용접부의 피로 파괴 거동

본문내용

작용, 요소의 기하학적인 불연속성에서 야기된 응력집중부와 이런 미소균열 사이의 상호작용을 분석하는 것이 필요하다.
<그림 3.10> 결함 탐지를 위한 비파괴검사의 신뢰도 비교
(1) 초기결함의 비파괴적 특성 분류
결함을 내재한 부재의 피로수명은 파괴역학 이론을 이용함으로써 예측할 수 있다. 피로균열의 성장은 균열 길이의 증가와 지수적인 관련이 있기 때문에 대부분의 피로수명은 균열이 작을 때 늘어난다. 따라서 초기 결함의 특성, 특히 크기와 모양의 정확한 예측은 용접부재의 피로수명을 정확하게 평가하기 위해 필수적이다. 결함의 크기와 빈도는 용접처리와 용접을 용이하게 하기 위한 기하학적 모양에 의존한다. 비파괴 시험에 의해 기존의 연구에서 밝혀진 바로는 제대로 용접된 요소에도 0.016in(0.4mm)와 0.08in(2mm)의 결함이 존재한다.
부재의 피로수명을 예측하기 위한 파괴역학 기술의 적용에 흔히 사용되어지는 가정중의 하나는 특별한 비파괴 검사를 통해서 발견되어 질 수 없는 결함의 최대 크기와 부재의 결함의 크기가 같다는 것이다. 불행하게도 감지되어질 수 없는 크기는 상대적으로 크며, 그림 3.10에서 처럼 검사방법 뿐만 아니라 검사기계를 사용하는 사람에게서도 영향을 받는다. 이러한 가정은 부재의 피로수명을 평가하는데 있어 광범위하게 문제점을 야기시키며, 신뢰할 수 있고 경제적인 구조물을 세우는데 어려움을 준다. 결과적으로 파괴역학 개념이 복잡한 용접구조물(이를테면 교량, 선박, 해안구조물)의 피로수명을 보다 올바르게 예측하기 위해 사용되기 위해서는 내적으로 존재하는 결함의 예측, 특성화 검사 방법의 획기적인 발전을 필요로 한다.
(2) 미소결함에 대한 피로균열 진전거동 해석
선형탄성 파괴역학 개념을 이용하여 여러 용접 구조물의 피로수명을 예측하기 위해 많은 실험이 이루어져 왔다. 이러한 연구는 다음과 같은 가정에 기초를 두고 있다.
①용접부재에 존재하는 피로균열은 이미 존재하는 피로균열과 같은 거동을 보이는 잠재된 결함에서부터 시작된다. 결과적으로 용접부재의 피로수명은 피로균열 성장률에 좌우되며, 균열이 시작될 때 까지의 기간은 확인하기 불가능하다.
② 내재된 결함을 예측하기 위해 사용되어지는 응력확대계수 KI과 응력확대계수범위 ΔKI은 선형탄성 파괴역학 개념을 사용함으로써 계산되어 질 수 있다.
③ 내재된 결함을 예측하기 위해 사용되어지는 피로균열성장률과 ASTM의 조건을 만족시키는 시험편으로 시험함으로써 얻어지는 성장률은 일치한다.
용접빔의 피로균열은 복부판과 플랜지의 필렛용접시 존재하는 기공에 의해 발생된다. 이러한 기공의 형상은 <그림 3.5>에서 처럼 플랜지면과 복부판면에 대해 약 45도 방향으로 주축을 가진 타원체로 존재한다. 이것은 내재되어 있는 결함이 타원형 결함과 같은 크기와 형상을 갖는다는 가정에 근거를 둔다. 이러한 결함의 피로역학적 수명은 실제 용접 구조물의 피로수명보다 짧게 나타나며, 총수명 해석시에 내재된 피로균열을 무시하기 때문이다.
용접끝이나 용접 지단부에 존재하는 피로균열은 슬래그 혼입이나 언더컷 등으로부터 시작된다. 이러한 결함의 기하학적 형상은 필렛용접의 기공보다도 더 불규칙적이다. 그러나 기존의 연구 자료에서는 초기수명이 전체 피로수명의 중요한 부분이 될 수 있음을 나타내고 있다. 파괴역학적 방법은 다만 피로균열 성장수명을 계산하는데 사용되어지며, 피로균열 발생수명도 전체 수명에서 중요한 부분이 되기 때문에, 파괴역학적 계산은 이런 구조상세에 대한 보편적인 수명 예측에 국한된다.
Clark는 미소 균열의 거동에 대한 연구에서 균열의 길이가 균열 끝의 소성영역의 크기보다 최소한 25배 이상 크면 선형탄성 파괴역학 개념이 균열끝의 소성영역의 크기(rp)에 직접 적용될 수 있다는 결론을 얻었다. 용접 지단부에 존재하는 결함은 강재의 항복응력과 같은 잔류 인장응력부에 존재한다. 또한 교량에 적용되는 항복응력의 1.5배 이상, 덮개판의 끝단 부위에서 약 4배의 응력집중을 가진 최대 설계응력에 근거하면 국부응력이 강재의 항복응력과 같은 소성적으로 변형된 지역에 결함이 존재한다는 가정은 상당히 근거가 있는 것이다. 이러한 상황 아래서 소성영역의 크기가 선형탄성 파괴역학적으로 계산되어 질 수 있다면 소성영역의 크기가 같은 정적하중하에 있는 것보다 작은 반복하중에서 조차도 Clark의 결론을 만족시키기에 너무 크다. 결과적으로 선형탄성 파괴역학을 용접부재에서 관찰되어지는 미소한 결함에 적용할 수 있는가는 의문이다. 파괴역학 기술을 미소한 결함에 적용하는데 한계를 정하고, 이들의 거동을 분석하는데 이용될 수 있는 개념을 세우는데는 좀 더 많은 연구가 필요하다.
용접부재의 피로균열성장수명의 파괴역학적 해석은 작은 용접으로 인한 결함의 성장률은 지수법칙에 의해 나타내어 질 수 있다는 가정에 근거를 둔다. 이러한 관계의 이용은 앞에서 논의된 선형탄성 파괴역학의 용접에 의한 미소 결함에 적용되어 질 수 있는가에 대한 의문을 가지게 한다. 게다가 지수법칙은 특히 고려되어지는 상황 아래서 용접의 결함보다 큰 균열을 포함하는 파괴역학 형태에 맞는 시험편을 시험함으로써 얻어진 실험 데이터에 근거한다. 따라서 피로균열성장률 da/dN과 응력확대계수법위 ΔKI과의 관련성의 적용, 지수법칙에 있는 상수들의 상호관련성 등을 용접부재에서 관찰되어지는 미소한 결함의 고찰을 위해 확립되어져야 한다.
용접부재의 피로수명을 예측하기 위해 파괴역학을 적용하는 것은 용접 지단부에서의 Maddox의 가정인 KI과 ΔKI은 용접형성과 연결형태의 응력집중을 고려한 요소를 곱한 강판형내의 균열에 대응하는 ΔKI 또는 KI으로부터 유도되어 질 수가 있다는 것에 두고 있다. 하중 비전달형 필렛용접과 횡방향 맞대기 용접에 대한 Mk값을 정하기 위해 유한요소해석이 행해졌으나, 분석결과는 큰 차이를 나타냈다. 또한 이상화된 기하학적 형상을 가진 용접부에 대한 가용한 해석결과는 Mk값은 절점의 형상, 용접의 기하학적형태, 용접 지단부의 각도, 균열비, 평판 두께 뿐만 아니라 실제 구조물에 사용되어진 용접부재에 대해 확립하기가 어려운 다른 요소들의 값에 좌우됨을 나타낸다.

키워드

용접,   피로,   파괴,   균열,   잔류응력,   응력집중,   결함