[논문]스톰 하중을 받는 용접 구조물의 피로 수명 평가에 대한 실험 연구

유창혁; 김경수; 서용석; 심용래; 하영수; 유원효; 최현준

doi:10.3744/snak.2012.49.1.99

스톰 하중을 받는 용접 구조물의 피로 수명 평가에 대한 실험 연구
An Experimental Study on Fatigue Life Evaluation of Welded Joints under Storm Loading 원문보기

大韓造船學會論文集 = Journal of the society of naval architects of korea, v.49 no.1, 2012년, pp.99 - 108

유창혁 (인하대학교 조선해양공학과) , 김경수 (인하대학교 조선해양공학과) , 서용석 (삼성중공업(주)) , 심용래 (미국선급협회) , 하영수 (인하대학교 조선해양공학과) , 유원효 (인하대학교 조선해양공학과) , 최현준 (인하대학교 조선해양공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, fatigue tests are conducted for the specimens with longitudinal and transverse attachment under variable amplitude axial loading based on storm model. Considered loadings include repeated single storm, 6 or 8 storms randomly, and storms including calm sea condition while the mean stress and the maximum stress of loadings are changed. The effect of three variables are investigated; root mean square(RMS) value of stress amplitude, mean stress shift and maximum stress, which can characterize storm loading on fatigue life. In addition, experiments including calm sea loading are also carried out to investigate the effect of calm sea state. Test results are evaluated and compared with DNV-CN2005 and Matsuoka's method for the estimation of crack initiation and propagation life. To verify the validity of the criteria, the measured crack initiation lifes are compared with the specific crack length 15mm, which are calculated with beach marks.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 최종적으로 스톰 하중과 같은 불규칙 하중이 용접방법이 다른 두 시험편에 작용될 경우, 각 용접부에 대한 피로 수명을 정확히 예측할 수 있는 피로 수명 계산법의 평가 및 분석에 목적이 있다. 또한, 불규칙 해상 상태를 고려한 하중 모델을 적용하여 기존의 피로 설계 방법을 검증하였다.
본 연구에서는 실제 해상 상태가 고려된 하중 이력을 가지고 선박 및 해양 구조물에서 피로 손상이 가장 빈번히 보고되는 구조 부재를 대상으로 피로 실험을 수행하였다. 5% Strain drop 방법에 의한 초기 수명과 파단 수명을 보기 위해 피로 실험을 수행한 후, 시험편 형상에 의한 용접부의 응력 집중 효과와 평균 응력 효과를 고려할 수 있는 기존의 DNV rule에 의한 방법과 용접에 의한 잔류 응력의 영향을 고려할 수 있는 Matsuoka, et al.

가설 설정

- 스톰 모델은 이등변 삼각형 형태를 가짐.
- 스톰 상태에서 H_S(유의 파고)는 점차적으로 높아지거나 낮아짐.
- 해상 상태는 Calm sea와 스톰 상태로 분류 됨.
시험편은 선박 및 해양 구조물의 부재로 널리 사용되는 강재인연강(Mild steel)과 고장력강(High tensile steel)을 대상으로 실험을 수행하였다. 연강은 Longitudinal attachment 용접 시편, 고장력강은 Transverse attachment 용접 시편으로 가공하였다. 각 시험편의 형상 및 재료의 물성치는 Fig.
이전의 스톰 하중에 대한 연구는 파고가 낮은 Calm sea에 의한 하중의 영향은 없다는 가정 하에서 이루어졌다. 그러나 이러한 가정의 타당성은 분명하게 입증되지 않았기 때문에 본 연구에서는 시험편 (b)로 수행한 실험을 통해 Calm sea에 대한 영향을 알아보았다.

제안 방법

5% Strain drop 방법에 의한 초기 수명과 파단 수명을 보기 위해 피로 실험을 수행한 후, 시험편 형상에 의한 용접부의 응력 집중 효과와 평균 응력 효과를 고려할 수 있는 기존의 DNV rule에 의한 방법과 용접에 의한 잔류 응력의 영향을 고려할 수 있는 Matsuoka, et al.(2000)의 피로 수명 계산 방법들의 유효성을 검증하고 실제 해상 상태를 고려한 스톰 하중 하에서의 피로 특성을 분석하였다.
2.2절과 2.3절의 방법으로 작성된 스톰 하중의 영향을 평가하기 위하여 총 4개의 Pattern으로 나누어 실험을 수행하였으며 하나의 스톰 하중의 형상은 Fig. 5와 같으며 각 패턴의 하중 이력은 Table 3, Table 4와 같다. *표시는 세 블럭마다 스톰 하중의 평균 응력이 바뀌는 것을 의미한다.
5% strain range drop 방법으로 구한 초기 수명, 파단 수명에서 Two-standard-deviation을 감한 수명을 나타내는 DNV 방법, 표면으로부터 깊이방향으로 약 1mm까지 피로 균열이 진전하였을 때의 피로 수명을 계산한 Matsuoka 방법, 마지막으로 파단면에 형성된 비치 마크를 이용하여 계산한 피로 수명을 각각 비교하였다. Transverse attachment 용접 시편인 시험편 (b)의 경우 파단면에 형성된 비치 마크의 형상이 불분명하여 결과에서 제외하였다.
*표시는 세 블럭마다 스톰 하중의 평균 응력이 바뀌는 것을 의미한다. Pattern 1에서는 시험편의 S-N 선도의 도출하고, 기존 피로 수명 계산법과의 비교, 분석을 위해 일정 진폭 하중의 피로 실험을 수행하였다. Pattern 2에서는 스톰 하중의 응력 범위를 변화시키면서 피로 실험을 수행하였고, Pattern 3에서는 일정한 스톰 하중 블록에 평균 응력을 변화시켰으며 마지막으로 Pattern 4에서는 실제 해상 상태를 고려한 불규칙한 응력 범위와 순서 및 평균 응력을 변화시키면서 피로 실험을 수행하였다.
Pattern 1에서는 시험편의 S-N 선도의 도출하고, 기존 피로 수명 계산법과의 비교, 분석을 위해 일정 진폭 하중의 피로 실험을 수행하였다. Pattern 2에서는 스톰 하중의 응력 범위를 변화시키면서 피로 실험을 수행하였고, Pattern 3에서는 일정한 스톰 하중 블록에 평균 응력을 변화시켰으며 마지막으로 Pattern 4에서는 실제 해상 상태를 고려한 불규칙한 응력 범위와 순서 및 평균 응력을 변화시키면서 피로 실험을 수행하였다. 표기의 편의상 Pattern #, case *를 P#C*로 표기 하였다.
이전의 스톰 하중에 대한 연구는 파고가 낮은 Calm sea에 의한 하중의 영향은 없다는 가정 하에서 이루어졌다. 그러나 이러한 가정의 타당성은 분명하게 입증되지 않았기 때문에 본 연구에서는 시험편 (b)로 수행한 실험을 통해 Calm sea에 대한 영향을 알아보았다.
1과 Table 1에 나타내었다. 높은 압축 응력에 대비하여 FEA를 통해 좌굴 발생 가능성을 평가하였으며, 그 결과는 Table 2에 나타내었다.
육안으로 확인이 가능한 첫 비치 마크의 표면 균열 길이가 13 ∼18mm로 편차를 보였다. 따라서, 본 연구에서는 기준이 되는 Beach mark를 이용하여 표면 균열 길이 15mm에서 피로 수명을 계산하여 변형률 5% strain range drop 방법의 유효성을 검증 하였다.
이는 대 변형이 유발하는 불안정한 변형률 형상으로 인한 측정상의 오차, 혹은 변형률 게이지가 부착된 1축 선상 외에서 균열이 발생하여 균열 발생 초기의 변형률 변화를 정확히 감지하지 못했기 때문인 것으로 판단된다. 따라서, 상대적으로 정확하게 수명을 정의하는 비치 마크 방법을 이용한 피로수명과 DNV 및 Matsuoka 방법에 의한 수명을 비교하였다.
본 연구는 최종적으로 스톰 하중과 같은 불규칙 하중이 용접방법이 다른 두 시험편에 작용될 경우, 각 용접부에 대한 피로 수명을 정확히 예측할 수 있는 피로 수명 계산법의 평가 및 분석에 목적이 있다. 또한, 불규칙 해상 상태를 고려한 하중 모델을 적용하여 기존의 피로 설계 방법을 검증하였다.
피로 실험은 상온의 대기 중에서 최대 500kN 하중 용량을 가진 MTS사의 유압서보식 만능 시험기를 이용하며, 피로 실험 속도는 하중 이력에 따라 9 ~ 31Hz로 수행하였다. 복잡한 변동하중을 적용하기 위하여 MPT(Multi purposes test ware)를 사용하여 응력 범위 및 평균 응력이 복잡하게 변화하는 변동 하중을 구현하였다.
본 연구에서는 스톰 하중내의 과대 하중으로 인해 발생한 파면의 선명한 윤곽선인 비치 마크(Beach mark)를 사용하여 파단 후 초기 수명의 유효성을 검증하였다. 비치 마크는 과대 하중에 의해 균열 지연이 발생하여 Fig.
추가적으로 Calm sea 상태를 고려하기 위해 Fig. 6과 같이 P4C7A와 P4C9A의 하중 이력에 Calm sea 하중 이력을 추가하여 P4C7B와 P4C9B에 대한 실험을 수행하였다.
피로 실험 결과 분석시 스톰 하중이 적용된 피로 실험을 수행한 결과와 기존에 잘 알려진 DNV 방법 및 Matsuoka 방법을 비교하였고, 일정 진폭 하중의 실험 결과에 기반한 계산법과 불규칙 하중이 적용된 경우의 실험 결과를 비교, 평가하였으며 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.
피로 실험은 상온의 대기 중에서 최대 500kN 하중 용량을 가진 MTS사의 유압서보식 만능 시험기를 이용하며, 피로 실험 속도는 하중 이력에 따라 9 ~ 31Hz로 수행하였다. 복잡한 변동하중을 적용하기 위하여 MPT(Multi purposes test ware)를 사용하여 응력 범위 및 평균 응력이 복잡하게 변화하는 변동 하중을 구현하였다.
Pattern 2는 변동 하중인 스톰 하중이 일정하게 작용된 실험으로 하중의 크기에 따라 비교적 합리적인 결과를 보여준다. 하지만 변동 하중의 특성에 따른 5% strain range drop 방법의 부정확성을 고려하여 비치 마크를 이용해 계산된 피로 수명을 함께 비교하였다(Fig. 10 참조).

대상 데이터

시험편은 선박 및 해양 구조물의 부재로 널리 사용되는 강재인연강(Mild steel)과 고장력강(High tensile steel)을 대상으로 실험을 수행하였다. 연강은 Longitudinal attachment 용접 시편, 고장력강은 Transverse attachment 용접 시편으로 가공하였다.

이론/모형

계산 결과를 통해 Matsuoka의 방법은 항복 강도를 잔류 응력으로 가정하고 계산하여도 크게 문제가 되지 않음을 알 수 있었다. DNV 방법과 마찬가지로 등가 응력에 따라 계산된 수명을 Miner`s rule에 적용하여 피로 손상도를 구해 초기 수명을 계산하였다.
계산된 등가 하중에 대한 수명을 선형 피로 손상 법칙인 Miner`s rule에 적용하여 피로 손상도를 산정해 초기 수명을 계산하였다.
일정 진폭 하중의 경우, 5% strain drop이 뚜렷한 형상을 나타내어 비교적 정확하게 초기 수명을 정의할 수 있지만, 변동 하중의 경우, 하중 이력이 변화하므로 변형률의 감소를 판단하기에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 5% strain range drop 방법을 사용하였다. 5% strain range drop 방법은 스톰 하중의 지정된 위치에서의 변형률의 변화를 측정하여 첫 하중 블록에서의 strain range를 기준으로 5%의 감소가 발생된 사이클 수를 초기 수명으로 정의하는 방법이다.
본 연구에서 사용된 스톰 모델은 IACS 34 wave scatter diagram에 의거하여 생성하였다. 스톰 모델의 작성을 위한 가정은 다음과 같다.

성능/효과

- 시험편에 일정 진폭 하중을 적용한 경우, 실험 결과와 DNV 방법, Matsuoka 방법이 비교적 잘 일치하였다.
- 평균 응력이 압축으로 전환될 경우 전체 피로 수명은 증가하나, 균열 진전 수명 증가율은 초기 수명 증가율보다 상대적으로 적다. 또한, 평균 응력의 변화에 따른 영향은 미미한 것으로 분석된다.
결과를 통해, DNV 방법과 Matsuoka 방법 모두 실험 결과로 얻어진 수명에 비해 보수적인 결과를 보이고 있다. 일정 진폭 하중에서 오차가 적었던 점을 감안한다면 스톰 하중과 같은 과대하중을 포함하는 변동 하중의 경우 초기 수명을 보수적으로 예측한다고 판단할 수 있다.
Table 5는 잔류응력과 피로수명의 관계를 알아보기 위하여 시험편 (b)의 Pattern 4, case 9A, B의 하중 이력에 대해 Matsuoka가 제안한 방법으로 수명 계산을 한 것이며, 초기 잔류응력을 시험편의 항복 강도 대비 100%부터 10%까지 바꾸며 초기 잔류 응력이 피로 수명에 미치는 영향을 나타내고 있다. 계산 결과를 통해 Matsuoka의 방법은 항복 강도를 잔류 응력으로 가정하고 계산하여도 크게 문제가 되지 않음을 알 수 있었다. DNV 방법과 마찬가지로 등가 응력에 따라 계산된 수명을 Miner`s rule에 적용하여 피로 손상도를 구해 초기 수명을 계산하였다.
기존의 피로 수명 평가 방법으로 잘 알려진 DNV 방법과 Matsuoka 방법을 종합적으로 비교해 보면, 두 방법 모두 대체적으로 피로 수명을 잘 예측 하지만 다소 과소 평가하는 경향이 나타난다. 또한, Matsuoka 방법에서는 평균 응력의 영향을 고려하지만 시험편 (a)의 경우, 평균응력이 세 블럭씩 변할 때 잔류 응력의 값이 변함에 따라 실험 결과보다 과대한 예측을 함을 알 수 있다(Fig.
시험편 (b)에서도 평균응력이 높아지고 하중 크기가 작아진 Case 1과 Case 2의 경우, P3C1이 P3C2보다 수명이 적다. 따라서, 평균 응력 보다 하중 크기가 더 지배적인 영향을 보임을 알 수 있고, DNV와 Matsuoka 방법 모두 보수적인 평가를 하고 있음을 알 수 있다.
피로 한도 이하의 하중은 실험 시간을 줄이기 위해 제거 되었다. 모든 스톰 생성 과정에서 하중 계산과 재배열은 반복적으로 수행되었다.
11 참조). 시험편 (a)에서 평균 응력이 35MPa, 0MPa, -35MPa로 감소하는 Case 1, Case 2, Case 3의 경우, 비치 마크를 이용한 수명 측정 결과가 일관되게 증가하였고 DNV 방법도 보수적이지만 비교적 결과를 잘 예측하고 있다. Matsuoka 방법은 계산상에서 평균 응력의 영향을 고려하지만 압축으로 변할 경우, 잔류 응력의 이완이 적어져 결과적으로 같은 값을 나타내고, 오직 실험에서 측정된 응력 집중 계수에 의해 수명이 변화하였다.
14와 같이 스톰 하중의 개수로 나타내었다. 실험 결과를 토대로 Calm sea의 영향을 분석해본 결과, 평균 응력이 변하지 않는 경우(P4C9A, B)에 적용된 스톰 하중의 개수가 비슷한 것으로 보아, Calm sea 하중에 대한 영향이 거의 없는 것으로 판단된다. 하지만 평균 응력이 변함과 동시에 Calm sea 하중이 적용된 경우(P4C7B)에 적용된 스톰 하중의 개수가 Calm sea 하중이 적용되지 않는 경우(P4C7A)보다 작은 것으로 보아 Calm sea 하중의 영향이 있는 것으로 판단된다.
평균 응력을 세 개의 스톰 하중 블록마다 70 ~ -70MPa, 35~ -35MPa, 70 ~ 0MPa로 변화시켜 평균 응력 변화의 효과를 검증하는 Case 4, Case 5, Case 6의 경우, 실험 결과와 DNV 방법에서는 평균 응력의 효과가 지배적이지 않은 것을 알 수 있다. 한편, Matsuoka 방법은 실험 결과보다 과대한 결과를 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기존의 피로 수명 평가 법의 한계점은 무엇인가?	따라서, 폭풍 상태와 잔잔한 파의 하중 이력을 모두 고려한 극한 환경 하에서의 피로 수명이 선박 및 해양 구조물의 피로 설계에 반영되어야 한다. 그러나 기존의 피로 수명 평가 법은 Miner (1945)가 제안한 선형 누적 손상 법칙의 가정에 기반 하기 때문에 비교적 온건한 해상 조건에 대하여 그 결과가 실제 수명과는 잘 일치하지만 스톰과 같은 높은 변동 하중이 작용하는 경우에 실제 피로 수명과 차이가 있으며 이에 대한 새로운 평가법이 요구되어진다.
	원유를 생산할 때, 가능한 한 지정된 장소에서 운용 기간동안 지속적으로 해야하는 이유는 무엇인가?	최근 선박이 북해와 같은 극한 환경에서 운항 할 수 있도록 설계 기준이 강화되고 있으며 또한 FPSO(Floating Production Storage & Offloading)와 같은 대형 해양 구조물의 경우, 피항 시 입는 경제적 손실이 막대하기 때문에 가능한 한 지정된 장소에서 운용 기간 동안 지속적으로 원유를 생산해야 한다. 따라서, 폭풍 상태와 잔잔한 파의 하중 이력을 모두 고려한 극한 환경 하에서의 피로 수명이 선박 및 해양 구조물의 피로 설계에 반영되어야 한다.
	본 연구에서 사용한 스톰 모델의 작성을 위한 가정에는 무엇이 있는가?	- 해상 상태는 Calm sea와 스톰 상태로 분류 됨. - 스톰 모델은 이등변 삼각형 형태를 가짐. - 스톰 상태에서 HS(유의 파고)는 점차적으로 높아지거나 낮아짐. - 단기간(Short-term period)을 2시간으로 정의함. - 스톰 하중 기간을 3.5일로 정의함. - HS ≥ 2 × HS,mean(유의 파고의 평균값) 일 때, HS는 스톰 상태로 간주함. - HS ≤ 2 × HS,mean 일 때, HS는 무작위로 Calm sea 상태에서 발생함. - 최대 유의 파고를 포함하는 스톰 하중은 설계 수명 동안 1회 발생함.

참고문헌 (11)

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Kim, K.S. et al., 2008. A Study of Crack Propagation and Fatigue Life Prediction on Welded Joints of Ship Structure (I). Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 45(6), pp.669-678.

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Kim, K.S. et al., 2008. A Study of Crack Propagation and Fatigue Life Prediction on Welded Joints of Ship Structure(II). Journal of the Society of Naval Architects of Korea, 45(6), pp.679-687.

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Kim, S.H. et al., 2011. Fatigue Crack Propagation Life Assessment of T-joint Fillet Weldment Considering Residual Stress under Random Loading. Journal of the korean Welding and Joining Society, 29(2), pp.46-55.

원문보기 상세보기
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Matsuoka, K. Takahashi, I. Uematsu, S. & Ushijima, M., 2000. Effect of Loading History on Fatigue Life of Welded Joint. Journal of the Society of Naval Architects of Japan, 188, pp.617-624.
Osawa, N. Hashimoto, K. Sawamura, J. & Rokutanda, A., 2006. Construction of the Storm Model with Consideration to the Sea Area and the Season. 2nd Pan Asian Association of Maritime Engineering Societies Conference, Jeju Island, Republic of Korea, 17-20 October 2006.
Tomita, Y. Kawabe, H. & Fukuoka, T., 1992. Statistical Characteristic of Long-term Wave-induced Load for Fatigue Strength Analysis for Ships. 5th International Symposium on the Practical Design of Ships and Mobile Units, Newcastle upon Tyne, U.K., 17-22 May 1992.
Tomita, Y. Matoba, M. & Kawabe, H., 1995. Fatigue Crack Growth Behavior under Random Loading Model Simulating Real Encountered Wave Condition. Marine Structures, 8(4), pp.407-422.

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Tomita, Y. et al., 2004. Study on Fatigue Design Loads for Ships Based on Crack Growth Analysis. Journal of ASTM International, 1(9), pp.420-434.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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