선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- 참고문헌[6]과 [8]등에서는 강바닥판의 U리브와 가로보의 교차부 용접 처리 및 스캘럽에 대한 처리방안을 제시하고 있다. 본 연구에서도 참고문헌과 동일한 상태에 대한 적절한 SRH의 크기 및 위치를 제안하고자 한다. 참고로 Fig.
- 앞서의 연구[5],[7]에 제시된 바와 같이 응력집중부 근방에 배치된 응력완화홀(이하 SRH라 칭함)이 집중되는 응력을 분산시키는 데에 탁월한 효과가 있음을 확인 한 바 있으므로, 본 연구에서는 SRH가 기존 강바닥판교의 U-리브와 교차하는 가로리브에 일반적으로 배치시켜 왔던 스켈럽의 역할을 충분히 대신할 수 있는지 여부를 연구 검토하여 그 적용 가능성을 확인하고, 적용되는 원형 SRH의 위치 및 크기에 따른 영향을 분석하여 추후 보다 경쟁력 있는 강바닥판 교량 제작 및 공용 중 유지관리에 대응할 수 있는 SRH 개발의 이론적 근거를 마련하고자 하였다.
- 이번 모델링에서는 지름의 크기와 순이격거리를 일정하게 하여, 결과 Data의 응력변화를 살펴보고 이격거리(s)와 순이격거리(s’)중 어떤 요소가 응력변화에 지배적인지를 알아보고자 실시되었다.
- 그러나 강바닥판교의 응력집중부에 적용되는 스켈럽 대용을 위한 SRH는 이제 처음 시도되는 것이다. 적용 가능성에 대하여는 이미 이전 연구[5]에서 검토된 바 있으므로 본 연구에서는 SRH의 배치 위치나 크기 등에 대한 적절한 대응 방법을 찾기 위해 다양한 형태의 모델링을 통하여 그 위치 및 형태를 결정하고자 한다.
제안 방법
- 이를 고려하여 응력집중이 생기지 않는 직선접합부는 제외하고 곡선접합부 주변을 중심으로 SRH를 배치하여 모델링을 실시하였다. Fig. 11에 나타낸 바와 같이 먼저 직경 25mm, 이격거리 S는 20, 40, 60mm 3가지에 대하여 검토하고 이들로부터 얻은 데이터를 검토하여 응력집중과 완화에 민감한 각도들을 선정하고 이후, 이들 선정된 각도를 갖는 방향에 원형 SRH를 배치하고자 할 때, 이격거리 및 직경변화 및 순이격거리 등에 따른 발생응력의 변화를 검토하여 원형 SRH의 적용가능성을 분석하였다. 결과 Data는 평면응력(Plane-stress) 상태에서 Element 내 유효응력(Sig-eff) 값을 출력하였으며, 정적인 상태를 나타내는 자중은 충격을 고려한 활하중을 포함하여도 허용응력 이하로 되는 조건이므로 피로에 영향을 주지 않는다고 판단하여 충격을 포함한 차량하중으로 인해 발생된 응력만을 검토하였다.
- 11에 나타낸 바와 같이 먼저 직경 25mm, 이격거리 S는 20, 40, 60mm 3가지에 대하여 검토하고 이들로부터 얻은 데이터를 검토하여 응력집중과 완화에 민감한 각도들을 선정하고 이후, 이들 선정된 각도를 갖는 방향에 원형 SRH를 배치하고자 할 때, 이격거리 및 직경변화 및 순이격거리 등에 따른 발생응력의 변화를 검토하여 원형 SRH의 적용가능성을 분석하였다. 결과 Data는 평면응력(Plane-stress) 상태에서 Element 내 유효응력(Sig-eff) 값을 출력하였으며, 정적인 상태를 나타내는 자중은 충격을 고려한 활하중을 포함하여도 허용응력 이하로 되는 조건이므로 피로에 영향을 주지 않는다고 판단하여 충격을 포함한 차량하중으로 인해 발생된 응력만을 검토하였다.
- 교차부 U-리브 하단 부위의 피로손상을 줄이기 위해 본 연구를 통하여 제시된 SRH 즉, U-리브가 교차하는 가로리브의 적절한 위치에 적합한 크기의 원형의 구멍을 두는 방안에 대하여 검토한 결과, SRH의 배치 위치 및 크기와 관련하여 다음과 같은 특성들을 확인할 수 있었다.
- 구조해석에는 범용 구조해석 프로그램인 MIDAS Civil 2009[9]를 이용하였으며, 모델링에 사용된 요소는 상, 하부 플랜지와 웨브, 다이아프램 등은 Plate 요소, 상부콘크리트는 Solid 요소를 이용하되, 다이아프램 내 지점부 수직보강재, 횡방향 보강재 등과 같이 편심이 고려되지 않는 보강재에 한하여 Beam 요소를 적용하여 모델링을 단순화 하였다. 이들 서로 다른 요소들 연결부에서는 변형일치 조건을 부여 하였다.
- 그러나 이들 교차부에 대해 제시되고 있는 스켈럽 등의 구조상세 및 이들에 대한 상세범주의 허용피로응력범위에 맞추어 설계 가설되어 공용 중인 많은 구조상세에서 피로균열이 발생되는 사례가 적지 않아, 발생응력 이외에 잔류응력, 변형 등 여타 다른 요인이 있을 것으로 예상되지만, 기존의 발생응력범위에 대응하는 핫스폿응력[2] 등을 고려해 보았지만 실제 계산된 결과응력과 비교할 때 무리가 있어 참고문헌[5]～[8] 등에서 택한 접근 방법으로 상세해석의 응력을 이용하여 피로검토를 실시하도록 하였다.
- 안전율 확보를 위하여 C등급과 원형홀 근방의 응력을 비교하였다. 또한 U-리브 하단응력의 경우 기존 적용된 E등급을 기준으로 비교하였다.
- 모델링은 Fig. 18에 나타낸 것처럼 지름이 증가함에 원의 중심을 반지름만큼 증가시켜 순이격거리가 일정하도록 모델링되었다. 지름은 4mm씩 증가시키면서 원의 중심도 같은 방향으로 2mm씩 이동하여 지름 25mm부터 57mm까지 9개의 모델링을 실시하였고, 어떻게 배치시켜도 U-리브 하단 부위의 발생응력이 커져 피로에 취약하게 되는 각도 230° 및 221° 방향을 제외한 212° 및 208° 방향에 해당하는 모델링에 대하여만 검토하였다.
- 이중 Beam요소는 11,038개 Plate 요소는 28,318개이고 Solid 요소는 4,148개로 모델링 되었다. 서브모델링에 의해 모델링의 전체 크기를 줄여가며 4단계로 진행되었으며, 서브모델링 시 각 절점에 이전 단계에서 발생된 변위를 하중으로 재하하였다. 정밀 해석 결과를 얻기 위해 요소의 크기를 작게 하였는바, Fig.
- 스켈럽 대용으로 적용하려고 하는 원형 SRH는 U-리브와 가로리브의 교차부에 놓이게 되며, 이와 같은 SRH는 구조물의 전체적 강성에는 영향이 거의 없는 정도이므로 최종 서브 모델링에 직접 배치하는 것으로 하였다.
- 앞에서 선택한 각도별 위치에 대하여 이격거리를 60mm로 고정한 상태에서 SRH의 중심점을 기준으로 반지름을 1mm씩 증가시켜 지름을 25mm부터 41mm까지 9가지를 모델링하였으며 이들 결과는 Fig. 24에 나타내었다.
- 앞에서 직경 25mm인 SRH의 적정 이격거리 20∼40mm를 고려하여 보다 큰 직경에 대한 검토인 점을 고려하여 이격거리를 60mm로 하였다.
- 앞의 절에서 검토된 내용에 따르면 원형 SRH 내부의 최대 발생응력값과 U-리브 하단 곡선부위에 발생되는 응력은 230°～218° 위치에서 최댓값을 보이며, 그 이하 또는 이상의 각도에서는 낮은 응력 상태에서 감소 또는 증가하는 추세를 보이고 있다. 원형 SRH 내부의 응력변화는 해당 구조상세에 대한 피로 저항을 고려할 때, 대응에 크게 문제가 없다고 판단하여 U-리브 하단부의 응력변화에 중점을 두고 검토 하였다.
- 10(b)에 나타낸 바와 같이 U-리브와 가로리브 교차부 전체를 용접할 경우, U-리브의 하단곡선부분에서 응력이 집중되며, 그로 인하여 피로균열 유발 취약점이 되고 있다. 이 응력집중을 분산시키기 위하여 본 연구에서는 응력집 중부 근방에 원형 SRH를 위치시켜 발생되는 U-리브의 하단곡선부의 응력과 완전용접 상태에서의 응력을 비교하여 SRH의 효과를 비교 검토하며, 기존의 비슷한 형태의 연구물이 없고, 형태와 응력의 종류에 따라 그 위치 및 형상에 따라 발생되는 최대 응력의 크기 및 위치가 달라지므로 임의의 기준점을 시작으로 다음과 같이 가장 효율적 위치를 찾아내었다.
- 이를 고려하여 응력집중이 생기지 않는 직선접합부는 제외하고 곡선접합부 주변을 중심으로 SRH를 배치하여 모델링을 실시하였다. Fig.
- 각 상황별 모델링은 일정한 기준 하에 특정 요인만을 변화시켰기 때문에 특정 위치의 요소의 응력 또한 일정한 패턴을 가지게 된다. 이에 U-리브 하단 특정 요소응력 결과 값이 연속적이고 일정한 패턴을 유지한다면 모델링의 정확도가 높다고 판단되며, 결과 값이 불규칙한 변화를 나타낼 때는 모델링 시 오류가 있다고 판단하여 Fig. 6～8에나타낸 바와 같이 여러 단계를 거쳐 모델링의 재검토 및 리모델링을 실시하였다. 본 논문에 제시된 모든 결과 값들은 동일한 절차를 실시하여 모델링의 정확도를 높였다.
- 이제 적용되는 원형 SRH의 크기를 변화시켜 검토함으로써 어느 정도 크기의 SRH가 적절한가를 살펴 볼 필요가 있다고 판단하여 앞서 진행된 각 각도별 위치에 대하여 이격거리 60mm를 기준으로 SRH의 직경 변화에 따른 응력변화를 검토 하였다. 앞에서 직경 25mm인 SRH의 적정 이격거리 20∼40mm를 고려하여 보다 큰 직경에 대한 검토인 점을 고려하여 이격거리를 60mm로 하였다.
- 862MPa로 하고 있다. 이후 버전에서는 LRFD계수 활용으로 접지압에 대한 언급이 삭제되면서 하중계수 및 충격 등으로 변화하는 하중에 대응하여 접지면 길이가 변화되도록 규정되고 있어, 국내 도로교 설계기준의 강바닥판 피로 설계의 경우 의문점이 있지만 본 연구에서는 국내 기준에 의거 검토하였다. 사용된 강재는 바닥강판과 U-리브는 SM490을, 가로 리브 수직보강재 등 보강재에 대하여는 SM400을 적용하여 검토하였다.
- 일반적으로 적절히 배치된 원형의 구멍은 근방의 공칭응력에 대한 피로등급이 D등급(허용 한계 공칭 응력범위 48MPa) 정도로 예상되기 때문에[2],[3] 안전율 확보를 위하여 C등급과 원형홀 근방의 응력을 비교하였다. 또한 U-리브 하단응력의 경우 기존 적용된 E등급을 기준으로 비교하였다.
- FEM 해석 시 요소의 크기는 결과에 큰 영향을 미치기 때문에 서브모델링 의 요소크기를 정할 때 중요한 고려사항이 된다. 적절한 요소의 크기를 결정하기 위하여, 모델링은 Fig. 6과 같이 측정부위의 Element의 크기를 작게 나누고 요소의 수를 증가 시켜 해가 수렴하는 값을 찾는 방법을 사용 하였다. 해석을 통해 응력집중부를 Fig.
- 지름은 4mm씩 증가시키면서 원의 중심도 같은 방향으로 2mm씩 이동하여 지름 25mm부터 57mm까지 9개의 모델링을 실시하였고, 어떻게 배치시켜도 U-리브 하단 부위의 발생응력이 커져 피로에 취약하게 되는 각도 230° 및 221° 방향을 제외한 212° 및 208° 방향에 해당하는 모델링에 대하여만 검토하였다.
- 직경 25mm를 갖는 SRH에 대하여 20mm의 이격거리를 둔 상태에서 각도를 252°부터 208°까지 총 14가지 경우로 배치시켜 결과를 검토하였다.
대상 데이터
- 이후 버전에서는 LRFD계수 활용으로 접지압에 대한 언급이 삭제되면서 하중계수 및 충격 등으로 변화하는 하중에 대응하여 접지면 길이가 변화되도록 규정되고 있어, 국내 도로교 설계기준의 강바닥판 피로 설계의 경우 의문점이 있지만 본 연구에서는 국내 기준에 의거 검토하였다. 사용된 강재는 바닥강판과 U-리브는 SM490을, 가로 리브 수직보강재 등 보강재에 대하여는 SM400을 적용하여 검토하였다.
- 이러한 방법을 통하여 전체 모델링에 사용된 노드 수는 28,140개이며, 요소 수는 42,504개이다. 이중 Beam요소는 11,038개 Plate 요소는 28,318개이고 Solid 요소는 4,148개로 모델링 되었다.
- 이상 검토 결과로부터 교차부 응력완화를 위한 U-리브 중심을 기점으로 하는 SRH의 각도별 배치에 대한 검토는 SRH 내부 발생응력보다는 U-리브 하단 부위에 발생되는 응력의 완화가 주요 관심 대상이므로 검토 각도는 SRH 배치에 의해 U-리브 하단의 발생응력이 변화하는 230°, 최소값이 나타나는 근방인 221°, 212° 및 208°를 대상으로 선택하였다.
- 이러한 방법을 통하여 전체 모델링에 사용된 노드 수는 28,140개이며, 요소 수는 42,504개이다. 이중 Beam요소는 11,038개 Plate 요소는 28,318개이고 Solid 요소는 4,148개로 모델링 되었다. 서브모델링에 의해 모델링의 전체 크기를 줄여가며 4단계로 진행되었으며, 서브모델링 시 각 절점에 이전 단계에서 발생된 변위를 하중으로 재하하였다.
- 4와 같이 최종 서브모델링에 사용된 요소 수는 27,009개이다. 이중 Plate 요소는 26,624개, Solid요소는 6,400개로 모델링 되었다.
- 서브모델링에 의해 모델링의 전체 크기를 줄여가며 4단계로 진행되었으며, 서브모델링 시 각 절점에 이전 단계에서 발생된 변위를 하중으로 재하하였다. 정밀 해석 결과를 얻기 위해 요소의 크기를 작게 하였는바, Fig. 4와 같이 최종 서브모델링에 사용된 요소 수는 27,009개이다. 이중 Plate 요소는 26,624개, Solid요소는 6,400개로 모델링 되었다.
성능/효과
- (1) 현재 적용되는 U-리브 스켈럽의 응력집중부인 용접 단부를 고려할 때, 크기와 형상이 거의 유사하게 되는 이격거리 60mm, 각도 212, 그리고 직경 33mm인 원형 SRH 의 경우 내부 발생 최대응력의 50%, U-리브 하단 부위에서 발생되는 최대응력의 22%를 감소시킬 수 있었다.
- (2) 원형 SRH의 배치에 있어서 배치각도가 변화하면 SRH 자체내부에 발생되는 응력보다는 U-리브 하단 용접부에 발생되는 응력이 피로에 더 취약하며, 이를 극복하기 위한 배치 각도가 존재함을 확인하였다.
- (3) 원형 SRH를 배치할 때 이격거리를 변화시킬 때, 이격거리 40mm이하에서는 SRH 내부는 물론 U-리브 하단부의 응력이 급격히 증가하는 등 문제가 발생할 수 있으며, 적용된 SRH의 직경을 작게 하더라도 이격거리를 크게 되면 U-리브 하단부에 허용피로 범주를 벗어나게 됨을 확인하였다.
- (4) 한편 지름이 커지면 발생응력이 감소하지만, U-리브 경계와 원형 SRH의 중심까지를 고려하는 이격거리보다는 SRH의 경계가지의 순이격거리를 고려하여 직경을 결정하는 것이 보다 중요한 인자인 것으로 판단된다.
- SRH의 위치에 관련하여 U-리브 외측으로부터 SRH 중심까지의 이격거리는 40mm 이전에 홀이 위치할 때에는 각도 변화에 따라 차이는 있지만, SRH 내부 또는 U-리브 하단 곡선부에 발생되는 응력이 급격한 응력증가는 물론 필요로 되는 순이격거리 확보 불가로 인하여 문제가 발생될 수 있으며, SRH의 직경이 25mm 이하에서 이격거리를 60mm 이상이격되는 경우에는 U-리브 하단부에 발생되는 응력이 허용 피로응력범위를 벗어나 응력분산의 효과를 나타내지 못함을 확인하였다.
- U-리브 하단부에 발생되는 최대응력은 배치된 SRH의 직경이 커질수록 감소하는 경향을 나타내며 각도 212° 방향의 경우 직경 37mm 이상, 208° 방향에 SRH를 배치할 경우는 직경 45mm 이상을 배치 하면 U-리브 하단 부위에 발생되는 응력들이 모두 허용피로 응력범위 이내로 감소하게 됨을 보여준다.
- 기존 U-리브와 가로리브 교차부에 발생되는 피로응력을 감소시키기 위해 U-리브와 가로리브가 교차하는 부위 전체를 용접하게 됨으로써 발생되는 응력과 스켈럽을 적용하게 됨에 따라 발생되는 응력들의 크기는 같은 외력조건에 대해 SRH를 적용하여 집중되는 응력을 완화시킬 수 있음이 확인되었으며, 이로써 SRH를 이용한 구조상세는 해당 구조상세의 상세범주에 대한 허용피로응력범위를 초과하지 않도록 집중응력을 분산시켜 피로균열이 발생되지 않는 충분한 저항능력을 갖춘 구조상세 중 하나가 될 수 있음을 확인하였다. 예를 들면 도로교 설계기준이 규정한 설계조건 하의 강바닥판교 가로-세로리브 교차부 구조상세에 대해 [s60- a212-d33] SRH를 배치할 경우, SRH 내부에서는 최대응력: 39.
- 6～8에나타낸 바와 같이 여러 단계를 거쳐 모델링의 재검토 및 리모델링을 실시하였다. 본 논문에 제시된 모든 결과 값들은 동일한 절차를 실시하여 모델링의 정확도를 높였다. 이후 동일한 내용이므로 각 단계 마다 중복되는 U-리브 하단 특정 요소응력의 설명은 생략한다.
- 원형 SRH가 적용되는 방향과 위치를 고려할 때, U-리브의 폭과 높이의 1/2을 중심으로 각도가 시계방향으로 208°∼216° 사이에 홀이 위치하였을 때 U-리브 하단 곡선부에 발생하는 응력이 허용피로응력범위 이하의 값을 가지게 되는 것을 확인하였다.
- 원형 SRH의 지름변화에 따른 발생응력은 SRH를 U-리브하단 아래쪽에 위치시킬 경우에는 지름의 증가에 따라 그 응력이 감소하며, 순이격거리를 일정하게 하면서 지름에 변화를 줄 경우, 지름이 크게 되어도 SRH 절취부 내의 최대 발생응력에는 큰 변화가 없으면서, U-리브 하단부위에 발생 하는 응력은 지속적으로 감소하였다. 그 응력의 변화율은 이격거리를 고려한 경우가 순이격거리를 고려한 경우보다 크게 나타났다.
- 8에 정리하였다. 응력집중 효과를 나타낼 수 있는 요소 크기의 변화를 검토한 결과, Fig. 8 과 같이 5번째 모델링의 41.1 MPa에서부터 급격히 수렴하기 시작하는 것으로 나타났다. 요소의 크기는 Fig.
- 즉, 각도 212° 방향에 SRH를 배치시킬 경우, U-리브의하단응력은 홀의 지름이 증가함에 따라 지속적으로 감소하는데, 그 경향은 지름이 25mm에서 57mm로 약 120%증가하는데 대해 최대 발생응력은 31.4MPa로부터 28.4MPa까지약 10%의 응력감소를 타나내었다.
- 한편 U-리브 하단 부에 발생되는 응력에 있어서도 앞에서 간략히 기술하였듯이 배치하고자 하는 SRH의 직경을 33mm이상으로 한다면 212° 방향 이격거리 60mm에서 문제가 없으며 208° 방향에서는 39mm 정도로 충분히 교차부 상세에 발생되는 응력범위를 허용피로응력범위 이하로 낮출수 있음을 확인할 수 있었다.
- 한편 U-리브 하단부에서는 이격거리 20mm에서 응력이 집중하였던 위치 224°가 227° 근방으로 이동하면서 완화되지만 216°번 위치 부근에 위치할 때 18.6MPa까지 감소하였던 응력이 이격거리가 60mm로 커지면 U-리브 하단부에 발생되는 최대응력은 SRH가 어느 위치에 오더라도 허용피로응력범위 31MPa을 초과하는 상태로 됨을 확인 할 수 있었다.
후속연구
- 위 결론에 의거 국내외 강상판교의 피로손상에 관련된 문제를 해결하기 위하여 대응하는 추세는 U-리브의 두께를 증가시키고 있으나 사용 판재의 두께를 늘리는 것 보다 기존 두께의 판재에 SRH를 배치시키는 것이 더 효과적이라 생각되며, 그 효과가 추후 곡선 SRH의 적용 등 계속된 연구로 재확인되어 이론에서 벗어나 실험으로 검증된다면 향후 강바닥 판을 이용하는 구조체의 자중 감소 및 시공비를 대폭 줄일 수 있을 것이다. 그러나 이번 연구에서 모델링 되었던 U-리브 하단부에 발생되는 응력의 감소를 위한 원형 SRH는 아직 U-리브 하단부에 발생되는 피로균열의 문제를 충분히 해소 시키지 못하였다고 생각하며, 현재 진행 중인 추가 연구에서는 SRH의 형상 및 형상 변화에 따른 배치 위치의 재확인, 그리고 교차부 용접처리 방법 등을 변화시키는 등 조금 더 효과 적인 SRH를 제시하고자 하며, 이번 연구에서 다루지 않았던 SRH로 인한 교차부 국부좌굴에 관한 해석 및 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 위 결론에 의거 국내외 강상판교의 피로손상에 관련된 문제를 해결하기 위하여 대응하는 추세는 U-리브의 두께를 증가시키고 있으나 사용 판재의 두께를 늘리는 것 보다 기존 두께의 판재에 SRH를 배치시키는 것이 더 효과적이라 생각되며, 그 효과가 추후 곡선 SRH의 적용 등 계속된 연구로 재확인되어 이론에서 벗어나 실험으로 검증된다면 향후 강바닥 판을 이용하는 구조체의 자중 감소 및 시공비를 대폭 줄일 수 있을 것이다. 그러나 이번 연구에서 모델링 되었던 U-리브 하단부에 발생되는 응력의 감소를 위한 원형 SRH는 아직 U-리브 하단부에 발생되는 피로균열의 문제를 충분히 해소 시키지 못하였다고 생각하며, 현재 진행 중인 추가 연구에서는 SRH의 형상 및 형상 변화에 따른 배치 위치의 재확인, 그리고 교차부 용접처리 방법 등을 변화시키는 등 조금 더 효과 적인 SRH를 제시하고자 하며, 이번 연구에서 다루지 않았던 SRH로 인한 교차부 국부좌굴에 관한 해석 및 연구가 필요할 것으로 판단된다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.