R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 201818CTAP-C129914-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 나노압입을 이용한 강구조의 변형률 속도효과 분석 및 지진 취약도 진단기법 개발 연구 | |||||
| 총 연구기간 | 2017-04-01 ~ 2018-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 김승억 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
4명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
7명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 220,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 220,000,000 원 |
총연구비 | 정부 : 370,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 370,000,000 원 |
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| 연구기관명 | 세종대학교산학협력단 | |||||
| 등록 발간번호 | - | |||||
| ISBN | - | |||||
| 주요 내용 |
연구개발의 개요 가. 연구의 배경 ● 본 연구는 지진에 대한 강구조물의 취약도 진단에 필요한 원천기술 확보를 목적으로 함 ● 최근 들어 국내에서 발생한 대규모 지진으로 인해 지진에 의한 구조물의 손상을 진단하는 방법에 대한 관심이 늘고 있음 ● 국내의 단단한 지반 특성상 구조물에 가해지는 지진파의 충격은 고주파 (high frequency) 충격으로서, 짧은 시간동안 강구조물에 작용하는 큰 충격은 강재의 변형률 속도효과를 유발할 것임 ● 구조용 강재의 기계적 특성에 있어서 작용하중 속도에 따라 강재의 항복강도가 증가하는 변형률 속도효과가 나타남 ● 변형률 속도효과 (Strain rate effect)는 강재에 작용하는 하중 속도 (변형률 속도)에 따라 그림과 같이 강재의 미세구조가 다르게 반응하기 때문에 발생하는 것으로 알려져 있음 ● 그림과 같이 강재에 작용하는 변형률 속도가 증가할수록 강재 파괴 면에 생성되는 미세공극은 감소함 ● 이러한 강재 성질에 의한 변형률 속도효과를 강구조 설계에 반영하기 위해 거시적(macroscale)으로 고려하기 위한 다양한 방법이 제시되었음 ● 대표적인 방법은 Cowper와 Symonds가 제안한 식 (1)에 의해 산출된 β를 정적인 하중 재하시의 항복응력에 곱하는 방법임 ● 변형률 속도효과는 강재의 미세구조 변화에 따라 달라질 것이며, 이는 식(1)에서 예로든 거시적인 지표 β의 변화, 즉 매개변수 C와 p의 변화로 나타날 것임 ● 강구조의 사용기간 동안 작용하는 다양한 동적하중(dynamic loads)과 반복하중(cyclic loads)에 의해 강재의 미세구조는 변할 것이며, 이로 인해 동적 하중에 대한 강재의 변형률 속도효과 또한 변할 것임 ● 기존의 변형률 속도효과를 고려한 구성방정식은 강재의 피로(Fatigue)를 고려할 수 없으므로, 본 연구에서는 강재의 피로에 의한 미세구조 변화로 발생하는 변형률 속도효과의 변화를 반영하는 강재의 구성방정식을 제안함 ● 피로 전과 피로 후의 변형률 속도 효과를 고려한 강재의 구성방정식들을 사용하여 강구조의 구조해석을 수행하고 지진 취약도의 변화를 비교하여 구조물의 상태평가가 가능함 ● 결론적으로 본 연구에서는 강구조를 구성하는 강재의 변형률 속도효과를 나노압입으로 측정하여 동적 하중에 대한 구성방정식을 결정하고, 지진하중에 대한 변형률 속도효과를 고려한 구조해석을 수행함으로써 지진에 대한 강구조의 취약도를 진단할 수 있는 기법을 개발하고자 함 나. 기술의 정의 ● 표면경도를 이용하여 재료의 기계적 성질을 규명하는 기법을 압입(indentation)기법이라고 함 ● 건설 분야에서 우리에게 가장 친숙한 압입기법은 아래 그림과 같이 슈미트 햄머를 이용하여 콘크리트의 강도를 측정하는 것임. 슈미트 햄머를 이용한 압입기법은 동적인 하중을 재하 하여 표면경도와 강도사이의 관계를 이용하여 강도를 측정하는 방법임 ● 나노압입 기법은 Sub-micron 범위에서 다른 기계적 실험 방법과 비교했을 때 매우 작은 흔적만 남기는 비파괴 검사법이며, 나노압입 결과를 분석하여 재료의 탄성계수, 경도, 항복강도, 경화계수를 산정할 수 있음 ● 따라서 구조용 강재를 구성하는 미세구조인 페리트(ferrite), 펄라이트(pearlite), 시멘타이트(cementite)의 탄성계수, 항복강도 등을 산출할 수 있으며, 이러한 결과를 분석하여 강재의 기계적 특성을 도출할 수 있음 ● 아래 그림과 같이 지진에 대한 구조물의 취약도 함수 (fragility curve)는 작용하는 지진하중의 크기(가속도)에 따른 구조물의 특정 손상 (붕괴, 과다손상, 미약한 손상 등) 확률을 나타냄 ● 지진 가속도에 대한 구조해석을 바탕으로 취약도 함수 (fragility curve)가 결정되므로, 특정 구조물의 취약도 함수는 구조물의 진단을 위한 손상지표로 활용할 수 있음 [최종목표] 최종 목표 ● 나노압입 실험으로 구조용 강재에 나타나는 변형률 속도효과 (Strain rate effect)를 파악하여 강구조물의 지진에 대한 취약도 진단기법 개발 세부 목표 ● 나노압입에 의한 구조용 강재의 변형률 속도효과 방정식 도출기법 개발 ● 변형률 속도효과를 고려한 강구조의 지진에 대한 취약도 진단기법 개발 ● 최종성과물: 변형률 속도효과를 고려한 강구조의 지진에 대한 취약도 진단기법 ● 정량적 성과: SCI논문 4편, 특허출원 1건 ● 기대효과 -경제적 측면: 효율적인 강구조의 건전성 평가를 통해 지진 재해 및 붕괴에 따른 인명과 경제적 손실 예방 -기술적 측면: 강구조의 지진에 대한 취약도 진단 및 비파괴 진단기법으로 활용 [연구내용 및 범위] - 주관연구기관 (세종대학교) ● 구조용 강재에 나타나는 변형률 속도효과는 다음 그림과 같이 변형률 속도가 증가할수록 강재의 항복응력이 증가함 ● 나노압입 실험 시 압입속도를 달리하여 구조용 강재에 대한 실험을 수행하고, 선행연구에서 개발한 기법을 활용하여 각각의 압입 속도에 따른 강재의 탄소성 특성을 도출할 것임 ● 나노압입 실험으로부터 도출한 결과를 바탕으로 변형률 속도효과를 고려하는 매개변수(예; Cowper Symonds model의 경우에 대한 매개변수 C와 p)와 나노압입 실험결과에 대한 무차원식을 수립할 것임 ● 유한요소 해석을 이용하여 수립한 무차원식 계수를 결정하며, 결정된 식을 활용하여 나노압입 실험결과로부터 변형률 속도효과를 고려하는 매개변수를 결정할 수 있음 ● 본 연구실에서는 그림과 같이 나노압입 실험에 대한 유한요소 해석모델을 개발하여, 차원해석 결과의 벤치마킹 연구를 수행하였음 ● 변형률 속도효과는 그림과 같이 강재의 미세구조가 다르게 반응하기 때문에 나타나므로, 강재를 사용하는 동안 강재의 피로도에 따라 강재의 변형률 속도효과가 변할 것임 ● 지진하중에 대한 강구조의 변형률 속도효과를 고려한 구조해석을 수행함으로써 강구조의 지진에 대한 취약도를 진단할 수 있음 ● 변형률 속도효과를 고려한 강구조물의 유한요소 해석 모형을 개발할 것임 ● 본 연구실에서는 그림과 같이 동적인 하중을 고려하여 다양한 강구조의 유한요소 해석을 수행하였음 ● 변형률 속도효과 방정식의 계수 변화에 따른 강구조물의 구조거동 민감도를 분석할 것임 ● 가속도 크기가 다른 지진하중에 대한 강구조물의 유한요소해석을 수행할 것임 - 위탁연구기관 (경남대학교) ● 나노압입에 의한 하중 재하시 탄성과 소성변형이 함께 일어나므로, 나노압입 속도 v1에 따른 나노압입의 가력(loading)곡선 P = D1h2은 재료의 탄성계수, 변형률 속도 에서의 항복응력, 경화지수 (n)의 함수로 가정할 수 있고, 다음과 같은 무차원 함수 Π1으로 표현할 수 있음 ● 마찬가지로, 제력(unloading)곡선의 초기 접촉강성 S1은 재료의 탄성계수와 압입기와 강재가 접촉하는 면적의 넓이 Ac의 함수이며 접촉면적 Ac는 최대압입깊이와 압입하중의 함수로 재료의 소성 성질과 관련이 있고, 이들의 관계는 차원해석에 의해 다음과 같은 무차원 함수 Π2로 표현할 수 있음 ● 나노압입 속도를 달리하여 변형률 속도효과를 결정할 수 있음 ● 지진하중에 대한 강구조물의 취약도 함수를 개발할 것임 ● 지진하중에 대한 강구조물의 연성비 (최대변형률/항복변형률)를 유한요소 해석으로 결정함 ● 취약도 함수를 작성하기 위하여 다음 표와 같이 연성비의 한계상태를 설정하고 지진하중에 대한 구조물의 손상정도를 결정함 ● 지진하중의 조합은 다음과 같이 대표적인 지진파의 최대지반가속도(Peak ground acceleration, PGA)를 스케일링하여 사용함 ● 100개의 지진파에 대하여 강구조물의 손상정도를 다음과 같이 정리함 ● 취약도 함수를 결정하기 위하여 최대 가능도 추정법(Maximum likelihood estimation, MLE)을 사용함 ● 취약도 함수를 로그분포, 프레쉐 분포, 검벨 분포 등의 함수 p로 가정하여 위의 표에 대한 가능도(likelihood) 을 최대로 만드는 분포 p의 파라메타를 결정함 ● 이상과 같이 지진 취약도 함수를 작성하여 변형률 속도효과 방정식의 계수 변화에 따른 지진 취약도 함수의 변화를 분석할 것임 ● 지진에 대한 취약도 진단기법 알고리즘을 제시할 것임 ● 강구조의 피로도가 증가함에 따라 변형률 속도효과는 감소할 것으로 예상되며, 이로 인해 지진에 대한 취약도가 변화할 것임 ● 예를 들어, 그림과 같이 동일한 크기의 지진에 대한 강구조의 중간손상을 초과할 확률은 강구조의 피로도에 따라 증가할 것임 |
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| 색인어 | 한글 | 나노압입 | 강구조 | 변형률 속도효과 | 지진 | 취약도 |
| 영문 | Nanoindentation | Steel structure | Strain rate effect | Seismic | Fragility | |
| 최종보고서 | 최종보고서_세종대학교 산학협력단_김승억.pdf | |||||