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문제 정의
- 본 실험에서는 블라스트 처리 및 압축응력 도입에 의해 맞대기 용접이음의 피로강도가 어느 정도 향상되는지를 정량적으로 평가하기 위하여 맞대기 용접이음 시편의 피로실험을 실시하였다.
- 본 실험에서는 위의 블라스트 처리조건 중 연마재의 분사압력, 연마재의 입경 및 쇼트볼과 그릿의 혼합비율을 파라메타로 하여, 이들 조건들이 알멘 스트립의 아크하이트와 강재 시편의 표면조도, 경도 및 압축잔류응력 발생에 미치는 영향을 검토한다.
- 그리고 블라스트 처리에 의한 압축잔류응력 도입량을 일정하고 재현성 있도록 하기 위한 지표도 설정되어 있지 않은 실정이다. 이에 여기서는 블라스트 처리한 알멘 스트립의 아크하이트와 강재 시편의 잔류응력 측정결과를 근거로, 아크하이트와 압축잔류 응력과의 상관관계를 정량적으로 평가하고자 한다. 블라스트 처리조건별 알멘 스트립의 아크하이트와 강재 시편의 압축잔류응력의 측정결과를 그림 10에 나타내었다.
제안 방법
- 각 소형시편 별 응력집중계수는 폭 15mm의 양쪽 단부 약 3mm을 제외하고 1mm 간격으로 용접 지단부 10개소의 응력집중계수를 도출하였다. 5가지 블라스트 처리 전·후 응력집중계수의 평균값과 표준편차를 표 6에 나타내었다.
- 각 조건별로 블라스트 처리된 알멘 스트립 3개의 아크하이트를 측정하였고, 강재 시편 표면의 3영역(좌측, 중앙, 우측)에서 표면 거칠기를 각각 3회씩 측정하였다. 그리고 로크웰 경도 측정기를 이용하여 강재 시편 표면의 2영역(좌측, 우측)의 경도를 각각 3회씩 측정하였다.
- 그리고 각 변형률 게이지에 근접하여 횡방향으로 두께를 절단하고 변형률 게이지 사이를 종방향으로 절단한 후, 최종적으로 변형률 게이지 부착 표면으로부터 두께 2mm 하단부를 절단하여 변형률 게이지 부근의 응력을 완화시키는 절단법으로 절단 전·후의 변형율 변화로 잔류응력을 측정하였다.
- 1mm 간격으로 측정하였다. 그리고 각 소형시편은 앞의 블라스트 처리조건 10가지 중 A-AA, A-BA, B-AO, B-BO, B-AA의 5가지로 블라스트 처리한 후 다시 3차원 형상을 측정하였다.
- 각 조건별로 블라스트 처리된 알멘 스트립 3개의 아크하이트를 측정하였고, 강재 시편 표면의 3영역(좌측, 중앙, 우측)에서 표면 거칠기를 각각 3회씩 측정하였다. 그리고 로크웰 경도 측정기를 이용하여 강재 시편 표면의 2영역(좌측, 우측)의 경도를 각각 3회씩 측정하였다. 이와 같은 방법으로 측정한 아크하이트, 표면조도(Rmax)및 경도의 산술 평균값과 표준 편차를 표 4에 정리하였다.
- 그리고 블라스트 표면처리 전·후의 맞대기 용접이음의 압축잔류응력 측정과 피로실험을 실시하여, 블라스트 처리에 의한 피로강도 향상 효과에 대해 검토하였다.
- 그리고 실제 강교 제작사에서 사용되고 있는 대표적인 블라스트 처리조건을 도출하여, 블라스트 처리 전·후의 맞대기 용접이음의 압축잔류응력 측정과 피로실험을 실시하여, 블라스트 처리에 의한 피로강도 향상 정도를 확인하였다.
- 그림 14에 나타낸 블라스트 처리 전·후 소형시편의 3차원 측정 데이터를 이용하여 3차원 응력해석 모델(Solid요소 사용)을 만들고, 상용유한요소해석프로그램인 COSMOS을 이용하여 탄성응력해석을 실시하였다.
- 그림 5에 나타낸 캐비넷식 에어 블라스트 처리장치에 각각 알멘 스트립을 고정시킨 알멘 블록 3개와 강재 시편 1개을 넣고, 표 2에 나타낸 표면처리 10가지 조건에 따라 블라스트 처리를 하였다. 여기서 노즐구경, 분사각도 및 분사시간은 표 3과 같이 일정하게 하였다.
- 도로교 표준시방서 규정(표면처리 등급 SSPC-SP10과 표면조도 25∼75μm)을 만족시키기 위해, 국내 강교 제작사에서 실제로 사용하고 있는 도장 전 블라스트 처리조건을 조사하기 위하여, 두산메카텍, 현대스틸산업 등의 7개 강구조물 제작사에 설문조사를 실시하였다.
- 먼저 3차원 광학형상측정기를 이용하여 각 소형시편의 3차원 형상을 0.1×0.1mm 간격으로 측정하였다.
- 본 실험에서는 표 2에 나타낸 것과 같이 연마재의 분사압력은 6∼7kgf/cm2과 7∼8kgf/cm2로, 연마재의 입경은 쇼트볼(Shot ball)의 경우 0.7mm와 1.0mm로, 그리고 그릿(Grit)은 0.7mm로 하였으며, 혼합비율(쇼트볼:그릿)은 100:0, 30:70, 0:100으로 하여, 총 10가지의 블라스트 표면처리 조건을 설정하였다.
- 본 연구에서는 7개 강구조물 제작사의 블라스트 처리조건에 대한 설문조사를 실시하여, 이를 근거로 도출한 10가지 블라스트 처리조건에 의한 알멘 스트립의 아크하이트와 강재 시편의 표면조도,경도 및 잔류응력을 측정하였다. 그리고 블라스트 표면처리 전·후의 맞대기 용접이음의 압축잔류응력 측정과 피로실험을 실시하여, 블라스트 처리에 의한 피로강도 향상 효과에 대해 검토하였다.
- 본 연구에서는 먼저 국내 7개 강구조물 제작사에 강교 제작시 사용되고 있는 블라스트 처리조건에 대한 설문조사를 실시하고, 이를 근거로 도출한 10가지 블라스트 처리조건 하에서의 아크하이트, 표면조도, 경도, 잔류응력을 측정하여 아크하이트와 압축잔류응력과의 상관관계를 정량화 하였다. 그리고 실제 강교 제작사에서 사용되고 있는 대표적인 블라스트 처리조건을 도출하여, 블라스트 처리 전·후의 맞대기 용접이음의 압축잔류응력 측정과 피로실험을 실시하여, 블라스트 처리에 의한 피로강도 향상 정도를 확인하였다.
- 블라스트 처리에 의한 압축잔류응력의 도입 정도를 정량화하기 위하여 맞대기 용접이음 시편 1개와 각각 B-AA, B-AO, B-BO의 블라스트 처리조건에 의해 블라스트 처리한 맞대기 용접이음 시편 3개의 잔류응력을 측정하였다. 잔류응력은 용접지단부에 2mm떨어진 위치에 시편 폭 방향의 약 10mm 간격으로, 종방향으로 일축 변형률 게이지 9개를 부착하고 앞에서 설명한 절단법을 이용하여 잔류응력을 측정하였다.
- 블라스트 처리조건은 설문조사 결과, 실제 강구조물 제작에 사용되고 있는 블라스트 처리조건들을 대표할 수 있다고 판단되며, 앞의 블라스트 처리조건 10가지 중에서 평균적인 압축잔류응력이 도입된 B-AA(분사압력 7∼8kgf/cm2, 쇼트볼 입경 0.7mm, 그릿 입경 0.7mm, 쇼트볼과 그릿의 혼합비율 30:70)로 선택하였다.
- 4MPa이 측정되었다. 시편 양측면에서는 인장잔류응력이, 그 내측에는 압축잔류응력이, 그리고 시편 중앙부에는 인장잔류응력이 측정되었다. 이와 비교하여 B-A0, B-B0, B-AA로 처리한 맞대기 용접이음 지단부에는 각각 134.
- 앞에서 블라스트 처리에 의해 원판 강재 표면에 압축잔류응력이 도입됨을 확인하였다. 이와 더불어 블라스트 처리에 의해 용접이음의 용접지단부에 어느 정도의 압축잔류응력이 도입되고, 이로 인하여 피로강도가 어느 정도로 향상되는지를 실험적으로 확인하기 위하여 그림 11에 나타낸 맞대기 용접이음 시편을 제작하여 피로실험을 실시하였다. 강판의 강종은 구조용강재 SM520B이며, 용접은 자동 플럭스코어드 아크용접법(FCAW)으로 맞대기 용접하였다.
- 블라스트 처리에 의한 압축잔류응력의 도입 정도를 정량화하기 위하여 맞대기 용접이음 시편 1개와 각각 B-AA, B-AO, B-BO의 블라스트 처리조건에 의해 블라스트 처리한 맞대기 용접이음 시편 3개의 잔류응력을 측정하였다. 잔류응력은 용접지단부에 2mm떨어진 위치에 시편 폭 방향의 약 10mm 간격으로, 종방향으로 일축 변형률 게이지 9개를 부착하고 앞에서 설명한 절단법을 이용하여 잔류응력을 측정하였다. 반복하중 재하 방향(종방향)의 잔류응력 측정결과를 그림 16에 나타내었다.
- 최종적으로 탄성응력해석 결과로부터 블라스트 처리 전·후의 소형시편 용접지단부의 응력집중계수를 계산하였다.
- 피로실험에서의 반복 응력범위는 200, 250, 300, 350MPa로 설정하고, 최대 반복회수는 300만회로 하였다. 피로실험 결과는 그림 17에 S-N선도로 나타내었다.
대상 데이터
- 이와 더불어 블라스트 처리에 의해 용접이음의 용접지단부에 어느 정도의 압축잔류응력이 도입되고, 이로 인하여 피로강도가 어느 정도로 향상되는지를 실험적으로 확인하기 위하여 그림 11에 나타낸 맞대기 용접이음 시편을 제작하여 피로실험을 실시하였다. 강판의 강종은 구조용강재 SM520B이며, 용접은 자동 플럭스코어드 아크용접법(FCAW)으로 맞대기 용접하였다. 용접 조건은 표 5와 같다.
- 본 맞대기 용접이음에 있어 블라스트 처리에 의한 용접지단부의 형상개선 효과를 검토하기 위하여 그림 13에 나타낸 것과 같이 맞대기 시험편을 폭 20mm, 길이 100mm로 절단한 후 밀링 가공하여 폭 15mm의 소형 시편 5개을 절취하였다. 먼저 3차원 광학형상측정기를 이용하여 각 소형시편의 3차원 형상을 0.
- 본 실험에서 표 2의 10가지 블라스트 처리조건하의 아크하이트, 표면조도, 경도 및 압축잔류응력을 측정하기 위하여, 각 처리조건에 대해 알멘 스트립(‘A' strip) 3개씩 총 30개와 용접구조용 강재(SM400B)시편 1개씩 총 10개의 시편을 준비하였다.
- 블라스트 처리에 의한 맞대기 용접이음의 피로강도 향상 정도를 검토하기 위하여 용접을 실시하지 않은 원판 강재(피로설계 A 등급)의 피로실험 데이터(Muranaka et al., 1998)를 그림 17에 나타내었다.
- 그리고 그림 12와 같이 그림 11의 맞대기 용접시편을 12개 절취하였다. 이와 같은 과정을 3번 반복하여 총 36개의 맞대기 용접이음 시편을 제작하였다.
- 피로시험에는 블라스트 처리를 실시 않은 용접그대로의 시험편(AW 시편)4개와 앞의 B-AA로 블라스트 처리한 시편 4개를 사용하였다. 블라스트 처리조건은 설문조사 결과, 실제 강구조물 제작에 사용되고 있는 블라스트 처리조건들을 대표할 수 있다고 판단되며, 앞의 블라스트 처리조건 10가지 중에서 평균적인 압축잔류응력이 도입된 B-AA(분사압력 7∼8kgf/cm2, 쇼트볼 입경 0.
성능/효과
- (1) 블라스트 처리조건에 있어 연마재로 쇼트볼(Shot ball)만 사용, 쇼트볼과 그릿의 혼합비율 30:70로 사용, 그릿(Grit)만 사용한 경우, 그릿(Grit)의 혼합비율이 증가함에 따라 표면조도는 증가하고,아크하이트는 감소하는 경향을 보였다.
- (3) 블라스트 처리시, 분사압력이 6∼8kgf/cm2, 쇼트볼과 그릿의 입경이 0.7 또는 1.0mm, 쇼트 볼과 그릿의 혼합비율이 30:70인 경우, 블라스트 처리에 의해 강재 표면에는 144.6∼162.8MPa의 압축잔류응력이 도입되었다.
- (4) 블라스트 처리에 의해 맞대기 용접이음의 피로강도는 250MPa와 350MPa에서 각각 약 7배와 20배 이상, 피로한도(3백만회 피로강도)는 1.75배 이상으로 크게 향상되었다.
- (5) 블라스트 처리에 의한 맞대기 용접지단부의 응력집중 완화 효과는 발생하지 않았으며, 블라스트 처리된 맞대기 용접이음의 피로강도 향상은 압축잔류응력의 도입에 기인함을 확인하였다.
- 따라서 B-AA 블라스트 처리(193.2∼270.4MPa의 압축잔류응력 도입)에 의해 맞대기 용접이음의 피로강도는 B등급에서 무용접 평판 강재의 피로강도 이상으로 크게 향상되었음을 확인할 수 있다.
- 그러므로 알멘 스트립의 아크하이트는 평판 강재뿐만 아니라, 용접이음 지단부에 도입되는 압축잔류응력의 근사적 추정에도 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 강교 제작에 있어 블라스트 처리시 강부재와 알멘 스트립을 동시에 블라스트 처리하고 아크하이트를 측정하여, 이를 지표로 압축잔류응력 도입량을 일정하고 재현성 있도록 하는 것이 가능하다고 판단된다.
- 7mm이상의 쇼트볼과 그릿을 혼합사용)에 따라 표면처리를 실시할 경우, 약 145MPa이상의 표면 압축잔류응력 도입을 기대할 수 있다. 따라서 기존의 면외거셋과 십자형 필렛 용접의 피로실험결과와 본 실험 결과를 근거로, 현재 강교 제작시 사용되고 있는 블라스트 표면처리에 의해 용접이음의 피로한도는 약 1.5배 이상 크게 향상될 것으로 판단된다.
- 블라스트 처리한 맞대기 용접이음(B-AA)시편의 피로실험의 경우, 응력범위 250MPa에서 300만회까지 피로균열 발생이 확인되지 않았으며, 응력범위 350MPa에서도 300만회까지 피로균열 발생이 확인되지 않아 피로실험을 종료하였다. 따라서 응력범위 250MPa와 350MPa에서 블라스트 처리에 의해 맞대기 용접이음의 피로수명은 각각 7배와 20배 이상 증가하였음을 알 수 있다. 그리고 블라스트 처리에 의해 피로한도는 약 1.
- 7MPa)의 압축잔류응력이 측정되었다. 따라서 이들 3가지 블라스트 처리에 의해 174MPa이상의 평균 압축잔류응력이 도입되었음을 확인할 수 있다.
- , 1998)를 그림 17에 나타내었다. 무용접 평판 강재 데이터와 본 실험의 B-AA 데이터를 비교하면, B-AA로 블라스트 처리된 맞대기 용접이음의 피로강도는 무용접 평판 강재보다도 높음을 알 수 있다. 따라서 B-AA 블라스트 처리(193.
- 반복하중 재하 방향(종방향)의 잔류응력 측정결과를 그림 16에 나타내었다. 블라스트 처리를 하지 않은 맞대기 용접이음 시편의 용접지단부 평균 잔류응력은 76.3MPa(인장), 최대 압축잔류응력은 122.2MPa, 최대 인장잔류응력은 298.4MPa이 측정되었다. 시편 양측면에서는 인장잔류응력이, 그 내측에는 압축잔류응력이, 그리고 시편 중앙부에는 인장잔류응력이 측정되었다.
- 그러나 건설분야에 있어서의 블라스트 처리는 강교와 같은 대형 강구조물의 표면세정을 목적으로 실시되고 있어, 블라스트 처리조건, 압축잔류응력, 피로강도 향상 등에 대한 연구가 미흡한 실정이었다. 이에 저자는 블라스트 처리된 면외거셋 용접이음(김인태 등, 2008)과 십자형 필렛용접이음(김인태 등, 2009)의 피로실험을 실시하여, 도장 전 표면세정을 목적으로 실시되고 있는 블라스트 처리에 의해 이들 용접이음의 피로한도가 1.5배 이상 크게 향상됨을 확인하였다.
- 표 1에 나타낸 것과 같이 쇼트볼과 그릿의 분사 압력(공기 압축력)은 6.5∼8.0kgf/cm2, 연마재는 주강 쇼트와 주강 그릿, 연마재의 입경은 0.3∼1.0mm, 그리고 쇼트볼과 그릿을 혼합하여 사용하고 있음을 알 수 있다.
- 5가지 블라스트 처리 전·후 응력집중계수의 평균값과 표준편차를 표 6에 나타내었다. 표 6에 나타낸 것과 같이 5가지 블라스트 처리에 의한 용접지단부의 응력집중계수 감소율을 1%미만으로, 응력집중 완화로 인한 블라스트 처리된 용접이음의 피로강도 향상은 기대할 수 없음을 알 수 있다.
- 표면 경도는 표 4에 나타낸 것과 같이 블라스트 처리 전의 강재 시편의 로크웰 경도는 68HRB이며, 10가지의 블라스트 처리에 의해 표면 경도는 70∼76HRB로 3∼11% 증가함을 알 수 있다.
후속연구
- 강교 제작의 블라스트 처리 시, 강부재와 함께 알멘 스트립을 블라스트 처리하여 아크하이트를 측정함으로서, 피로강도 향상을 위한 블라스트 처리 정도를 일정하고 재현성 있도록 하는 것이 가능할 것이다. 이는 공용중인 강교의 경우에도 정기적으로 실시되고 있는 재 도장시의 표면처리에 블라스트 표면처리 방법을 적용하여, 피로강도를 향상시킬 수 있을 것이다.
- 블라스트 처리를 실시하면 용접지단부의 형상 개선과 압축잔류응력 도입에 의한 용접이음의 피로강도 향상 효과를 기대할 수 있다(김인태 등, 2008). 그러나 본 실험에서는 이 중 블라스트 처리에 의한 용접지단부의 형상 개선에 따른 응력집중 완화 정도가 미소하여, 블라스트 처리된 맞대기 용접이음의 피로강도가 향상된다면 이는 블라스트 처리에 의해 도입된 압축잔류응력에 기인한 것으로 판단할 수 있다.
- 72로 상관성이 높음을 알 수 있다. 그러므로 알멘 스트립의 아크하이트는 평판 강재뿐만 아니라, 용접이음 지단부에 도입되는 압축잔류응력의 근사적 추정에도 활용할 수 있을 것으로 판단된다. 따라서 강교 제작에 있어 블라스트 처리시 강부재와 알멘 스트립을 동시에 블라스트 처리하고 아크하이트를 측정하여, 이를 지표로 압축잔류응력 도입량을 일정하고 재현성 있도록 하는 것이 가능하다고 판단된다.
- 따라서 분산 압력을 6∼7kgf/cm2 이상, 그리고 0.7mm 이상의 쇼트볼과 그릿을 혼합하여 블라스트 처리하면 표 4에 나타낸 것과 같이 145MPa이상의 평균 압축잔류응력 도입을 기대할 수 있을 것이다.
- (2) 블라스트 처리에 의한 알멘 스트립의 아크하이트와 강재 표면에 발생한 압축잔류응력은 식(1)과 식(2)로 정식화할 수 있다. 따라서 블라스트 처리 시 알멘 스트립의 아크하이트를 측정하여, 강재의 압축잔류응력 도입량을 근사적으로 추정할 수 있을 것이다.
- 현재 국내·외의 강구조물의 피로설계 및 조사에 사용되고 있는 도로교설계기준(2005), AASHTO(2007), JSSC(1993), IIW(1995)등의 피로설계지침은 블라스트 처리를 실시하지 않은 용접이음시편의 피로실험 결과에 근거하여 용접이음 형식에 따른 피로설계등급을 제시하고 있다. 따라서 최근 강교 제작시 블라스트 표면처리가 규정화 되어 있는 점을 고려하여, 향후 블라스트 처리된 용접이음의 피로실험결과 축적 및 이를 근거로 한 용접이음의 피로설계 등급의 재평가에 대한 검토가 필요하다고 사료된다.
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