[논문]비파괴법을 활용한 격자지보의 성능평가 기법 제안

정혁상

doi:10.9711/ktaj.2016.18.5.431

[국내논문] 비파괴법을 활용한 격자지보의 성능평가 기법 제안
Introduction to the quality evaluation of lattice girder using nondestructive test 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.18 no.5, 2016년, pp.431 - 439

초록
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본 논문은 비파괴 기법을 활용한 격자지보재의 품질평가 기법에 대한 내용을 다루었다. 일반적인 격자지보재의 성능평가는 강재의 인장강도시험과 육안조사로 이루어진다. 강재의 인장강도시험은 현장에 반입되는 격자지보의 시편을 확보하여 수행하게 되는데 이때 시편 확보를 위해 격자지보재를 훼손시켜야하는 단점을 가지고 있고 대부분의 현장에서는 인장강도시험기를 보유하고 있지 않아 시험인증기관에 의뢰해야하는 불편함을 가지고 있다. 또한 강재 생산시 발행된 성적서(Mile sheet)로 대체하기도 하나 이는 신뢰성이 결여될 수 밖에 없다. 더욱이 현장에서의 육안조사는 신뢰성이 결여되는 문제점을 가지고 있기 때문에 현장에서 자재의 훼손없이, 쉽고 빠르게 격자지보재의 품질을 평가할 수 있는 방법이 필요하게 되었다. 따라서 본 연구에서는 동일 시편에 대한 인장강도시험의 항복강도와 계장화압입시험의 항복강도를 비교 분석하여 비파괴시험법의 적용성을 분석하였다. 시험결과 계장 화압입시험은 95%이상의 정밀도를 보였으며 현장에서 성능평가가 가능한 계장화압입시험에 의한 품질평가기법을 제안하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper dealt with contents of the quality evaluation method of lattice girder utilizing non-destructive method. Quality evaluation of ordinary lattice girder is performed through the tensile strength test of structural steel and visual inspection. The tensile strength test of structural steel is performed by collecting samples of lattice girder brought into the site, during which lattice girder must be damaged to obtain sample. In addition to such disadvantage, tensile strength tester is not available at the site in most cases, requiring an inconvenient service from test certification agency. In addition, it is substituted by mile sheet issued during the production of structural steel, which inevitably lacks reliability. Furthermore, visual inspection at the site entails a problem of lack of reliability, thereby requiring a method of easily and quickly evaluating the quality of lattice girder without damaging the material. Accordingly, this study comparatively analyzed the yield strength of tensile strength test and the yield strength of instrumented indentation test with same sample. The test results ensured over 95% precision level for the instrumented indentation test, based on which a quality evaluation method based on instrumented indentation test that allowed onsite direct quality evaluation is proposed.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

계장화압입시험은 인장강도시험의 항복강도를 기준으로 정밀도를 파악하기 위하여 수행하였다. 계장화압입시험에 사용된 강봉 시편은 인장강도시험에 사용된 것과 동일한 시편을 사용하였고 시험 횟수도 동일하게 수행하였다.
따라서 본 연구에서는 현장에서 격자지보재의 품질을 평가할 수 있는 비파괴검사법인 계장화압입시험에 대한 적용성에 대하여 연구하였다. 실내시험을 통해 계장화압입시험의 정밀도를 평가하였으며 특히 격자지보의 취약부라고 할 수 있는 곡선부와 용접부에 대한 평가를 실시하였다.
본 연구에서는 비파괴법인 계장화압입시험을 통해 격자지보의 품질평가에 대한 적용성 연구를 위해 인장시험과 계장화압입시험의 항복강도를 비교하여 정밀도를 분석하였으며 격자지보의 취약부라고 할 수 있는 곡선부와 용접부에 대한 항복강도를 분석할 수 있는 방법에 대하여 연구하였고 그 결과를 요약·정리하면 다음과 같다.
그러나 앞서 설명한 바와 같이 용접부는 매우 취약할 수 밖에 없어 이에 대한 성능 평가가 반드시 이루어져야 한다. 이에 계장화압입시험을 통해 용접부의 항복강도를 추정 할 수 있어 이에 대한 검증을 하고 자한다. 현행 용접부의 성능은 부재 간 완전한 용접성능을 발휘할 수 있는 재질 및 형상의 구조용 강재를 사용해야 하며 용접부의 항복강도는 모재의 강도 이상의 성능을 발휘해야 한다.
인장강도시험은 계장화압입시험의 항복강도를 대조군으로 사용하기 위하여 실시하였다. 인장강도시험에 사용된 격자지보재는 일반적으로 적용되고 있는 규격격자지보재(3종류)와 육안상 구분이 어려운 비규격격자지보재(3종류)를 적용하였다.

제안 방법

계장화압입시험의 정밀도를 분석하기 위해 파괴시험인 인장강도시험과 비피괴시험인 계장화압입시험을 수행하였고 두 시험을 통해 도출된 항복강도를 비교·분석하였다.
따라서 계장화압입시험의 인장강도는 동일 Lot에서 생산된 제품을 대상으로 인장강도시험에서 확보된 항복강도를 기준으로 계장화압입시험의 항복강도와 비교·분석하였다.
따라서 용접부의 항복강도를 500 MPa로 기준으로 계장화압입시험의 항복강도와 비교·분석하여 정밀도를 분석하였다.
비규격격자지보재의 경우 규격격자지보재와 육안상 확인이 어려운 이유로 항복강도 500 MPa을 만족시키지 못하는 강재로 생산된 격자지보재가 유입될 우려가 있어 강재 SS400로 제작한 비규격의 격자지보를 시험 대상에 포함시켰다. 또한 격자지보재의 주강봉과 보조강봉으로 구분하여 인장강도시험을 실시하였다.
본 시험에서는 계장화압입시험을 통해 격자지보의 취약부분이라고 할 수 있는 용접부와 곡선부의 항복강도를 평가하였다. 격자지보는 스프링라인 상반의 아치형태의 곡선부와 스프링라인 하반의 직선부로 구성되는데 곡선부는 터널 하중으로 인해 취약하며 용접부분은 더욱더 취약할 수 밖에 없다.
본 시험에서는 계장화압입시험의 정밀도를 분석하였다. 계장화압입시험의 정밀도를 분석하기 위해 파괴시험인 인장강도시험과 비피괴시험인 계장화압입시험을 수행하였고 두 시험을 통해 도출된 항복강도를 비교·분석하였다.
계장화압입시험에 사용된 강봉 시편은 인장강도시험에 사용된 것과 동일한 시편을 사용하였고 시험 횟수도 동일하게 수행하였다. 시편의 압입소자와의 접촉면은 사포로 면을 정리한 후 시험을 실시하였다.
따라서 본 연구에서는 현장에서 격자지보재의 품질을 평가할 수 있는 비파괴검사법인 계장화압입시험에 대한 적용성에 대하여 연구하였다. 실내시험을 통해 계장화압입시험의 정밀도를 평가하였으며 특히 격자지보의 취약부라고 할 수 있는 곡선부와 용접부에 대한 평가를 실시하였다.
압입소자의 최대압입변위는 150 μm이며 0.3 mm/min의 하중 인가 속도를 적용하였고 최대압입변위는 150 um이며 50% 하중 제거율과 제거 반복횟수는 15회를 적용하였다.

대상 데이터

계장화압입시험은 인장강도시험의 항복강도를 기준으로 정밀도를 파악하기 위하여 수행하였다. 계장화압입시험에 사용된 강봉 시편은 인장강도시험에 사용된 것과 동일한 시편을 사용하였고 시험 횟수도 동일하게 수행하였다. 시편의 압입소자와의 접촉면은 사포로 면을 정리한 후 시험을 실시하였다.
계장화압입시험에 사용된 시험기는 (주)프론틱스사에서 제작한 AIS3000을 사용하였다. 압입소자의 최대압입변위는 150 μm이며 0.
시편으로 사용된 규격격자지보재와 비규격격자지보재는 각각 Type50 (50×20×30), Type70 (70×20×30), Type95 (95×22×32)의 3종류를 사용하였고 제원은 다음 Table 1과 같다.
인장강도시험은 계장화압입시험의 항복강도를 대조군으로 사용하기 위하여 실시하였다. 인장강도시험에 사용된 격자지보재는 일반적으로 적용되고 있는 규격격자지보재(3종류)와 육안상 구분이 어려운 비규격격자지보재(3종류)를 적용하였다. 비규격격자지보재의 경우 규격격자지보재와 육안상 확인이 어려운 이유로 항복강도 500 MPa을 만족시키지 못하는 강재로 생산된 격자지보재가 유입될 우려가 있어 강재 SS400로 제작한 비규격의 격자지보를 시험 대상에 포함시켰다.

이론/모형

격자지보재의 시편은 KS B 0801 (금속재료인장강도 시험편)에 의거하여 준비하였으며 인장시험은 KS B 0802 (금속재료 인장 시험 방법)에 의거하여 실시하였다. Fig.

성능/효과

1. 격자지보재의 인장강도시험과 계장화압입시험의 항복강도를 비교하는 정밀도 분석 결과 오차율은 5% 미만의 높은 정밀도를 보이는 것으로 나타났다.
2. 격자지보의 취약부인 곡선부의 계장화압입시험 정밀도를 분석해 본 결과 최소 96.0%에서 최대 108.3%로 나타나 높은 정밀도를 보이는 것으로 나타났다.
3. 격자지보의 취약부인 용접부의 계장화압입시험의 정밀도를 분석해 본 결과 최소 97.4%에서 최대 107.0%의 정밀도를 보여 실제적으로 더 높은 항복강도를 보이는 것을 감안하면 높은 정밀도를 보이는 것으로 나타났다.
4. 계장화압입시험의 높은 정밀도로 현장에서 격자지보재의 성능평가가 가능할 것으로 판단되며 특히 종전에 실시할 수 없었던 취약부(곡선부, 용접부)에 대한 평가를 실시할 수 있게 되었다.
6% 상회하는 것으로 나타났다. 50Type과 70Type의 강봉의 직경은 상부 30 mm, 하부 20 mm로 각각 동일하나 95Type의 경우 상부강봉(주강봉)은 32 mm, 하부강봉(보조강봉)은 22 mm로서 상이하며 타입과 강봉의 직경에 관계없이 일정한 규칙성을 보이지는 않았다. 비규격격자지보재의 항복강도는 최소 304.
계장화압입시험 결과 규격격자지보재의 항복강도는 최소 519.9 MPa에서 최대 566.4 MPa로 나타났으며 타입과 강봉의 종류에 상관없이 기준 항복강도 500 MPa를 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 비규격격자지보재의 경우 최소 317.
따라서 용접부의 항복강도를 500 MPa로 기준으로 계장화압입시험의 항복강도와 비교·분석하여 정밀도를 분석하였다. 규격격자지보 직선부의 경우 최소 527.4 MPa에서 105.5%의 정밀도를 보였으며 곡선부에서는 최대 535.1 MPa에서 107.0%의 정밀도를 보였다. 또한 항복강도 300 MPa이 예상되는 비규격격자지보재 직선부에서는 292.
8 MPa을 보였으며 기준 항복강도를 만족시키지 못하는 것으로 나타났다. 규격격자지보재와 비규격격자지보재는 강봉의 종류에 따른 일정한 규칙을 나타내고 있지 않은 것으로 나타났다. Table 3에 계장화압입시험결과를 표로 정리하여 나타내었다.
Table 5에 곡선부와 직선부의 계장화압입시험에 의한 항복강도를 정리하였다. 규격격자지보재의 직선부의 항복강도는 평균 531.2 MPa로 나타났으며 곡선부의 항복강도는 538.3 MPa로 나타나 7.2 MPa의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 또한 비규격격자지보재의 직선부와 곡선부의 항복강도는 각각 288.
4 MPa로 나타났으며 타입과 강봉의 종류에 상관없이 기준 항복강도 500 MPa를 만족하는 것으로 나타났다. 그러나 비규격격자지보재의 경우 최소 317.7 MPa에서 최대 378.8 MPa을 보였으며 기준 항복강도를 만족시키지 못하는 것으로 나타났다. 규격격자지보재와 비규격격자지보재는 강봉의 종류에 따른 일정한 규칙을 나타내고 있지 않은 것으로 나타났다.
2 MPa의 차이를 보이는 것으로 나타났다. 또한 비규격격자지보재의 직선부와 곡선부의 항복강도는 각각 288.5 MPa와 299.8 MPa로 나타났다. 규격격자지보재의 기준 항복강도 500 MPa에 맞춰져 생산되는데 비해 비규격격자지보재는 SS400 (300 MPa)에 맞추어 제작되었다.
0%의 정밀도를 보였다. 또한 항복강도 300 MPa이 예상되는 비규격격자지보재 직선부에서는 292.1 MPa에서 97.4%의 정밀도를 보였고 최대 99.2%의 정밀도를 보였다. 이로서 전체적인 오차율은 최소 0.
여기서 정밀도는 인장강도시험의 항복강도를 기준으로 계장화압입시험의 항복강도의 정도를 정의하였다. 비규격격자지보재 상부강봉의 정밀도(108.8%, 118.2%, 121.4%)를 제외하면 비규격격자지보재와 비규격격자지보재, 상부강봉(주강봉)과 보조강보(보조강봉)에 관계없이 최소 96.5%에서 최대 104.3%의 높은 정밀도를 보였으며 오차율은 5% 미만인 것으로 분석되었다.
50Type과 70Type의 강봉의 직경은 상부 30 mm, 하부 20 mm로 각각 동일하나 95Type의 경우 상부강봉(주강봉)은 32 mm, 하부강봉(보조강봉)은 22 mm로서 상이하며 타입과 강봉의 직경에 관계없이 일정한 규칙성을 보이지는 않았다. 비규격격자지보재의 항복강도는 최소 304.4 MPa에서 최대 327.0 MPa로 나타나 기준 항복강도인 500 MPa을 만족하지 못했으며 기준 항복강도에 최대 39.1% 부족한 것으로 나타났다. Fig.
규격격자지보재의 기준 항복강도 500 MPa에 맞춰져 생산되는데 비해 비규격격자지보재는 SS400 (300 MPa)에 맞추어 제작되었다. 이들 값을 기준으로 계장화압입시험에서 측정된 항복강도와 비교하여 정밀도를 분석해 볼 경우 규격격자지보재의 경우 최소 103.5%에서 최대 108.3%로 나타났고 비격자지보재의 경우 최소 96.0%에서 최대 103.3%로 나타나 높은 정밀도를 유지하고 있는 것으로 분석되었다. 더욱이 강재 생산시 기준 항복강도 이상의 강도로 생산되는 점을 감안하면 더 높은 정밀도를 보일 것으로 사료된다.
2%의 정밀도를 보였다. 이로서 전체적인 오차율은 최소 0.8%에서 최대 7.0%의 낮은 오차율을 보이는 것으로 분석되었다. Table 6에 계장화압입시험의 용접부 항복강도 결과를 정리하여 나타내었다.
Table 2는 인장강도시험 결과를 표로 정리하여 나타내었다. 인장강도시험 결과 규격격자지보재의 항복강도는 최소 534.4 MPa에서 최대 557.8 MPa로 나타났으며 기준 항복강도인 500 MPa을 최소 6.9%에서 최대 11.6% 상회하는 것으로 나타났다. 50Type과 70Type의 강봉의 직경은 상부 30 mm, 하부 20 mm로 각각 동일하나 95Type의 경우 상부강봉(주강봉)은 32 mm, 하부강봉(보조강봉)은 22 mm로서 상이하며 타입과 강봉의 직경에 관계없이 일정한 규칙성을 보이지는 않았다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	강지보재를 제작된 형상에 따라 구분하면?	강지보재는 제작된 형상에 따라 H형, U형, I형, Y형 강지보재가 있으며 삼각형과 사각형 형상의 격자지보재로 구분된다(Fig. 1 참조).
	격자지보의 전반적인 형상은 어떤 형상을 가지고 있는가?	격자지보는 주강봉, 보조강봉과 스파이더로 구성되어 있으며 주강봉이 상부에 위치하고 보조강지보이 하부에 위치하며 중간에 스파이더로 결합되어 있다. 전반적인 형상은 삼각형 또는 사각형의 형상을 가지고 있다. 격자지보는 H형 강지보에 비해 가벼워 시공성이 우수하며 격자지보의 구조적 특성에 의해 숏크리트 타설시 격자지보와의 부착성이 탁월하여 구조적 일체성을 이룰 수 있는 장점을 지니고 있다.
	계장화 압입시험이란 무엇인가?	계장화 압입시험이란 압입자로 시험편을 압입하면서 압입하중과 압입깊이를 측정, 재료의 기계적 물성을 평가하는 시험법 중 하나로 기존의 경도시험을 한 차원 발전시킨 형태의 시험을 말한다(Fig. 4 참조).

참고문헌 (5)

Bae, G.J., Goo, H.B., Moon, H.D., Kim, C.Y., Shin, H.S., Hong, S.W. (1996), "Application of Lattice Girders in Tunnelling", Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology, pp. 1-99.
Jung, H.S., Shin, Y.W., Song, K.I., Shin, J.H., (2015), "Performance evaluation of lattice girder depending on the quality of steel", Korean Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 18, No. 2, pp. 165-173.
Korea Expressway Corporation (2009), "A Study on Loading Capacity of Lattice Girder for Quality Control", Korea Expressway Corporation, pp. 64-65.
Lee, K.W., Choi, M.J., Kim, J.Y., Kim, K.H., Kwon, D.I. (2006), "Instrumented indentation Technique: New Nondestructive Measurement Technique for Flow Stress-Strain and Residuals Stress of Metallic Materials", Journal of the Korean Society for Nondestructive Testing, Vol. 26, No. 5, pp. 306-314.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2015), "Guidelines for the design of tunnel", pp. 48-50.

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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