기 위해서는 플랜지 강성, 플랜지 두께와 복부의 두께비, 보강재 효과, 하부플랜지 부식정도 등을 고려한 추가적인 실험적 및 해석적 연구가 필요하다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강구조물의 부식손상을 방지하기 위해 현재 어떤 처리를 하고 있는가?
강구조물의 장기간 사용에 있어 가장 대표적인 노화현상의 하나로 부식손상을 들 수 있다. 이러한 부식손상을 방지하기 위하여 강구조물은 주로 도장에 의해 방식처리 되고 있지만, 사용연수의 증가에 따라 도막이 열화되고 부식손상이 발생한다(日本土木學會, 1996). 그러므로 강구조물은 주기적인 재도장을 포함한 정기적인 유지관리가 필요하며, 이를 소홀히 할 경우 부식손상이 발생하게 된다(日本鋼構造協會, 2002).
강구조물의 장기간 사용에 있어 가장 대표적인 노화현상의 하나는 무엇인가?
강구조물의 장기간 사용에 있어 가장 대표적인 노화현상의 하나로 부식손상을 들 수 있다. 이러한 부식손상을 방지하기 위하여 강구조물은 주로 도장에 의해 방식처리 되고 있지만, 사용연수의 증가에 따라 도막이 열화되고 부식손상이 발생한다(日本土木學會, 1996).
부식 손상된 강부재의 지속 사용 여부 및 보수·보강 필요 여부를 판단하기 위해서는 부식 강재의 잔존 내하력 평가법을 확립할 필요가 있다고 본 이유는?
그리고 부식에 의해 단면이 연속적으로 일정하게 변하는 단면과 계단식 변단면과 같이 단면의 변화가 일정하며 그 변화 빈도가 적은 경우에도 기존의 연구결과(황원섭 등, 2003; 日本建築學會, 2009)를 응용하여 부재의 내하력(좌굴강도)을 평가할 수 있을 것이다. 그러나 국부부식과 같이 부식손상에 의해 표면의 요철이 심한 불규칙 변단면의 경우에는 표면형상 및 단면(또는 두께)감량이 부재의 내하력에 미치는 영향에 대해서는 정량화 되어 있지 않은 실정이다. 따라서, 부식 손상된 강부재의 지속 사용 여부 및 보수·보강 필요 여부를 판단하기 위해서는 부식 강재의 잔존 내하력 평가법을 확립할 필요가 있다.
TAMAKOSHI, T., NAKASU, K., ISHIO, M., and SUIZU, N. (2006) Research on local corroision of highway steel bridge, Technical Note of National Institute for Lane and Infrastructure Management, No. 294, Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Japan.
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