실제 옥외 대기환경하에서 부식손상된 무도장 가시설 강재 및 도장 강재의 피로강도는 명확하지 않다. 본 연구에서는 약 7년간 지하철 공사현장에서 사용된 가시설 부재와 극심한 해양 부식환경하에서 75년간 사용된 영도대교 강부재로부터 절취한 강재의 피로실험을 실시하였다. 그리고 강재 표면의 부식 생성물을 제거한 후 강재 표면의 3차원형상을 측정하여 최대, 최소 및 평균 잔존두께를 계산하였다. 피로실험결과 및 FEM해석 결과에 근거하여 부식특성과 피로강도와의 상관관계를 검토하였으며, 실제 옥외 환경하에서 부식된 무도장 및 도장 강재의 피로수명 평가식도 제시하였다.
실제 옥외 대기환경하에서 부식손상된 무도장 가시설 강재 및 도장 강재의 피로강도는 명확하지 않다. 본 연구에서는 약 7년간 지하철 공사현장에서 사용된 가시설 부재와 극심한 해양 부식환경하에서 75년간 사용된 영도대교 강부재로부터 절취한 강재의 피로실험을 실시하였다. 그리고 강재 표면의 부식 생성물을 제거한 후 강재 표면의 3차원형상을 측정하여 최대, 최소 및 평균 잔존두께를 계산하였다. 피로실험결과 및 FEM해석 결과에 근거하여 부식특성과 피로강도와의 상관관계를 검토하였으며, 실제 옥외 환경하에서 부식된 무도장 및 도장 강재의 피로수명 평가식도 제시하였다.
Fatigue strength of temporary steels and painted structural steels corroded under outdoor atmospheric environments is not clear. In this study, fatigue tests were carried out on steel plates which were cut off from 7-year-old temporary structural member under subway construction environment and from...
Fatigue strength of temporary steels and painted structural steels corroded under outdoor atmospheric environments is not clear. In this study, fatigue tests were carried out on steel plates which were cut off from 7-year-old temporary structural member under subway construction environment and from 75-year-old Yeongdo bridge member under marine atmospheric environment. After removing corrosion production on the steel surface, 3-dimensional surface geometry of the corroded steel was measured at intervals of $1.0{\times}1.0mm$, and corrosion characteristics such as minimum, maximum and mean values of residual thicknesses were calculated. From the fatigue test and FEM analysis results, the relationship between corrosion characteristics and fatigue behavior was presented, and change in fatigue strength of the unpainted and painted steels corroded in outdoor environments was also presented.
Fatigue strength of temporary steels and painted structural steels corroded under outdoor atmospheric environments is not clear. In this study, fatigue tests were carried out on steel plates which were cut off from 7-year-old temporary structural member under subway construction environment and from 75-year-old Yeongdo bridge member under marine atmospheric environment. After removing corrosion production on the steel surface, 3-dimensional surface geometry of the corroded steel was measured at intervals of $1.0{\times}1.0mm$, and corrosion characteristics such as minimum, maximum and mean values of residual thicknesses were calculated. From the fatigue test and FEM analysis results, the relationship between corrosion characteristics and fatigue behavior was presented, and change in fatigue strength of the unpainted and painted steels corroded in outdoor environments was also presented.
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문제 정의
본 연구에서는 부식손상된 강재의 피로거동을 평가하기 위하여 실제 지하철 대기환경하에서 약 7년간 사용된 가시설 강재와 해양 대기환경하에서 75년간 사용된 영도대교 도장강재에 대한 표면형상 측정 및 피로실험을 실시하였다. 그 결과 아래와 같은 결론을 도출하였다.
본 연구에서는 실제 대기환경하에서 부식손상된 강재의 피로시험 데이터 축적 및 부식손상이 강재의 피로거동에 미치는 영향을 평가하기 위하여, 지하철 공사현장의 대기환경 하에서 약 7년간 사용된 무도장 가시설 강부재와 해양 부식환경하에서 약 75년간 공용된 후 철거된 영도대교의 도장 강부재에서 절취한 강재를 대상으로 부식표면형상 측정 및 피로실험을 실시하였다.
전술한 바와 같이 본 실험에서는 부식 손상된 시편 표면형상을 1×1mm 간격으로 측정하였다. 본 절에서는 피로균열 발생위치와 부식 표면의 응력집중과의 상관관계를 검토하기 위하여, 부식 시편의 유한요소 탄성응력해석을 수행하였다. 유한요소해석에서는 3차원 Solid요소를 사용하였으며, 시편 표면의 최소 요소 크기는 1×1mm로 하였다.
이에 본 연구에서는 부식손상된 인장강재의 정적 응력평가에 사용된 유효두께(식 (1))로 계산한 식 (2)의 응력범위를 유효응력범위(△σeffective)라 칭하며, 이를 이용하여 부식 강재의 피로수명을 평가하고자 한다.
제안 방법
(4) 부식 강재의 인장강도 평가법에 사용된 유효두께로 계산된 유효응력범위를 이용하여 약 7년간 사용된 무도장강재 및 약 75년간 사용된 도장강재의 피로수명 추정식을 제시하였다.
가시설 시편은 초기두께 13mm로 계산한 응력범위에 근거하여 주로 150MPa과 200MPa로 피로실험을 실시하였으며, 영도대교 시편은 초기두께를 알 수 없어 부식손상된 표면형상을 측정하여 산출된 평균두께로 계산한 응력범위 250MPa와 200MPa로 피로실험을 실시하였다(참조 Fig. 12, Tables 1과 2). Table 1에 나타낸 것과 같이 가시설 시편 2개는 시편을 고정시키기 위한 피로시험기의 클램프 내에서 피로 파단되었다.
1과 같이 지하철 공사현장의 대기환경하에서 약 7년간 사용된 무도장 가시설주형보의 웨브로부터 절취한 강재를 인장시편 규격(KS B0801 1A호[24])에 준하여 피로시편을 제작(이하 가시설 시편(T specimen)이라 칭함)하였고, KS ISO D 8407[25]에 준하여 10% 염산 수용액에 시편을 24시간 침수 시킨 후, 표면의 잔존 부식 생성물을 강재 브러쉬로 완전히 제거하였다. 그리고 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 해양 대기환경하에서 약 75년간 공용된 후 철거된 영도대교의 도장 강부재에서 절취한 강재를 인장시편 규격(KS B 0801 1A호)에 준하여 시편을 제작하였고, 위와 동일한 방법으로 표면 부식생성물을 제거하여 피로시편(이하 영도대교 시편(Y specimen)이라 칭함)을 제작하였다.
그리고 축방향으로 1MPa을 재하하여 시편 표면의 1×1mm 간격으로 응력 집중계수를 계산하였다.
본 실험에서 대상으로 하고 있는 가시설 강재와 영도대교 강재가 어느 정도 부식되어 있는지는 파악하기 위하여 각 강재의 부식속도를 계산하였다. 가시설 강재는 7년간 지하철 공사환경하에서 사용되었으므로[15],[28], 본 실험에서 측정한 평균두께를 이용하여 각 시편의 편면에서의 연간 평균 부식속도(부식두께감소량)을 계산하면 0.
본 실험에서 대상으로 하고 있는 가시설 강재와 영도대교 강재의 강종 및 기계적 특성을 알 수 없어, 이들 강재의 항복응력을 파악하여 피로실험의 최대 반복하중 및 작용 응력범위를 결정하기 위하여 인장실험을 실시하였다. 인장시편은 부식된 가시설 시편과 영도대교 시편의 표면을 평편하게 밀링 가공하여 가시설 시편은 두께 13mm로, 영도대교 시편은 두께 10.
강구조물에 사용되는 대부분의 구조용 강재는 주로 도장에 의한 피복방식처리를 하지만, 가시설 구조물과 같이 단기간 사용을 목적으로 부식손상 우려가 적은 경우에는 도장을 하지 않은 무도장 강재가 사용되고 있다. 본 실험에서는 무도장 강재와 도장 강재의 부식손상에 의한 피로거동의 변화를 실험적으로 검토하기 위하여, 먼저 Fig. 1과 같이 지하철 공사현장의 대기환경하에서 약 7년간 사용된 무도장 가시설주형보의 웨브로부터 절취한 강재를 인장시편 규격(KS B0801 1A호[24])에 준하여 피로시편을 제작(이하 가시설 시편(T specimen)이라 칭함)하였고, KS ISO D 8407[25]에 준하여 10% 염산 수용액에 시편을 24시간 침수 시킨 후, 표면의 잔존 부식 생성물을 강재 브러쉬로 완전히 제거하였다. 그리고 Fig.
본 피로실험에서는 Fig. 5에 나타낸 것과 같이 1000kN 동적 피로시험기를 사용하여, 일정 진폭하중으로 응력범위은 주로 150, 200, 250MPa이며 반복하중의 속도는 3~10Hz로 하였다. 그리고 모든 피로실험에서 반복하중의 최소하중은 10kN로 고정하였다.
부식표면의 요철정도에 따른 피로수명의 변화를 검토하기 위하여 Fig. 13에 나타낸 것과 같이 응력범위 200MPa의 시편을 대상으로 각 시편 양면의 표점거리 200mm 내 8,000점(가시설 시편) 및 24,000점(영도대교 시편)의 부식깊이에 대한 표준편차(Fig. 12 참조)로 피로수명을 나타내었다. 먼저 부식 시편을 앞면과 뒷면으로 분류하고 피로균열이 발생한 면과 부식깊이의 표준편차를 비교하면, 가시설 시편에서의 피로균열은 표준편차의 크기와 상관없이 앞면 또는 뒷면에서 발생하였으며, 영도대교 시편에서의 피로균열은 표준편차가 상대적으로 큰 면에서 발생하였다.
유한요소해석에서는 3차원 Solid요소를 사용하였으며, 시편 표면의 최소 요소 크기는 1×1mm로 하였다.
한편 부식강재가 반복하중을 받을 경우에는 부식피트 또는 표면요철 등과 같이 응력집중이 발생하는 곳에서 피로 균열이 발생 및 진전하여 파단하게 된다. 이에 부식에 의해 단면적이 감소하고 표면요철이 발생한 경우, 피로파단이 단면적이 최소인 단면(최소단면)에서 발생하는지를 검토하기 위하여, 시편의 폭 방향 평균 잔존두께의 최소값(최소단면)의 위치와 피로파단면 위치를 비교하였다.
전술한 바와 같이 본 실험에서는 부식 손상된 시편 표면형상을 1×1mm 간격으로 측정하였다.
그리고 모든 피로실험에서 반복하중의 최소하중은 10kN로 고정하였다. 피로실험에 있어서는 Tables 1~3에 나타낸 것과 같이 가시설 시편의 응력범위는 강재의 초기두께인 13mm를 이용하여 산정하였고, 영도대교 시편의 경우에는 강부재의 초기두께를 알 수 없어 1mm 간격으로 측정된 잔존두께의 평균값을 사용하여 각 시편의 응력범위를 산정하였다. 그리고 피로실험에서 하중의 최대 반복회수는 가시설 시편은 1,000만회로, 무부식시편과 영도시편은 300만회로 설정하였다.
그리고 이를 이용하여 표점거리 내의 1mm 간격으로 잔존두께의 최대, 최소, 평균 및 표준편차를 계산하여 Tables 1과 2에 나타내었다. 한편 SS400의 무부식 강재시편도 부식시편의 표면형상에 대한 기준 및 비교값으로 사용하기 위해, 표점거리 200mm 내에서 축방향으로 5등분하여 각점에서 마이크로메타로 3번씩 두께 측정하여 최대, 최소, 평균 두께 및 표준편차를 계산하여 Table 3에 나타내었다.
대상 데이터
2mm/yr에 상응하는 값으로[27] 지하철 대기환경하에서도 해수중부와 동일한 정도의 부식이 발생할 수도 있음을 의미한다. 그리고 영도대교 강재는 75년간 해양 대기환경하에서 사용되었으며, 본 실험에서 측정한 평균두께를 이용하여 각 시편의 편면에서의 연간 평균 부식속도를 계산하면 0.009~ 0.023mm/yr, 연간 최대 부식속도는 0.02~0.11mm/yr이다. 영도대교 시편의 부식속도는 가시설 강재의 부식속도에 비교하여 매우 작지만, 75년간 장기간 사용할 경우 도장 및 재도장에 의해 강재의 부식이 완전히 방지되었던 것은 아니며, 최대 부식속도 만을 고려하면 해수중부와 같은 정도의 연간 부식감량이 발생할 수도 있음을 알 수 있다.
본 실험에서 대상으로 하고 있는 가시설 강재와 영도대교 강재의 강종 및 기계적 특성을 알 수 없어, 이들 강재의 항복응력을 파악하여 피로실험의 최대 반복하중 및 작용 응력범위를 결정하기 위하여 인장실험을 실시하였다. 인장시편은 부식된 가시설 시편과 영도대교 시편의 표면을 평편하게 밀링 가공하여 가시설 시편은 두께 13mm로, 영도대교 시편은 두께 10.89mm로 각각 3개씩 제작하여, 변위제어로 인장실험을 실시하였다. 인장 실험결과, Fig.
표면의 부식 생성물을 제거한 모든 시편은 Fig. 4와 같이 3차원 광학스캐너를 사용하여 시편 표면의 앞면과 뒷면 형상을 1×1mm 간격으로 측정하여, 가시설 및 영도대교 시편의 표점거리(200mm)내 윗면과 아랫면 양면을 1mm 간격으로 각각 16,000점 및 48,000점의 3차원 표면형상 데이터를 취득하였다[15].
데이터처리
4와 같이 3차원 광학스캐너를 사용하여 시편 표면의 앞면과 뒷면 형상을 1×1mm 간격으로 측정하여, 가시설 및 영도대교 시편의 표점거리(200mm)내 윗면과 아랫면 양면을 1mm 간격으로 각각 16,000점 및 48,000점의 3차원 표면형상 데이터를 취득하였다[15]. 그리고 이를 이용하여 표점거리 내의 1mm 간격으로 잔존두께의 최대, 최소, 평균 및 표준편차를 계산하여 Tables 1과 2에 나타내었다. 한편 SS400의 무부식 강재시편도 부식시편의 표면형상에 대한 기준 및 비교값으로 사용하기 위해, 표점거리 200mm 내에서 축방향으로 5등분하여 각점에서 마이크로메타로 3번씩 두께 측정하여 최대, 최소, 평균 두께 및 표준편차를 계산하여 Table 3에 나타내었다.
성능/효과
(1) 가시설 강재와 같이 무도장 상태에서 사용된 부식강재 표면의 피로균열 발생위치 추정 및 응력집중을 해석하기 위해서는 1×1mm 미만의 간격으로 표면형상을 측정하여 이를 모델링하여 응력집중 해석하는 것이 필요한 것으로 판단된다.
(2) 부식강재의 피로수명은 부식깊이의 표준편차(표면거칠기)에 반비례하는 경향이 있으며, 표면거칠기가 감소할수록 피로수명이 증가하는 경향을 나타내었다. 특히 75년간 사용된 도장 강재의 부식깊이의 표준편차가 약 0.
(3) 약 7년간 지하철 공사현장의 대기환경하에서 사용된 무도장강재와 75년 해양 대기환경하에서 사용된 도장 강재의 피로강도 등급은 C등급으로 무부식 강재의 피로등급 A에서 3등급 감소함을 확인하였다.
9(b)에 나타낸 것과 같이 최소 단면의 위치와 피로균열 파단면의 위치는 일치하지 않았다. 그러므로 부식강재가 정적 인장하중에 의해 파괴될 경우와는 다르게, 반복하중에 의해 피로파괴가 발생할 경우의 피로 파괴면은 단면적이 최소인 단면과는 무관함을 확인할 수 있다.
그리고 영도대교 시편과 같이 도장 열화로 발생하는 강재의 부식표면은 최소 요소크기를 1×1mm 정도로도 부식표면의 응력집중을 적절하게 해석할 수 있을 것으로 판단된다.
3에 나타낸 것과 같이 가시설 시편의 평균 항복응력은 307MPa, 평균 극한응력은 450MPa였고, 영도대교 시편의 평균 항복응력은 280MPa, 평균 인장강도는 430MPa였다. 따라서 극한응력(인장강도)을 기준으로 강종을 평가하면 본 연구에서 사용한 가시설 강재와 영도대교 강재는 KS D 3503[26]의 SS400 강재와 동등한 강재임을 알 수 있다.
66 이하인 4개의 시편은 반복회수 3백만 회까지 피로파괴가 발생하지 않았다. 따라서 부식에 의한 강재 표면의 표면거칠기(표준편차)가 증가할수록, 피로수명은 감소하는 경향이 있음을 알 수 있다. 이는 표면거칠기가 증가할수록 응력집중도 증가하여 피로균열의 발생 수명이 감소함으로 인해 전체 피로수명이 감소하는 것에 기인하는 것으로 추정된다.
12 참조)로 피로수명을 나타내었다. 먼저 부식 시편을 앞면과 뒷면으로 분류하고 피로균열이 발생한 면과 부식깊이의 표준편차를 비교하면, 가시설 시편에서의 피로균열은 표준편차의 크기와 상관없이 앞면 또는 뒷면에서 발생하였으며, 영도대교 시편에서의 피로균열은 표준편차가 상대적으로 큰 면에서 발생하였다. 그리고 Fig.
89mm로 각각 3개씩 제작하여, 변위제어로 인장실험을 실시하였다. 인장 실험결과, Fig. 3에 나타낸 것과 같이 가시설 시편의 평균 항복응력은 307MPa, 평균 극한응력은 450MPa였고, 영도대교 시편의 평균 항복응력은 280MPa, 평균 인장강도는 430MPa였다. 따라서 극한응력(인장강도)을 기준으로 강종을 평가하면 본 연구에서 사용한 가시설 강재와 영도대교 강재는 KS D 3503[26]의 SS400 강재와 동등한 강재임을 알 수 있다.
후속연구
본 연구에서는 약 7년 경과된 가시설 강재와 75년된 도장 강재의 피로강도에 대해 한정적으로 평가하였으나, 실제 대기환경하의 부식손상 정도 및 공용기간에 따른 무도장 및 도장강재의 피로강도를 평가하기 위해서는 실제 강부재를 이용한 지속적인 피로실험 및 데이터 축적이 필요한 것으로 생각된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강재는 어떤 재료인가?
강재는 비교적 고강도 재료로서 구조물의 경량화가 가능하나, 전체 하중에서 변동하중(차량하중 등)이 차지하는 비율이 높아 피로손상이 발생하기 쉽고 뛰어난 가공성 및 변형성을 가지고 있지만, 도장 등의 방식피복이 노화된 경우에는 부식손상이 발생할 우려가 있다. 따라서 피로와 부식에 의한 강구조물의 손상은 공용기간의 증가와 함께 축척되는 것으로 강구조물의 수명을 지배하는 대표적인 노화요인이 되고 있다.
강재가 가지는 문제점은?
강재는 비교적 고강도 재료로서 구조물의 경량화가 가능하나, 전체 하중에서 변동하중(차량하중 등)이 차지하는 비율이 높아 피로손상이 발생하기 쉽고 뛰어난 가공성 및 변형성을 가지고 있지만, 도장 등의 방식피복이 노화된 경우에는 부식손상이 발생할 우려가 있다. 따라서 피로와 부식에 의한 강구조물의 손상은 공용기간의 증가와 함께 축척되는 것으로 강구조물의 수명을 지배하는 대표적인 노화요인이 되고 있다.
강재의 대표적인 노화요인은?
강재는 비교적 고강도 재료로서 구조물의 경량화가 가능하나, 전체 하중에서 변동하중(차량하중 등)이 차지하는 비율이 높아 피로손상이 발생하기 쉽고 뛰어난 가공성 및 변형성을 가지고 있지만, 도장 등의 방식피복이 노화된 경우에는 부식손상이 발생할 우려가 있다. 따라서 피로와 부식에 의한 강구조물의 손상은 공용기간의 증가와 함께 축척되는 것으로 강구조물의 수명을 지배하는 대표적인 노화요인이 되고 있다.
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