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문제 정의
- 본 연구에서는 동적 유한요소해석프로그램을 이용하여 용접이음부의 잔류응력이 동적하중을 받는 강관의 휨모멘트 응답에 미치는 영향에 대해 파악하였다. 3차워 비정상 열전도 해석 및 3차원 열탄소성 해석을 수행하여 강관 용접이음부의 잔류응력 분포를계산하였다.
- 본 연구에서는 용접이음부의 잔류응력이 동적하중을 받는 강관의 휨모멘트 응답에 미치는 영향에대해 파악하기 위하여 동적 유한요소해석프로그램을이용한 구조해석을 수행하였다. 3차워 용접해석을통하여 용접강관들의 잔류응력을 해석하였다.
- 본 연구에서는 용접해석을 통하여 강관 용접이음부의 잔류응력 분포를 파악하였다. 두 개의 일반구조용 탄소강관을 대상으로 연구를 수행하였다.
가설 설정
- 강관이음부 용접접합에는 2패스 그루부 완전용입용접 (Complete Joint Penetration groove weld, CJP) 공정을 가정하였으며, 용접조건은에 나타내었다.
- 강관부재들의 길이는 동일하게 1, 600mm로 적용하였다.<그림 1>에 보인바와 같이 800mm 단일강관부재들이 용접을 통하여 길이 1, 600mm 용접강관으로 접합됨을 가정하였다.
제안 방법
- 2) 재하속도에 따른 동적해석결과, 재하속도가 증가함에 따라 용접 및 일반강관의 모멘트응답도증가하였다. 변형률 속도의존 경화효과(strain -rate hardening) 7]- 용접 및 일반강관의 동적거동에 영향을 미친 것으로 판단되며, 용접강관의 모멘트는 잔류응력의 영향으로 일반강관의모멘트 보다 낮은 수준을 나타내었다.
- 3차워 비정상 열전도 해석 및 3차원 열탄소성 해석을 수행하여 강관 용접이음부의 잔류응력 분포를계산하였다. 용접해석에서는 온도에 따른 강재의 물리정수 및 기계적 제성질을 각각 고려하였다.
- 구조해석을 수행하였다. 3차워 용접해석을통하여 용접강관들의 잔류응력을 해석하였다. 그리고 동적소성모델을 고려한 3차원 유한요소해석을 통하여 용접강관 및 일반강관의 모멘트-곡률 거동을비교하여 용접강관 동적거동을 파악하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 3차원 비정상 열전도해석을 수행하여 온도이력을 계산 한 후, 계산된 온도이력에 기초한 3차원 열탄소성 해석을 수행하여 이음부의 잔류응력을 계산하였다. 용접해석에서는 강관재료인 SKT490강재의기계적 성질 및 물리정수의 온도의존성을<그림 2> 에 보인바와 같이 고려하였다 9).
- 강관 용접이음부의 잔류응력은 3차원 비정상 열전도 해석 및 3차원 열탄소성 해석을 통하여 계산하였다. 3차원 비정상 열전도해석을 수행하여 온도이력을 계산 한 후, 계산된 온도이력에 기초한 3차원 열탄소성 해석을 수행하여 이음부의 잔류응력을 계산하였다.
- 3차워 용접해석을통하여 용접강관들의 잔류응력을 해석하였다. 그리고 동적소성모델을 고려한 3차원 유한요소해석을 통하여 용접강관 및 일반강관의 모멘트-곡률 거동을비교하여 용접강관 동적거동을 파악하였으며, 그 결과는 다음과 같다.
- 수행하였다. 동적변형상태에서의 응력-변형률 관계를 정식화한 동적소성모델을 이용하여 재하속도에 따른 강관의 모멘트 응답거동을 예측하였다.
- 정 . 동적하중은 변형속도에 기초하여 0.001, 0.1, 10, 1000 mm/sec로 각각 재하하였다.
- 3점 휨해석을 수행하기 위해 강관양단부 중앙지 점에 단순지지조건을 적용하였으며 , 강관 중앙지점에 정 . 동적하중을 제하하여 3점 휨조건(Three-point Bending Condition)을 구현하였다. 정 .
- 그리고 잔류응력을 고려하지 않은 강관의 동적해석 결과를 용접강관의 해석결과와 비교하였다. 동적해석 비교결과를 통하여 용접이음부의 잔류응력이 동적변형중인 강관의휨모멘트 거동에 미치는 영향에 대해 파악하였다.
- 본 장에서는 동적소성모델이 적용된 유한요소해석프로그램을 이용하여 재하속도에 따른 용접강관의 구조해석을 수행하였다. 동적변형상태에서의 응력-변형률 관계를 정식화한 동적소성모델을 이용하여 재하속도에 따른 강관의 모멘트 응답거동을 예측하였다.
- 용접해석에서는 강관재료인 SKT490강재의기계적 성질 및 물리정수의 온도의존성을 에 보인바와 같이 고려하였다 9).
- 3차워 비정상 열전도 해석 및 3차원 열탄소성 해석을 수행하여 강관 용접이음부의 잔류응력 분포를계산하였다. 용접해석에서는 온도에 따른 강재의 물리정수 및 기계적 제성질을 각각 고려하였다. 해석된잔류응력을 고려한 용접강관의 동적 구조해석을 수행하였다.
- 해석된잔류응력을 고려한 용접강관의 동적 구조해석을 수행하였다. 재하속도(Loading Rate)을 변수로 흐]였으며 동적변형중 강재의 응력-변형률 응답특성을 일반화한 동적소성모델(Visco-plastic constitutive model) 을 고려한 구조해석을 수행하였다. 그리고 잔류응력을 고려하지 않은 강관의 동적해석 결과를 용접강관의 해석결과와 비교하였다.
- 동적소성모델은 동적변형중인 구조용강재의 응력-변형률 관계를 변형률 속도(Strain Rate)와 온도(Temperature) 의 함수로 표현한 재료모델로 본 연구에서는 저자에의해 제안된 동적소성모델을 적용하였다. 제안된 동적소성모델에는 변형률 속도 증가로 인한 경화현상 (Hardening Effect)과 동적변형중 발생하는 열로 인한 연화현상(Thermal Softening) 을 포함하고 있다. 동적 변형중인 강재의 유동응력 (Flow Stress)를계산하는 동적소성모델은 식(1)과 같다
- 용접해석에서는 온도에 따른 강재의 물리정수 및 기계적 제성질을 각각 고려하였다. 해석된잔류응력을 고려한 용접강관의 동적 구조해석을 수행하였다. 재하속도(Loading Rate)을 변수로 흐]였으며 동적변형중 강재의 응력-변형률 응답특성을 일반화한 동적소성모델(Visco-plastic constitutive model) 을 고려한 구조해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 두 개의 일반구조용 탄소강관을 대상으로 연구를 수행하였다. 강관부재는 일반적으로 사용되는 318.5mm(외경)X6.4mm (두께)인 Q 318.5X6 4 강^과 406.45mm(외경) x9.5mm (두께)인 0 406.4X9.5 강관을 연구대상으로 하였다. (KS D 3780).
- 5 강관들의 형상과 유한요소 모델링을 보이고 있다. 강관부재들의 길이는 동일하게 1, 600mm로 적용하였다.<그림 1>에 보인바와 같이 800mm 단일강관부재들이 용접을 통하여 길이 1, 600mm 용접강관으로 접합됨을 가정하였다.
- 잔류응력 분포를 파악하였다. 두 개의 일반구조용 탄소강관을 대상으로 연구를 수행하였다. 강관부재는 일반적으로 사용되는 318.
데이터처리
- 재하속도(Loading Rate)을 변수로 흐]였으며 동적변형중 강재의 응력-변형률 응답특성을 일반화한 동적소성모델(Visco-plastic constitutive model) 을 고려한 구조해석을 수행하였다. 그리고 잔류응력을 고려하지 않은 강관의 동적해석 결과를 용접강관의 해석결과와 비교하였다. 동적해석 비교결과를 통하여 용접이음부의 잔류응력이 동적변형중인 강관의휨모멘트 거동에 미치는 영향에 대해 파악하였다.
- 제안하였다. 실험결과와 비교하여 그 정도 및타당성을 검증받았다.
이론/모형
- 동적소성모델은 동적변형중인 구조용강재의 응력-변형률 관계를 변형률 속도(Strain Rate)와 온도(Temperature) 의 함수로 표현한 재료모델로 본 연구에서는 저자에의해 제안된 동적소성모델을 적용하였다. 제안된 동적소성모델에는 변형률 속도 증가로 인한 경화현상 (Hardening Effect)과 동적변형중 발생하는 열로 인한 연화현상(Thermal Softening) 을 포함하고 있다.
- 정식화된 동적 소성 모델은 유한변위이론에 기초한 3 차원 탄소성 유한요소해석 프로그램에 적용하였다 12).<그림 5>는 본 연구에 사용된 동적구조해석 프로그램 검증을 위해 인장강도 490M任a강재 해석과 실험을 비교한 결과이다场 동적실험은 환형시편을 이용하였으며, 실험시편 및 해석모델의 형상은<그림 5>에보이고 있다.
성능/효과
- 1) S7X490 용접강관 용접해석결과, 강관의 원주방향 잔류응력은 용접이음부 부근에서 약 400MPa 이상의 높은 인장응력이 발생하였다. 그리고 축방향 잔류응력은 용접 Shrinkage의 영향으로 용접이음부 내측에서는 인장응력이 이음부 외측에서는 압축응력이 서로 상반되게 발생하였다.
- 3) 잔류응력 영향에 의한 용접-일반강관 최대모멘트 차이는 재하속도가 증가함에 따라 점차감소하였다. 이와 같은 모멘트 응답특성은 용접강관의 동적변형 메커니즘이 잔류응력보다는 변형률속도에 좀 더 의존하고 있음을 보이고 있다.
- 001mm/sec 변형속도에서 148kN, m의 최대모멘트가 1000mm/sec 변형속도에서는 164kN・m의 최대모멘트가 선형적으로 증가하며 발생하였다. 그리고 9 318.5X6.4 강관과 동일하게 용접강관과 일반강관의 최대모멘트차이는 변형속도가 증가함에 따라 선형적으로 감소하였으며 lOOOmm/sec 변형속도에서는 약 2kN- m 의 최대모멘트 차이가 발생하였다.
- 이와 같은최대모멘트 거동특성은 SKT490강재의 변형률속도에 의존한 경화현상으로 판단된다. 그리고 용접 및일반강관의 최대모멘트 차이는 재하속도가 증가할수록 점차 선형적으로 감소하는 경향을 보였다. 이와같은 최대모멘트 차이 감소현상은 재하속도, 즉 변형속도가 증가함에 따라 용접강관의 거동은 용접이음부의 잔류응력이 대상강관의 거동에 미치는 영향보다 변형률 속도의 의존한 경화현상이 더 의존하는것으로 판단된다.
- 001mm/sec 변형속도에서 95kN・m의 최대모멘트가 lOOOmm/sec 변형속도에서는 106kN・m의 최대모멘트가 발생하였다. 그리고 용접강관과 일반강관의 최대모멘트 차이는 변형속도가 증가함에 따라 거의 선형적으로 감소하는 경향을 보이고 있으며 1000mm/sec 변형속도에서는 약 IkNm의 최대모멘트 차이가 발생하였다.
- 동적 해석결과를 통하여 용접이음부를 가진강관은 일반강관에 비해 잔류응력의 영향으로 상대적으로 낮은 모멘트 응답특성을 보이고 있으며 항복점 부근에서 최대 모멘트차이가 발생함을 알 수 있었다. 그리고 이후, 곡률이 증가함에 따라 용접이음부의 잔류응력에 의한 모멘트차이는 점차 감소하는경향을 보였다. 이와 같은 모멘트 분포특성은 잔류응력의 자가평행(self-equilibrating)특성으로 인하여 하중이 증가함에 따라 용접이음부의 잔류응력이대상구조물의 모멘트 응답에 미치는 영향이 점차 감소한 것으로 판단된다.
- 4 용접강관의 유사한 정성적 잔류응력 분포특성을 보이고 있다. 내측 원주방향응력은 421M頂a의인장응력이 발생하였으며, 내측 축방향응력은 173MPa 의 인장응력이 발생하였다. 외측잔류응력의 경우, 원주방향성분은 327MPa의 인장응력이 발생하였으며 축방향응력은 163MPa의 압축응력이 발생하였다.
-
동적 하중을 받는 강관의 최대모멘트 변화를 정량적으로 검토하기 위해, 에 보인바와 같이 일반-용접 강관의 최대모멘트를 비교하였다, 에 보인바와 같이
- 정. 동적 해석결과를 통하여 용접이음부를 가진강관은 일반강관에 비해 잔류응력의 영향으로 상대적으로 낮은 모멘트 응답특성을 보이고 있으며 항복점 부근에서 최대 모멘트차이가 발생함을 알 수 있었다. 그리고 이후, 곡률이 증가함에 따라 용접이음부의 잔류응력에 의한 모멘트차이는 점차 감소하는경향을 보였다.
- 이와 같은 모멘트 분포특성은 잔류응력의 자가평행(self-equilibrating)특성으로 인하여 하중이 증가함에 따라 용접이음부의 잔류응력이대상구조물의 모멘트 응답에 미치는 영향이 점차 감소한 것으로 판단된다. 또한, 재하속도가 증가함에따라 일반강관과 용접강관의 모멘트 최대차이가 점차 감소하는 경향을 보이고 있으며, 변형속도가 점차 동적상태로 증가함에 따라 용접이음부의 잔류응력이 용접강관의 모멘트 응답에 미치는 영향이 감소한 것으로 판단된다.
- 4강관과 유사한 모멘트-곡률 응답거동을 보이고 있다. 모든 재하속도에서 일반강관의휨강성 및 모멘트가 용접강관의 모멘트에 비해 높은수준을 나타내었으며, 항복점 부근에서 모멘트 최대차이가 발생하였다.<그림 9>는 0 318.
- 4 일반강관(Seamless Pipe) 및 용접강관(Welded Pipe) 의 저항모멘트(Resistance Moment)를 파악하기위해 모멘트-곡률 응답곡선을 비교하고 있다. 모든 해석결과에서 용접강관이 일반강관에 비해 낮은 수준의 휨강성 (Rotational Stiffness) 및 모멘트(Flow Moment) 분포를 보이고 있다. 이러한 정성적 휨모멘트-곡률 분포경향은 모든 재하속도에서 동일하게 나타나고 있다.
- 변형률 속도의존 경화효과(strain -rate hardening) 7]- 용접 및 일반강관의 동적거동에 영향을 미친 것으로 판단되며, 용접강관의 모멘트는 잔류응력의 영향으로 일반강관의모멘트 보다 낮은 수준을 나타내었다.
- <그림 5>는 본 연구에 사용된 동적구조해석 프로그램 검증을 위해 인장강도 490M任a강재 해석과 실험을 비교한 결과이다场 동적실험은 환형시편을 이용하였으며, 실험시편 및 해석모델의 형상은<그림 5>에보이고 있다.<그림 5>에 보이는 바와 같이 변형률속도에 따른 실험-해석 비교결과, 초기변형률(0.05이하)에서는 미소한 차이가 발생하지만 이후, 응력-변형률 곡선에서는 실험데이터대비 해석곡선이 약 95% 이상 일치하고 있음을 있음을 알 수 있다. 즉 본 연구에 사용된 동적해석프로그램은 SIE490강재가 사용된구조물의 정 .
- 4 강관의 경우에는 재하속도가 증가함에따라 최대모멘트 응답이 거의 선형적으로 증가하였다. 일반강관 및 용접강관의 최대모멘트 모두 재하속도 대수(log)값에 비례하여 거의 선형적으로 증가하는 경향을 보였다. 용접강관은 일반강관에 비해 낮은수준의 최대모멘트 응답을 보이고 있으며, 0.
- 재하속도에 따른 용접 및 일반강관의 최대모멘트변화를 해석한 결과, 변형속도가 증가함에 따라 최대모멘트 응답은 선형적으로 증가하였다. 이와 같은최대모멘트 거동특성은 SKT490강재의 변형률속도에 의존한 경화현상으로 판단된다.
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