R&D최종보고서
| 과제고유번호 | 202020CTAP-C151846-02 | |||||
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| 연구사업명 | 국토교통기술촉진연구사업 | |||||
| 연구과제명 | 나노압입을 이용한 케이블 강재의 릴랙세이션 분석 및 구조물 유지관리 기법 개발 연구 | |||||
| 총 연구기간 | 2019-04-15 ~ 2020-12-31 | |||||
| 연구책임자 | 김승억 | |||||
| 당해년도 참여 연구원수 |
5명 | 총 연구기간 참여 연구원수 |
9명 | |||
| 당해년도 연구비 |
정부 : 206,000,000 원 기업 : 0 원 계 : 206,000,000 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 |
가. 연구의 배경 ● 케이블은 장대교량등 주요 구조물에 사용되므로 케이블의 릴랙세이션을 분석하는 것은 매우 중요함 ● 본 연구는 케이블 구조물의 장기거동을 고려한 유지관리 기법의 원천기술 확보를 목적으로 함 ● 아래와 같이 각종 케이블교량 손상 및 붕괴 사고가 보고되고 있음 ● 인장력을 받는 케이블 강재는 고정된 변형률에서 시간에 따라 응력이 감소하는 릴랙세이션(relaxation) 현상이 발생함 ● 그림2와 같이 서로 다른 변형률 하에서 릴랙세이션이 발생한 강재의 미세구조가 변함을 볼 수 있음 ● 큰 변형률(0.3) 하에서 릴랙세이션이 발생한 강재의 평균 딤플 크기(d)가 릴랙세이션을 겪지 않거나 (a), 상대적으로 작은 변형률 (0.1)하에서 릴랙세이션이 발생한 강재의 평균 딤플 크기보다 커졌음을 볼 수 있음 ● 강재의 릴랙세이션은 재료의 점탄성(viscoelastic) 특성으로 점성과 탄성을 고려한 다양한 레올로지(rheology) 모형을 사용하여 구조 설계에 반영하고 있음 ● 강재의 릴랙세이션에 대한 대표적인 레올로지 모형은 그림3과 같이 3개의 요소(2개의 스프링과 1개의 감쇠)를 가진 일반화된 맥스웰 (Generalized Maxwell) 모형을 바탕으로 릴랙세이션 손실 을 식(1)과 같이 계산함 ● 식(1)에서 은 릴랙세이션 손실(%)로 응력 감소량을 초기 재하응력으로 나눈 값이며, 와 은 매개변수임 ● 릴랙세이션 손실은 강재의 미세구조 변화에 따라 달라지며, 이는 식(1)에서 예로든 손실 의 변화, 즉 매개변수 와 의 변화로 나타냄 ● 케이블의 사용기간 동안 케이블 내에 발생하는 다양한 응력과 변형률의 변화로 강재의 미세구조는 변할 것이며, 이로 인해 릴랙세이션 손실량도 변할 것임 ● 결론적으로 본 연구에서는 케이블 강재의 릴랙세이션 방정식을 나노압입으로 결정하고, 릴랙세이션 방정식을 고려한 구조해석을 수행함으로써 구조물의 장기거동을 업데이트 할 수 있으며, 이를 활용한 구조물의 유지관리 기법을 개발하고자 함 나. 기술의 정의 ● 표면경도를 이용하여 재료의 기계적 성질을 규명하는 기법을 압입(indentation)기법이라고 함 ● 건설 분야에서 우리에게 가장 친숙한 압입기법은 그림5와 같이 슈미트 햄머를 이용하여 콘크리트의 강도를 측정하는 것임 ● 슈미트 햄머를 이용한 압입기법은 동적인 하중을 재하 하여 표면경도와 강도사이의 관계를 이용하여 강도를 측정하는 방법임 ● 나노압입기법은 Sub-micron 범위에서 다른 기계적 실험 방법과 비교했을 때 매우 작은 흔적만 남기는 비파괴 검사법이며, 나노압입결과를 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 ● 구조물 설계 시 강재의 릴랙세이션을 고려하여 산정된 구조물의 장기거동 관리 지표(처짐, 내하력, 케이블 하중 등)에 대하여 해당 시점에서 재산정된 강재의 릴랙세이션을 고려하여 구조물의 장기거동 관리 지표를 산정함 ● 설계 시 산정된 관리지표와 업데이트된 관리 지표를 비교하여 구조물의 유지관리에 활용할 수 있음 [최종목표] ■ 최종목표 ●나노압입 실험으로 케이블 강재의 응력 릴랙세이션 방정식을 산정하여 케이블 구조물의 유지관리 기법 개발 ■ 세부목표 ● 나노압입에 의한 케이블 강재의 응력 릴랙세이션 방정식 도출 기법 개발 ● 케이블 강재 응력 릴랙세이션의 장기거동을 고려한 구조물의 유지관리 기법 개발 ■ 최종성과물 ● 나노압입 실험으로 케이블 강재의 응력 릴랙세이션 방정식을 적용한 케이블 구조물의 유지관리 기법 ■ 정량적 성과 정량적 성과로 SCI논문 3편, 특허출원 1건 ● (논문)나노압입에 의한 케이블 강재의 릴랙세이션 방정식 결정 ● (논문)케이블 강재의 릴랙세이션과 피로도 관계 정립 ● (논문)케이블 강재의 응력 릴랙세이션을 고려한 구조물의 장기거동 해석 ● (특허)케이블 강재의 릴랙세이션을 고려한 구조물의 유지관리 기법 [연구내용 및 범위] ■ 1차 년도 : A. 나노압입에 의한 케이블 강재의 응력 릴랙세이션 방정식 도출 기법 개발 A1. 나노압입에 의한 케이블 강재의 응력 릴랙세이션 방정식 결정 ● 케이블 강재의 기계적 특성 도출을 위한 인장실험 수행 ● 케이블 강재로는 직경 12.70mm, 항복강도 1,860MPa을 가지는 ISO6934-1991 강선을 사용할 것임 ● 압입공정을 시뮬레이션하기 위한 FE모델 수립과 다양한 하중에 대한 FE해석 수행 ● 변위제어 나노압입 실험 수행 ● 10가지 하중에 대한 FE해석을 수행하여 다양한 응력 수준에서의 부피분율을 계산 ● 압입결과를 통해 응력 릴랙세이션-시간 관계 도출 ● 최대하중과 접촉면적과 같은 압입반응으로부터 응력 릴랙세이션을 추정하는 방법을 제안할 것임 ● 역 알고리즘을 사용하여 릴랙세이션 속도-시간 관계 도출 A2. 나노압입에 의한 케이블 강재의 응력 릴랙세이션 방정식 검증 ● 케이블 강재의 릴랙세이션 실험 수행 ● 실험결과를 회귀분석하여 응력 릴랙세이션 방정식 결정 ● 나노압입에 의해 결정된 응력 릴랙세이션 방정식과 비교 검증 ■ 2차 년도 : B. 케이블 강재의 응력 릴랙세이션 장기거동을 고려한 구조물의 유지관리 기법 개발 B1. 케이블 강재의 릴랙세이션과 피로도 관계 정립 ● 3가지의 반복하중에 대하여 피로 실험 수행 ● 나노압입 실험으로 피로 실험 후 케이블 강재의 응력 릴랙세이션 방정식 결정 ● 강재의 릴랙세이션과 피로도 간의 상관관계 도출 ● 각 경우의 반복하중 하에서 압입곡선과 응력 릴랙세이션 방정식을 도출하기 위해 압입실험은 3가지 피로 파괴 시편의 표면에서 수행할 것임 ● 이 방정식들은 케이블 강재의 릴랙세이션과 피로도 간의 관계를 조사하는데 사용될 것임 B2. 케이블 강재의 응력 릴랙세이션을 고려한 구조물의 장기거동 해석 ● 케이블 강재의 응력 릴랙세이션을 고려한 사장교의 유한요소해석 모델 개발 ● 응력 릴랙세이션 방정식의 계수 변화에 대한 구조물의 장기거동 민감도 분석 B3. 케이블 강재의 응력 릴랙세이션을 고려한 구조물의 유지관리 기법 개발 ● 유지관리 시점에서 재산정된 강재의 릴랙세이션을 고려하여 구조물의 장기거동 관리 지표 산정 ● 구조물 설계 시 강재의 릴랙세이션을 고려하여 산정된 구조물의 장기거동 관리 지표(처짐, 내하력, 케이블 하중 등)에 대하여 해당 시점에서 재산정된 강재의 릴랙세이션을 고려하여 구조물의 장기거동 관리 지표를 산정할 것임 ● 릴랙세이션 방정식 계수 변화에 따른 장기거동 변화 분석 ● 구조물 상태 내에서 예측값의 차이에 따라 3단계로 세분화 하여 구조물 유지관리 지표로 활용할 것임 ● 유지관리 알고리즘 제시 |
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| 색인어 | 한글 | 나노압입 | 릴랙세이션 | 유지관리 | 케이블 강재 | 장기거동 |
| 영문 | nano indentation | relaxation | maintenance | cable steel | long term behavior | |
| 최종보고서 | 최종보고서_세종대학교 산학협력단_김승억.pdf | |||||