| 연구개발개요 |
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 함나. 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
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