1. 연구의 개요

강부재의 피로현상에는 하중의 반복적인 재하(載荷)에 동반되는 응력상태가 지배적인 영향을 미치는 것으로 생각되며, 피로 내구성을 평가하기 위해서는 착안 부위의 응력변동을 적절하게 고려할 필요가 있다. 그러나, 본 연구에서 트러블이 있는 강상판의 데크(deck) 관통 균열이 나타나는 강상판의 데크 플레이트와 트로프 립(trough ribs) 접합부의 종방향 용접부에서는 그 형태 및 직상(直上)에 윤하중이 이동재하되는 영향 때문에 상당히 복잡한 응력변동이 발생한다. 또한, 데크 관통 균열의 기점은 부분 용해 용접루트부라고 생각되지만, 이 부위의 국부 응력상태는 외관에서 어느 정도 확인할 수 있으며, 시공상에서도 어느 정도 제어가 가능한 용접 비드(bead)의 크기 및 형상뿐만 아니라 설계상의 가정과는 달리 엄밀한 제어가 곤란한 용해 깊이 및 루트의 형상 등에도 크게 좌우된다. 실제 다리에서 국부 응력상태의 상세한 설계에서 높은 정도로 추정하여 이것을 고려하거나, 제작단계에서 설계상의 가정을 만족하도록 용접형상 및 품질을 엄밀하게 제어하는 것은 현실적이지 않다.

따라서, 본 연구에서는 강상판의 데크 플레이트 관통 균열 발생의 위험성이 적은 강상판 구조의 확립을 위해 트로프 립과 데크 플레이트의 종방향 용접 품질에 관하여 통상적인 시공방법과 품질관리방법의 범위에서 일어나는 정도의 차이를 고려해도 확실하게 피로내구성의 향상 효과가 기대될 수 있는 지배적인 조건을 만족시키고, 이것에 의한 피로 내구성에 뛰어난 강상판 구조의 제안을 수행하는 것을 목적으로 하였다.

연구에서는 자동차 하중의 이동에 의해 특히 응력상태가 복잡하게 변화하는 것이 상정되어 트로프 립과 데크 플레이트의 종방향 용접을 대상으로 데크 플레이트와 트로프 립의 판 두께 조합과 테크 플레이트 관통 균열에 대한 피로 내구성의 관계에 대하여 정점피로시험, 윤하중주행시험, 수치해석에 의한 검토를 수행하였다.

2. 정점재하 피로시험

도로교에 일반적으로 이용되는 U형 트로프 립(U320-240)을 이용한 강상판에서 보고가 있는 데크 플레이트 관통 균열에 착안하여 데크 플레이트와 트로프 립 각각의 판 두께 확대에 의한 피로 내구성 향상대책에 관하여 검토하였다. 검토에서는 데크 플레이트 12mm~19mm, 트로프 립 6mm와 8mm에 관하여 각각을 조합시킨 조건에 대하여 횡 립 교차부를 대상으로 한 정점재하 피로시험을 실시하였다.

본 연구에서 얻어진 주요 결과는 다음과 같다.

(1) 횡 립 교차부의 부분모형에 의한 정점재하 피로시험에서는 데크 플레이트와 트로프 립의 판 두께의 조합에 관계없이 모두 데크 플레이트 관통에 이르는 것으로 생각되는 균열이 트로프 립과 데크 플레이트의 종방향 용접에서 발생하고, 균열 전개의 특징은 공통된 것으로 생각된다.

(2) 데크 플레이트와 트로프 립 각각의 판 두께의 증가에 따라, 균열 발생 시기 및 진전속도의 차이가 나타났으며, 피로 내구성은 향상되는 경향이 있다고 말할 수 있다.

(3) 이때, 데크 플레이트 판 두께와 트로프 립 판 두께에서는 데크 플레이트 판 두께가 피로 내구성에 미치는 영향이 보다 지배적이라고 생각된다.

(4) (2)와 (3)의 유한요소법(Finite Elements Method, FEM) 해석에 의한 발생응력의 경향은 실험과 정합한다.

3. 윤하중 주행시험(공시체 A)

데크 플레이트 두께를 16mm, U립 판 두께를 6mm(D16U6)로 한 시험체A(1판넬 시험체)의 정적재하시험, 윤하중 주행시험 결과와 FEM 해석결과에 관하여 정리하였다.

(1) 윤하중 주행시험

윤하중 주행시험에서는 118kN의 하중을 300만회 재하하였지만, 상판으로서의 강성이 문제가 되는 변형은 나타나지 않았다. 윤하중 주행시험 중에 경시적으로 실시한 초음파 탐상시험에서는 6mm 이상의 균열을 검지할 수 없었지만, 이것은 윤하중 주행시험 후에 실시한 데크 플레이트의 코어샘플의 매크로시험에서 최대 균열 깊이가 4.1mm이었다는 것과 일치한다. 또한, 코어 제거시험 결과, 데크 플레이트와 U립 용접에서 용접이 U립 내부까지 도달해 있는 것이 확인되었으며, U립 내부에 형성된 용접 비드의 지단부(모재의 면과 용접 비드의 표면이 만나는 점)로부터 데크 플레이트로 진전하는 균열이 확인되었다.

(2) 과년도에 실시된 윤하중 주행시험 결과와의 비교

과년도에 실시한 동일한 형상에서 데크 플레이트 두께가 12mm이며 U립 판 두께가 8mm(D12U8), 데크 플레이트 두께가 14mm이며 U립 판 두께가 6mm(D14U6)의 윤하중 주행시험 결과와의 비교에서는 데크 플레이트의 두께를 증가시킴으로써 용접선 부근에서 변형 저감효과가 있다는 것을 확인하였다. 피로시험 결과의 정리에서는 데크 플레이트측 용접 지단에서 5mm 위치의 변형게이지의 피로균열 발생에 기인하는 것으로 생각되는 변형 변화에 착안하였다.

변형이 5% 변형하기까지의 주행회수는 D14U6, D12U8, D16U6의 순으로 빠르게 되며, 변화하는 변형의 절대치는 D12U8, D14U6, D16U6의 순으로 크게 된다는 것을 확인하였다. 또한, 초음파 탐상시험의 결과도 비교하여 데크 플레이트가 두껍게 되면 변형의 진전이 늦어지는 경향이 있다는 것도 확인하였다. U립의 판 두께 즉, 용접조건의 차이 및 피로시험의 결과의 편차도 있어, 3자를 단순하게 비교하는 것은 불가능 하지만, 데크 플레이트를 16mm로 함으로써 피로 균열의 발생과 진전을 제어할 수 있는 가능성을 확인하였다.  

(3) 해석적 검토 결과

해석적 검토에서는 본 연구와 과년도에 실시한 피로시험체를 대상으로 하여 D12U6, D12U8, D14U6, D14U8, D16U6, D16U8 등 6종류의 모델을 대상으로 하였다. 그 결과, U립의 판 두께가 발생응력에 미치는 영향은 작은 것, 데크 플레이트의 두께를 증가시킴으로써 변형의 저감이 가능한 것을 확인하였다. 또한, 피로설계 곡선의 기울기를 나타내는 계수 m=3으로 가정하면, 데크 플레이트를 12mm에서 14mm로 하여 피로수명이 2배 이상, 16mm도 하면 5배 전후가 된다.

또한, 용접지단부 5mm 위치의 다리 축 직각 방향 변형과 용접 루트부의 다리 축 직각 방향 응력의 비교를 실시하고, 용접 지단부 5mm 위치의 다리 축 직각방향 변형을 이용한 피로강도 평가가 실시될 수 있는 가능성을 나타냈다.

4. 윤하중 주행시험(공시체 B)

데크 플레이트의 후판화에 의한 U립 용접부의 피로 내구성의 향상효과를 확인하기 위해 실제 큰 공시체를 이용한 윤하중 주행시험을 실시하였다. 독립행정법인 토목연구소가 담당한 것은 19mm두께(D19), 16mm두께(D16)의 데크 플레이트를 가진 U립 2경간 분의 공시체 1개를 이용한 윤하중 주행시험이다. 데크 플레이트에는 6mm두께(U6)과 8mm두께(U8)의 U립이 2개씩 총 4개 용접되어 있으며, 시험은 재하위치를 2개소로 하여, D16U6, D16U8, D19U6 및 D19U8의 4종류의 조합에 대해 실시하였다.

또한, 공시체에 대한 3차원 FEM 해석을 실시하고, 시험결과와의 비교를 수행하고 데크 플레이트 두께의 영향에 관하여 검토하였다.

(1) 윤하중 주행시험의 결과, 횡 립 교차부에 데크 진전 균열이 루트부에서 발생하였다. 교차부의 데크 플레이트 두께는 19mm이며, 균열은 U립 두께 6mm와 8mm 양쪽에서 발견되었다. 초음파 탐상시험의 결과로부터 균열이 재하회수가 150~250만회 정도로 발생한 것으로 관측되었다. 시험 종료 후의 파단관찰에 의해 U립 두께 6mm측의 균열은 깊이 14.6mm, 길이 156mm, U립 두께 8mm측의 균열은 깊이 9.7, 길이 70mm에 도달하였다. 한편, 교차부 이외의 부위에는 균열이 발생하지 않았다.

(2) 공시체 모델에 대한 FEM 해석에 의해, 데크 플레이트의 후판화에 의한 루트부의 최소응력의 비교를 수행하였다. 그 결과, 판 두께 12mm에 대해 판 두께 14mm, 16mm, 19mm의 응력비율은 일반부에서는 각각 약 73%, 54%, 37%로, 횡 립 교차부에서는 각각 약 80%, 65%, 52%로 저감하는 것이 확인되었다. 또한, 루트부의 최소 응력에 관하여 U립 두께 6mm와 8mm의 경우에는 큰 차가 나타나지 않았다.

5. 마무리

본 공동연구에서는 도로교에 일반적으로 이용되는 U형 트로프 립(U320-240)을 이용한 강상판에서 보고가 있는 데크 플레이트 관통 균열에 착안하여 피로시험을 실시하고, 데크 플레이트와 트로프 립 각각의 판 두께 확대에 의한 피로 내구성 향상책에 관하여 검토하였다.

본 연구에서 얻어진 주요 결과는 다음과 같다.

(1)교차부에 착안한 정점재하 피로시험의 결과, 데크 플레이트 판 두께 12mm~19mm, 트로프 립 판 두께 6, 8mm를 조합시킨 강상판에서는 이러한 판 두께의 조합에 관계없이 보고되어 있는 손상사례와 동일한 데크 플레이트 관통에 도달한 것으로 생각되는 균열이 트로프 립과 데크 플레이트의 종방향 용접에 의해 발생하고 균열 진전의 특징은 공통적인 것으로 생각된다.

(2) 교차부에 착안한 정점재하 피로시험의 결과, 데크 플레이트 관통 균열의 발생시기 및 진전에 의한 구조계의 변화정도에 착안하면, 데크 플레이트 판 두께와 트로프 판 두께는 각각 클수록 피로 내구성은 향상하는 경향이 있다고 말할 수 있다. 또한, 그때, 데크 플레이트 판 두께와 트로프 립 판 두께에서는 데크 플레이트 판 두께의 경우가 피로 내구성에 미치는 영향이 보다 지배적으로 되는 경향이 나타났다.

(3) 일반부에 착안한 시험 공시체의 윤하중 주행 시험에서는 데크 플레이트 두께가 12mm에 대하여 14mm, 16mm로 두께를 증가시킴으로써 데크 플레이트측 용접 지단부 5mm 위치에서의 5% 변형 변화가 발생하는 반복횟수가 증가하였다. 또한, 위 위치에서 발생하는 변형 범위도 판 두께 12mm의 경에 대해 14mm, 16mm에서 약 50%로 저감되었다.

(4) 일반부 및 교차부를 포함한 시험 공시체의 윤하중 주행시험에서는 교차부만 피로 균열이 확인되었다. 이 결과에 의해, 본 시험 조건에서 일반부에 비해 교차부의 피로 내구성이 낮다고 생각되었다.