용접방향에 따른 오스트나이트계 스테인리스강(STS304L) 용착금속파단 용접접합부의 내력에 관한 실험적 연구 Experimental Study on Strength of Austentic Stainless Steel (STS 304L) Fillet-Welded Connection with Weld Metal Fracture According to Welding Direction원문보기
오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 내식성, 내구성 및 내화성을 지닌다. 특히, 오스테나이트계 스테인리스강중의 대표인 STS304에 비해 저탄소를 함유하고 있는 STS304L은 현장용접 후 별도의 열처리 없이 높은 내입계부식성능을 지니고 있어 용접후 내입계 부식이 우려되는 부재 접합에 적용할 수 있다. 본 연구에서는 티그(TIG)용접으로 필릿 용접된 STS304L 용접접합부의 용접재(용착금속부) 내력과 파단 메카니즘을 조사하고자 한다. 주요변수인 하중방향에 대한 용접선의 배치에 따라 TFW(하중직각방향 용접), LFW(하중방향용접), FW(하중방향용접과 하중직각방향 용접조합)시리즈의 실험체를 제작하여 인장실험을 실시하였고, 각각 인장파단,전단파단, 블록전단파단(인장파단과 전단파단의 조합)이 발생하였다. 동일 용접길이에 대해 TFW 시리즈의 접합부가 가장 높은 내력을 나타났으며, 현행기준식(KBC2016/AISC2010)과 기존 연구자의 식에 의한 예측내력과 비교한 결과, TFW와 LFW접합부는 과소평가되었고 FW실험체는 과대평가되었다. 실제 파단 위험단면과 블록전단파단 메카니즘을 고려한 내력식을 제안하였다.
오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 내식성, 내구성 및 내화성을 지닌다. 특히, 오스테나이트계 스테인리스강중의 대표인 STS304에 비해 저탄소를 함유하고 있는 STS304L은 현장용접 후 별도의 열처리 없이 높은 내입계부식성능을 지니고 있어 용접후 내입계 부식이 우려되는 부재 접합에 적용할 수 있다. 본 연구에서는 티그(TIG)용접으로 필릿 용접된 STS304L 용접접합부의 용접재(용착금속부) 내력과 파단 메카니즘을 조사하고자 한다. 주요변수인 하중방향에 대한 용접선의 배치에 따라 TFW(하중직각방향 용접), LFW(하중방향용접), FW(하중방향용접과 하중직각방향 용접조합)시리즈의 실험체를 제작하여 인장실험을 실시하였고, 각각 인장파단,전단파단, 블록전단파단(인장파단과 전단파단의 조합)이 발생하였다. 동일 용접길이에 대해 TFW 시리즈의 접합부가 가장 높은 내력을 나타났으며, 현행기준식(KBC2016/AISC2010)과 기존 연구자의 식에 의한 예측내력과 비교한 결과, TFW와 LFW접합부는 과소평가되었고 FW실험체는 과대평가되었다. 실제 파단 위험단면과 블록전단파단 메카니즘을 고려한 내력식을 제안하였다.
Austenitic stainless steels have excellent corrosion resistance, durability and fire resistance. Especially, since STS304L among austenitic types is a low-carbon variation of STS304 and has excellent intergranular corrosion resistance, it can often be used under the welded condition without heat tre...
Austenitic stainless steels have excellent corrosion resistance, durability and fire resistance. Especially, since STS304L among austenitic types is a low-carbon variation of STS304 and has excellent intergranular corrosion resistance, it can often be used under the welded condition without heat treatment after field welding. This paper investigated ultimate behaviors such as ultimate strength and weld metal fracture mechanism of STS304L fillet-welded connections with TIG(tungsten inert gas) welding through test results. Main variables of specimens are weld length and welding direction against loading. Fracture of specimens are classified into three modes(tensile fracture, shear fracture and block shear fracture). Ultimate strengths were compared according to the welding direction and weld length and TFW series with transverse fillet weld had the highest strength compared with other types(LFW series with longitudinal fillet weld and FW series with all round weld). It is known that current design specifications such as KBC 2016 and AISC2010 underestimated the strength of TFW and LFW specimens and provided unconservative estimates for FW specimens. Finally, strength equations were proposed considering material properties of STS 304L material.
Austenitic stainless steels have excellent corrosion resistance, durability and fire resistance. Especially, since STS304L among austenitic types is a low-carbon variation of STS304 and has excellent intergranular corrosion resistance, it can often be used under the welded condition without heat treatment after field welding. This paper investigated ultimate behaviors such as ultimate strength and weld metal fracture mechanism of STS304L fillet-welded connections with TIG(tungsten inert gas) welding through test results. Main variables of specimens are weld length and welding direction against loading. Fracture of specimens are classified into three modes(tensile fracture, shear fracture and block shear fracture). Ultimate strengths were compared according to the welding direction and weld length and TFW series with transverse fillet weld had the highest strength compared with other types(LFW series with longitudinal fillet weld and FW series with all round weld). It is known that current design specifications such as KBC 2016 and AISC2010 underestimated the strength of TFW and LFW specimens and provided unconservative estimates for FW specimens. Finally, strength equations were proposed considering material properties of STS 304L material.
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문제 정의
국내의 건축구조기준인 KBC2009(AIK, 2009)에서는 용접접합부의 내력평가 시 모재항복강도 기준으로 용접부를 설계하였으나 최근에 개정고시된 KBC2016(AIK, 2016a)에서는 모재강도뿐만 아니라 용접재(용착금속)의 강도를 고려하여 용접부의 설계강도를 산정해야 한다. 본 연구에서는 고내입계 부식성능의 오스테나이트계 스테인리스강 STS304L를 대상으로 용접방향과 용접길이를 변수로 하여 용착금속부가 파단되는 필릿 용접접합부를 제작하여 구조적 거동을 파악하고자 한다. 필릿용접접합부의 파단형태 및 최내내력을 고찰하고, 현행 설계기준식의 타당성을 검증하고 수정된 내력식을 제안하는 것을 연구목적으로 한다.
국내의 구조설계기준 KBC2016(AIK, 2016a)과 미국강구조학회의 AISC2010(2010)에서는 용접부의 설계강도를 모재의 한계상태와 용접재(용착금속부)의 한계상태 강도 중 작은 값으로 산정하고 있다. 본 연구에서는 용착금속부의 내력평가에 초점을 두므로 용접재 강도에 대해 기술한다. 식 (1)과 같이 용접재(용착금속부)의 유효단면적(Awe)에 용접재의 공칭강도(Fnw)를 곱한 값을 필릿용접부의 용접재 강도(Pn)로 산정하고 있다.
본 연구에서는 고내입계 부식성능의 오스테나이트계 스테인리스강 STS304L를 대상으로 용접방향과 용접길이를 변수로 하여 용착금속부가 파단되는 필릿 용접접합부를 제작하여 구조적 거동을 파악하고자 한다. 필릿용접접합부의 파단형태 및 최내내력을 고찰하고, 현행 설계기준식의 타당성을 검증하고 수정된 내력식을 제안하는 것을 연구목적으로 한다.
제안 방법
3) ASCE2002를 토대로 TFW 시리즈(인장파단)의 접합부에 대해서는 유효 필릿사이즈와 유효용접길이를 토대로 인장응력계수를 0.95로 조절한 내력식을 제안하였다. 블록전단파단된 FW 시리즈 접합부(하중직각방향 용접과 하중 방향 용접의 조합) 에 대해서는 ASCE의 인장파단식과 전단파단내력식을 조합한 식 (7), (8)와 AISC의 볼트 블록전단파단내력식을 수정한 식 (9)는 접합부의 내력을 8~25% 과대평가하였다.
01로 근접한 값을 제시한 것으로 나타났다. FW 시리즈 접합부의 내력에 대해서 현행기준식은 과대평가하였다.
본 연구는 용접접합부에서 용접재(용착금속부)파단의 구조적 거동에 초점을 두므로 모재부분의 파단에 대한 식 (10) 을 그대로 적용할 수 없다. 그래서, 모재인장강도(Fu)대신 용착금속의 강도(Fuw, Fyw)로 대체하고, 모재와 용접재의 경계 부분에서 인장저항총단면적(Agt)과 전단저항총단면적(Agv)이 아닌 용착금속(비드부분)의 위험단면에서 인장저항순단면적(Awt)과 전단저항순단면적(Awv)을 적용하여 다음 식을 제안하였다(Fig. 8 참조). 식 (11)은 블록전단파단시 인장파단과 전단파단이 동시에 발생한다는 가정하에 용접재(용착금속)의 인장강도(Fuw)만을 고려하고 있고, 식 (12)에서는 실험 결과에서 관찰된 파단의 순서에 따라 인장파단이 발생된 후 최대내력이 결정되고 추가적으로 전단파단되는 메카니즘으로 전단강도 산정시 용착금속의 항복강도와 인장강도 평균값((Fyw + Fuw)/2)을 적용하였다.
블록전단파단된 FW 시리즈 접합부(하중직각방향 용접과 하중 방향 용접의 조합) 에 대해서는 ASCE의 인장파단식과 전단파단내력식을 조합한 식 (7), (8)와 AISC의 볼트 블록전단파단내력식을 수정한 식 (9)는 접합부의 내력을 8~25% 과대평가하였다. 그래서, 탄소강 용접접합부의 연구결과 제시된 Topkaya의 식 (10)을 참조하고 실제파단선의 위험 단면과 전단파단시의 응력상태를 고려한 오스테나이트계스테인리스강(STS304L) 용접접합부의 용착금속부의 블록전단파단식(식 (12))을 제안하였다.
내입계 부식성능을 갖는 저탄소 오스테나이트계 스테인리스강 STS304L 판두께 6 mm 평판을 필릿 용접사이즈 3 mm로 TIG용접하여 용접재(용착금속부)가 파단되도록 실험체를 제작하였고 단순인장실험을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
2와 같이 하중에 대한 용접선의 방향(하중직각방향 용접: TFW, 하중방향 용접:LFW, 하중직각방향 용접과 하중방향 용접의 조합: FW)과 용접길이(40 mm, 80 mm)이다. 용접방법으로 GTAW(Gas Tungsten Arc Welding) 중에 박판 스테인리스강 용접에 사용되는 TIG(Tungsten Inert Gas)용접을 사용하여 각 실험체 마다 2개씩 제작하였다. Table 1의 실험체명에서 ‘SALTFW’, ‘SALLFW’,‘SALFW’는 각각 하중방향과 용접선이 직각인 실험체(Transverse Fillet Weld), 하중방향과 용접선이 평행한 실험체(Longitudinal Fillet Weld), 하중방향과 하중직각방향의 3면이 용접된 실험체(Full Fillet Weld)를 나타내며, 맨 앞의 ‘SAL’은 저탄소강(Low Carbon) 오스테나이트계 스테인리스강(Austenitic Stainless Steel) 그리고 숫자 ‘40’, ‘80’은 용접길이를 의미한다.
그래서, ASCE2002의 식 (4)와(5)의 합으로 블록전단파다내력을 하여 실험최대내력과 비교하였다. 용접접합부에서 실측된 유효목두께와 용접길이을 적용하여 기준내력을 계산하였다. Table 8에서 Pue는 실험 최대내력, Pn은 현행기준식에 의한 필릿용접부 용착금속부 파단의 설계내력이다.
오스테나이트계 스테인리스강 STS304L을 사용하여 총 12개의 필릿용접 접합부 실험체를 계획·제작하였다.
탄소함유량을 줄이고 니켈함유량을 높여 내입계 부식성능을 향상시킨 오스트나이트계 스테인리스강 STS304L의 기계적 성질을 파악하기 위하여 KS B 0801(KS, 2007a)에 따라 Fig. 1의 양쪽에 위치한 STS304L의 6 mm판에 대해 인장시험편을 3개씩 제작하였다. 중앙의 10 mm 평판에 대해서는 별도의 재료시험을 수행하지 않았다.
데이터처리
Table 4에서 용접길이가 80 mm인 실험체의 최대내력을 용접길이가 40 mm인 실험체의 최대내력으로 나눈 용접방향별 용접길이에 따른 평균내력비(Puem-l = 80/Puem-l = 40)를 평가하였다. 평균내력비는 1.
용접재(용착금속)에서 블록전단파단(인장파단과 전단파단의 조합) 되는 SALFW 실험체의 강도산정에 대해 AISC2010에서는 식(2)와 (3)으로 규정하고 있지만, KBC2016과 ASCE2002에서는 별도로 규정되어 있지 않다. 그래서, ASCE2002의 식 (4)와(5)의 합으로 블록전단파다내력을 하여 실험최대내력과 비교하였다. 용접접합부에서 실측된 유효목두께와 용접길이을 적용하여 기준내력을 계산하였다.
이론/모형
그래서 국부좌굴에 대한 폭두께비의 보수적인 값을 제공하기 위해서 스테인리스강의 항복강도 산정에 있어 일본의 JIS Z 4321(JIS, 2000)에 따라 0.1% offset방법을 채용한다. 평균 항복강도(Fy)는 346.
용착금속(용접재)의 기계적 성질을 파악하기 위해 KS B0821(KS, 2007b)에 따라 Fig. 4와 같이 용착금속 인장시험편을 비드(Bead) 부분기준으로 해서 인장시험편을 5개씩 제작하였다. 인장시험을 수행한 결과를 Fig.
성능/효과
2) KBC2016(AISC2010)와 ASCE2002의 현행기준식에 의한 용접재(용착금속부)의 내력과 실험내력을 비교한 결과,KBC2016(AISC2010)는 TFW와 LFW 시리즈 접합부의 내력을 평균 30% 과소평가하였고, ASCE2002에 의한 평균 내력비는 1.01로 근접한 값을 제시한 것으로 나타났다. FW 시리즈 접합부의 내력에 대해서 현행기준식은 과대평가하였다.
4.2절에서 검토된 바와 같이 SALTFW(인장파단), SALLFW(전단파단), SALFW (블록전단파단)의 실험체중 동일 용접길이로 변환한 내력을 비교해 봤을 때 SALFW 시리즈가 가장 낮은 내력을 보였다. 이로부터 용접재의 블록전단파단 내력을 평가하는데 있어 용접재의 인장파단강도식과 전단파단강도식의 단순누가하는 방법은 적절하지 않는 것으로 판단된다
SALTFW와 SALLFW실험체에 대해 AISC2010의 필릿용접접합부의 용착금속파단에 대한 설계강도는 Table 9에서 알 수 있듯이 과소평가하고 있고 파단형태에 따라 기준식을 분리하고 있는 스테인리스강 구조설계기준인 ASCE2002의 식이 일부 실험체를 제외하고는 근접한 내력을 예측하고 있다. SALTFW 실험체와 SALLFW 실험체에 대해 최대내력비(Pn/Pue) 평균은 각각 1.04, 0.99로 나타났다. 그 결과, 하중방향으로 용착금속부가 전단파단되는 SALLFW의 접합부는 ASCE의 식 (4)을 그대로 적용하는 것이 적절하며 SALTFW의 접합부에 대해서는 내력식에 대한 수정을 고찰해 볼 필요가 있다.
SALTFW와 SALLFW실험체의 실험최대내력(Pue)에 대한설계기준내력(Pn)의 최대내력비(Pn/Pue) AISC2010/KBC2016에의해 0.64~0.90의 분포(평균 0.70)를 나타냈고, ASCE기준에 의해서는 0.89~1.20의 분포를 보였다. AISC2010는 SALTFW와 SALLFW 실험체 내력을 과소평가하고 있고, ASCE2002는 편차는 있지만 평균 최대내력비가 1.
하중 방향에 대한 용접선의 배치차이에 따른 내력을 비교하기 위해서 Table 1의 총 용접길이를 기준으로 Table 4의 보정평균 최대내력을 Table 5의 관계식에 의해 내력비를 산정하였다. 동일 용접길이에 대해 SALTFW(하중직각방향용접)에 대한SALLFW(하중방향용접)의 비는 전체 실험체 평균 0.89으로하중직각방향 용접인 인장파단강도가 평균 11% 높게 나타났다. 블록전단파단된 3면 용접 SALFW 실험체의 내력에 대한 SALTFW실험체와 SALLFW실험체의 내력 또는 조합배치에 의한 내력의 비는 0.
23%로 나타났다. 모재부분과 비교한 결과, 항복강도, 인장강도와 항복비는 약간 높게 나타났으며 탄성계수와 연신율은 낮은 경향을 보였다.
89으로하중직각방향 용접인 인장파단강도가 평균 11% 높게 나타났다. 블록전단파단된 3면 용접 SALFW 실험체의 내력에 대한 SALTFW실험체와 SALLFW실험체의 내력 또는 조합배치에 의한 내력의 비는 0.74~0.90의 범위로 나타났고, 이로부터 블록전단파단된 SALFW의 용접실험체의 내력이 다른 용접방향의 실험체보다 내력이 10%~26% 낮은 것을 알 수 있다.
1) 하중방향에 대한 용접선의 배치에 따라 용접재(용착금속 부)에서 인장파단, 전단파단, 블록전단파단이 발생하였다. 용접길이가 2배 증가하였을 때내력은 평균 1.74배 증가하였고, 하중방향에 대한 용접선의 배치에 따른 내력은SALTFW실험체가 가장 높았고, SALFW실험체가 가장 낮았다.
정리하면, 하중방향에 대한 용접선의 배치에 따른 내력은SALTFW실험체가 가장 높았고, SALFW실험체가 가장 낮게 나타났다
1% offset방법을 채용한다. 평균 항복강도(Fy)는 346.70 MPa, 인장강도(Fu)는 734.00 MPa, 탄성계수는 193.06 GPa, 항복비(Fy/Fu)는 47.02%, 연신율(EL)은 58.50%로 나타났다. 오스테나이트계 스테인리스강은 탄소강에 비해 항복비는 낮고 연신율이 높아 에너지 흡수능력이 우수하여 구조용 재료로 우수하다.
5와 Table 2에 정리하였다. 평균항복강도(Fyw)는 401.19 MPa, 인장강도(Fuw) 739.17MPa, 탄성계수(E)는 172.66 GPa, 항복비(Fyw/Fuw)는 54.33%,연신율은 52.23%로 나타났다. 모재부분과 비교한 결과, 항복강도, 인장강도와 항복비는 약간 높게 나타났으며 탄성계수와 연신율은 낮은 경향을 보였다.
후속연구
특히, 전단강도 산정시 용접재의 인장강도 항복강도를 동시에 고려한 식(12)이 가장 근접한 값을 제시하는 것으로 나타났다. 그러나,SALFW80 실험체는 식 (12)에 의해서 4~8%과대평가하는 경향을 보여 추후 추가적인 실험 또는 유한요소해석에 의한 변수해석을 통해 제안식의 타당성을 고찰할 필요가 있다.
추후, 실험결과를 토대로 유한요소해석 모델의 구축과 해석의 타당성을 확인하고 변수해석으로 본 연구에서 제시된내력식의 검증을 할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
용접접합부 강도를 계산하는 구조기술자가 용접봉 및 용착금속의 강도를 평가하는데 어려움을 겪는 이유는 무엇인가?
그러나, 한국건축구조설계규준에서는 스테인리스강이 구조용 강재로 지정되어 있지 않으며, 최근에 국내 강구조기준(AIK, 2016a)과 한계상태 설계법인 미국 ASCE기준(ASCE, 2002)을 준용하여 설계되고 있는 실정이다. 용접접합부 설계시 ASCE기준에서는 용접봉 또는 용착금속의 강도를 고려해서 모재강도와 비교하여 최솟값을 용접부의 접합강도로 산정하고 있다. 그래서, 용접접합부 강도를 계산하는 구조기술자가 용접봉 및 용착금속의 강도를 평가하는데 어려움을 겪고 있다.
오스테나이트계 스테인리스강의 특징은 무엇인가?
오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 내식성, 내구성 및 내화성을 지닌다. 특히, 오스테나이트계 스테인리스강중의 대표인 STS304에 비해 저탄소를 함유하고 있는 STS304L은 현장용접 후 별도의 열처리 없이 높은 내입계부식성능을 지니고 있어 용접후 내입계 부식이 우려되는 부재 접합에 적용할 수 있다.
STS304L의 장점은 무엇인가?
오스테나이트계 스테인리스강은 우수한 내식성, 내구성 및 내화성을 지닌다. 특히, 오스테나이트계 스테인리스강중의 대표인 STS304에 비해 저탄소를 함유하고 있는 STS304L은 현장용접 후 별도의 열처리 없이 높은 내입계부식성능을 지니고 있어 용접후 내입계 부식이 우려되는 부재 접합에 적용할 수 있다. 본 연구에서는 티그(TIG)용접으로 필릿 용접된 STS304L 용접접합부의 용접재(용착금속부) 내력과 파단 메카니즘을 조사하고자 한다.
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