$\require{mediawiki-texvc}$

연합인증

연합인증 가입 기관의 연구자들은 소속기관의 인증정보(ID와 암호)를 이용해 다른 대학, 연구기관, 서비스 공급자의 다양한 온라인 자원과 연구 데이터를 이용할 수 있습니다.

이는 여행자가 자국에서 발행 받은 여권으로 세계 각국을 자유롭게 여행할 수 있는 것과 같습니다.

연합인증으로 이용이 가능한 서비스는 NTIS, DataON, Edison, Kafe, Webinar 등이 있습니다.

한번의 인증절차만으로 연합인증 가입 서비스에 추가 로그인 없이 이용이 가능합니다.

다만, 연합인증을 위해서는 최초 1회만 인증 절차가 필요합니다. (회원이 아닐 경우 회원 가입이 필요합니다.)

연합인증 절차는 다음과 같습니다.

최초이용시에는
ScienceON에 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 로그인 (본인 확인 또는 회원가입) → 서비스 이용

그 이후에는
ScienceON 로그인 → 연합인증 서비스 접속 → 서비스 이용

연합인증을 활용하시면 KISTI가 제공하는 다양한 서비스를 편리하게 이용하실 수 있습니다.

[국내논문] 강구조상세부의 피로저항능력 개선을 위한 응력완화홀 적용성 평가
Evaluation on Applicability of Stress Relief Hole for Improvement of Fatigue Stress Capacity of Steel Structural Details 원문보기

韓國鋼構造學會 論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.25 no.5 = no.126, 2013년, pp.451 - 461  

정경섭 (충북대학교, 토목공학부) ,  남승훈 (충북대학교, 구조시스템공학과) ,  김경남 (충북대학교, 건설기술연구소) ,  양건봉 (충북대학교, 토목시스템공학과)

초록
AI-Helper 아이콘AI-Helper

강교량에는 외력에 대해 저항하는 부재의 좌굴 등의 변형을 구속시키기 위한 여러 상세부들이 존재한다. 이들 상세부는 상호 교차하는 부재들로 구성되고 제작의 용이성, 용접결함의 원천적 배제 및 응력집중을 완화시키기 위해 스켈럽을 이용해 왔다. 본 연구에서는 교차부에 발생되는 응력집중으로 상세범주 D등급 이하를 갖게 되는 강교량 상세부의 피로저항 능력을 상세범주 C등급 이상으로 개선시키는 방안으로 응력완화홀(SRH)을 제안하였다. 적절한 크기 및 위치의 SRH 효과를 확인하고 이를 강바닥판교의 U-rib와 가로보 교차부에 작용시켜 SRH에 의한 피로저항능력 개선 가능성을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In steel bridges, there are several details that constrain the deformation such as buckling by external forces. Most of these details which are composed of the intersection members have scallops in order to exclude the weld defects inherently and to get the ease of fabrication and also to decrease t...

주제어

AI 본문요약
AI-Helper 아이콘 AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 용접에 의해 잔류되는 응력의 영향에도 불구하고 구조상세에 적용되는 강재의 두께 등을 모두 고려하면 교차 용접부는 피로범주 E에 해당된다[3],[6]. SRH의 적용으로 응력이 완화되어 SRH 내부 및 용접부에 발생되는 응력의 범위를 각각의 상세범주 D 및 E가 갖는 한계피로진폭 48.3 및 31.0MPa 이하로 발생하게 하면 전체적으로 상세범주 D의 피로저항 능력[3],[6],[11]으로 개선시킬 수 있는 가능성이 확인된다는 것을 목표로 하였다.
  • 게다가 SRH는 폐단면 리브의 형상에 따라 적용되는 위치 및 크기가 변화할 뿐만 아니라 그 효과 또한 달라지기 때문에 본 연구에서는 기하학적 형상이 상세범주 E를 나타내는 단면변화(R < 50)를 형성하고 있는 형상을 대상으로 SRH의 효과를 검증하고자 하였다.
  • 예를 들어, 문제의 상세부가 상세범주 E에 해당되고, 다재하경로구조 상에 놓여 있어 직접적인 FCM(붕괴유발부재)는 아니지만 주요도로에 위치하고 트럭하중에 대하여 발생되는 응력이 허용피로응력범위 31MPa를 약간 초과하는 상황을 생각한다. 규정을 지키지 위해서 상세부를 포함하여 구조물을 구성하는 부재 전체를 키우지 않는 한 발생응력의 범위를 허용피로응력범위 이내로 내릴 수 없는 상황이 발생되었다고 하자.
  • 따라서 본 연구에서는 상세범주 D보다 낮은 범주를 나타내는 강바닥판교의 바닥틀 상세부 근방에, 적절한 크기를 갖는 구멍을 적절한 위치를 찾아 배치시켜, 해당 상세에 발생되는 응력을 적절히 고안된 구멍(이하 ‘응력완화홀’이라 칭함)으로 이행 또는 차단하게 함으로써 상세부에 집중되는 응력을 감소시킬 수 있는지 여부를 검토하여 응력완화홀의 적용이 강교량 상세부의 피로저항 능력을 개선시킬 수 있는 좋은 방안임을 확인하고자 하였다.
  • 본 연구에서는 강바닥틀에 피할 수 없이 나타나는 종, 횡리브 또는 종리브와 가로보 교차부와 같은 강교량 상세부 근방에 적절한 위치와 적당한 크기의 응력완화홀(Stress Relief Hole, 이하 간단히 ‘SRH’이라 칭함)을 둠으로써 응력집중 완화 효과를 검토하였다. 또한 추후 이와 같은 SRH가 앞에서 언급한 릴리프홀과 스톱홀의 역할이 개선된 영구적인 피로능력 개선 방안으로 기존의 Cutout을 대신할 수 있는 가능성에 대하여 검토하였다.
  • 본 연구는 외력에 의해 응력이 집중되는 강교량 상세부들 중 상세범주 E에 해당되는 부위의 피로저항능력을 개선시키기 위하여 응력완화홀의 도입 가능성을 연구 검토한 것으로 간단한 사례에 대한 해석결과를 비교 검토하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
  • 본 연구에서는 강바닥틀에 피할 수 없이 나타나는 종, 횡리브 또는 종리브와 가로보 교차부와 같은 강교량 상세부 근방에 적절한 위치와 적당한 크기의 응력완화홀(Stress Relief Hole, 이하 간단히 ‘SRH’이라 칭함)을 둠으로써 응력집중 완화 효과를 검토하였다.
  • 본 연구에서는 상세부 근방 적절한 위치에 적당한 크기의 SRH를 둠으로서 상세부로 집중되는 응력의 일부를 차단 또는 SRH로 이행시키는 역할을 하게 함으로써 상세부의 응력 집중을 경감시켜 허용피로응력범위 이하에 머물게 하고, SRH에 집중되는 응력은 SRH의 자체 피로저항으로 감당하게 하여 전체적으로 상세부의 피로저항능력을 SRH의 저항능력만큼 개선시키고자 하였다.
  • 현재 릴리프홀 및 스톱홀은 대부분 이론적 접근보다는 경험적 또는 FEM해석에 의존하고 있는 실정이며, 국내외 설계기준[6]에서도 강바닥틀과 같은 구조상세에 대한 피로검토는 FEM 등에 의한 상세해석을 통한 국부응력을 이용하도록 하고 있다. 본 연구에서는 향후 실제 강교량 상세부에 적용하기에 앞서 FEM해석을 이용하여 설계기준에서 강 바닥판 바닥틀 설계에 규정된 구조상세의 응력집중부에 대해 수치해석적인 접근을 시도하고 그 적용 가능성을 검토하였다.
  • 본 연구에서는 현재까지 강교량에 적용되었던 스톱홀, 스캘럽(Cutout)의 개념을 다른 각도에서 접근하였다. 최근 강교량 등 강구조물 제작기술 및 장비능력이 향상되어 원하는 형상의 SRH를 원하는 위치에 천공하는 것이 손쉽게 저비용으로 가능하게 되었기에 SRH 도입 타당성을 검토하고자 하였다.
  • 현재까지 SRH 자체에 대하여 규정한 기준 상의 상세범주는 없으나, AASHTO(2010)[3]에서 개방된 구멍에 대해 수직응력의 직각방향으로 발생되는 균열에 대한 피로범주를 D로 추가 규정하고 있어 국부좌굴에 영향을 받지 않는 SRH이라면 적어도 상세범주 D 이상의 피로저항을 갖고 있다고 생각되며, 추후 SRH의 크기 형상 및 위치 등에 대하여 보다 상세히 검토 정리하여 그 적용의 타당성을 확실히 하고자 한다.
본문요약 정보가 도움이 되었나요?

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
상세부의 피로저항 능력의 개선이 곧 강구조물의 수명을 증진시키는 요인이 되는 이유는 무엇인가? 최근 시장경제의 흐름 속에 강구조물의 사용이 주춤하고 있는 상황이다. 동하중을 받는 강구조물의 상세부에는 많은 피로균열 발생요인들이 내재되고 있어 상세부의 피로저항 능력의 개선이 곧 강구조물의 수명을 증진시키는 요인이 된다.
동적 하중을 받는 대표적인 구조물에는 무엇이 있는가? 동적 하중을 받는 대표적인 구조물에는 교량이 있고, 국내 교량 설계기준[1],[2]에는 강재가 적용되는 교량의 상세부의 피로에는 활하중에 의해 해당 상세에 발생되는 응력집중의 영향을 공칭응력으로 나타낸 허용피로응력범위별로 상세범주를 A부터 E까지 구분하여 적용하고 있다.
주요도로의 도로교량 강재 개발시 주의하여야 할점은? 도로교량을 예로 들면, 차선하중을 적용하여 발생되는 응력에 대하여는 50만회에 대하여 검토되기 때문에 단재하경로 구조의 상세범주에 대하여도 E ′범주를 제외하면 허용응력범위가 70MPa 정도가 되어 거의 문제는 없으며, 풍하중 등에 대하여도 10만회에 대한 검토가 적용되므로, 강재의 능력을 고려할 때, 특별한 경우 이외에는 강재 적용으로 인한 불이익은 없다고 판단된다. 그러나 주요도로에 대하여는 표준트럭하중의 200만회 이상 반복 통행을 고려해야 하기 때문에 교량을 구성하는 부재가 E 등급의 상세부를 갖게 되면 그 저항능력이 31MPa 정도로 떨어진다. 극단적으로 최근 개발된 신개발 강재 HSB800의 허용응력이 360MPa 정도까지 향상되었지만, 이들로 구성된 구조상세의 피로범주는 크게 향상되지 못하고 있는 점을 고려하면 허용응력의 1/10 수준에 그치게 되며, 강교량의 설계 및 제작에 이러한 상황을 피할 수 없다는 점은 강교량의 건설 및 유지관리에 대한 비용 분담이 커지는 원인 중 하나가 된다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (17)

  1. 한국도로교통협회(2010) 도로교 설계기준, 국토해양부, pp.3-22-3-30. Korea Road & Transportation Association (2010) Highway Bridge Design Code, Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, pp.3-22-3-30 (in Korean). 

  2. 한국철도시설공단(2011) 철도설계기준(노반편), pp.9-30-9-40. Korea Rail Network Authority (2011) Railway Design Code(Part Roadbed), Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, pp.9-30-9-40. (in Korean) 

  3. AASHTO (2010) LRFD Bridge Design Specifications, 5th Ed., American Association of State Highway and Transportation Officials. 

  4. AASHTO (2008) LRFD Bridge Design Specifications, 4th Ed., American Association of State Highway and Transportation Officials. 

  5. Brown, J.D., Lubitz, D.J., Cekov, Y.C., and Frank, K.H. (2007) Evaluation of Influence of Hole Making Upon the Performance of Structural Steel Plates and Connections, Report No. FHWA/TX-07/0-4624-1. University of Texas at Austin, Austin, TX. 

  6. 한국도로교통협회(2012) 도로교 설계기준(한계상태설계법), 국토해양부, pp.6-28-6-32. Korea Road & Transportation Association(2010), Highway Bridge Design Code(LRFD), Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (in Korean). 

  7. Wolchuk, R., and A. Ostapenko (1992) Secondary Stresses in Closed Orthotropic Deck Ribs at Floor Beams, Journal of Structural Engineering. American Society of Civil Engineers, New York, NY, Vol. 118, No. 2, pp.582-595. 

  8. 이성진, 경갑수, 박진은, 이희현(2012) 주행차량에 따른 개단면 강바닥판 교량의 국부거동 특성, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제24권, 제1호, pp.101-108. Lee, S.J., Kyung, K.S., Park, J.E., and Lee, H.Y. (2012) Characteristic of Local Behavior in Orthotropic Steel Deck Bridge with Open Ribs according to Running Vehicle, Journal of Korean Society of Steel Structures, KSSC, Vol. 24, No. 1, pp.101-108 (in Korean). 

  9. 선창원, 박경진, 경갑수, 김교훈(2008) 세로리브 내부 보강상세에 따른 강바닥판 연결부의 피로거동 특성에 관 한 해석적 연구, 한국강구조학회 논문집, 한국강구조학회, 제20권, 제1호, pp.105-119. Sun, C.W., Park, K.J., Kyung, K.S., and Kim, K.H. (2008) Analytical Study on the Characteristic of Fatigue Behavior in Connection Parts of Orthotropic Steel Decks with Retrofitted Structural Details in Longitudinal Rib, Journal of Korean Society of Steel Structures, KSSC, Vol. 20, No. 1, pp.105-119 (in Korean). 

  10. 신재철, 안주옥, 윤태양(2007) 강바닥판의 피로성능 향상을 위한 다이아프램 구조상세, 한국강구조학회 논문 집, 한국강구조학회, 제19권, 제6호, pp.559-573. Shin, J.C., An, Z.O., and Yoon, T.Y. (2007) A Numerical Analysis on the Diaphragm Structures for Improving Fatigue Performance in Orthotropic Steel Decks, Journal of Korean Society of Steel Structures, KSSC, Vol. 19, No. 6, pp.559-573 (in Korean). 

  11. Wolchuk, R. (1999) Steel Orthotropic Decks-Developments in the 1990's, In Transportation Research Record 1688. Transportation Research Board, National Research Council, Washington, DC. 

  12. MIDAS Civil (2009) Integrated Solution System for Bridge and Civil Structures, MIDAS Information Technology Co., Ltd. 

  13. Murakmi, Y. and Nemat-Nassar, S. (1982) Interacting Dissimilar Semi-Elliptical Surface Flaws Under Tension and Bending, Engineering Fracture Mechanics, Pergamon Press, Vol. 16, No. 3, pp.373-386. 

  14. Heath, B.J. and Grant, A.F., Jr. (1984) Stress Intensity Factors for Coalescing and Single Corner Flaws along a Hole Bore in a Plate, Engineering Fracture Mechanics, Pergamon Press, Vol. 19, No. 4, pp.665-673. 

  15. Haddon, R.A., W. (1967) Stress in an Infinite Plate with two Unequal Circular Holes, Q.J. Mech. Math, Vol. 20, p.277. 

  16. 송삼홍(1994) 유한요소법에 의한 결함 주위의 응력 분포와 피로 크랙의 간섭효과, 한국과학재단, KOSEF 921-0900-018-2, pp.79-87. Song, S.H. (1994) Analysis of the stress distribution around flaws and the interaction effects between fatigue cracks by Finite Element Method, KOSEF, KOSEF 921-0900-018-2, pp.79-87 (in Korean). 

  17. 송삼홍, 김철웅, 김태수, 황진우(2003) 항공재료 리벳홀에 인접한 원공결함의 위치에 따른 응력집중계수의 변화와 균열발생거동, 2003년도 춘계학술대회 논문집, 대한기계학회, pp.381-388. Song, S.H., Kim, C.W., Kim, T.S., and Hwang, J.W. (2003) The Variation of Stress Concentration Factor and Crack Initiation Behavior on the Hole Defects Around the Rivet Hole in a Aircraft Materials, Proceeding of the KSME Spring Annual Meeting, KSME, pp.381-388 (in Korean). 

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

오픈액세스(OA) 유형

GOLD

오픈액세스 학술지에 출판된 논문

저작권 관리 안내
섹션별 컨텐츠 바로가기

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

AI-Helper 아이콘
AI-Helper
안녕하세요, AI-Helper입니다. 좌측 "선택된 텍스트"에서 텍스트를 선택하여 요약, 번역, 용어설명을 실행하세요.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.

선택된 텍스트

맨위로