김춘 호
(Chun-Ho Kim)
1)
이성 태
(Seong-Tae Yi)
2)*
김인 식
(In-Sic Kim)
3)
© Korea Institute for Structural Maintenance Inspection All rights reserved
키워드
신개념 복공판, 휨파괴 실험, 구조해석, 내하력
Key words
Lining board, Flexural failure test, Structural analysis, Load carrying capacity
1. 서 론
지하철 공사 시, 차량의 통행을 위해서 상부에 시공되는 임시 구조물인 복공판 (lining board)은 통과하는 차량의 차 륜을 직접 지지하는 구조체로서
매우 중요한 역할을 한다 (KHBDC, 2010). 지하구조물, 연약지반, 교량 등과 같은 토 목공사 및 다층건물과 같은 건축공사 용으로 여러 현장에서 사용되고 있는 복공판은 최근들어 교통량과
대형차량의 혼 입률 증가로 인해 보다 우수한 성능을 갖는 복공판 개발이 요구되고 있다.
특히 지하철공사나 노후교량 등의 보수공사 현장에 사용 되는 복공판은 소음과 미끄럼문제 그리고 안전사고 등의 요 인이 되므로 새로운 노면용 복공판의
개발은 매우 시급한 과 제이다. 현재 사용되고 있는 복공판은 형식에 따라 차이가 있으나 대부분이 용접을 통하여 제작되고 있고 소음은 여전 히 발생하고
있으며 미끄럼에 대한 저항성이 취약하며 복공 판의 내하력 상태를 확인할 수 없는 구조 (ㄷ형 복공판)로 되어 있다. 또한 용접이음부의 파손에 따라
H형강이 개별거 동 (H형 복공판)을 하며 전용접에 따르는 용접의 품질문제 및 제작비의 증가 그리고 미끄럼 방지시설의 추가에 따르는 시공시의 품질
및 추가설치비의 소요 등의 문제점을 내포하 고 있다. 실제 복공판은 가혹한 환경에 항상 노출되어 있고, 반복적인 교통하중의 누적 손상현상에 의하여
하중을 받기 때문에 피로, 좌굴, 충격 및 부식 등의 다양한 요인에 의해 큰 손상을 받는 경우가 빈번하며 잦은 보수를 필요로 하며 이에 대한 연구
(Kim and Kim, 2004; Yoon et al., 2012; Kim et al., 2009; Lee and Kim, 2005a, b)가 일부 수행되어 왔다. 그러나 현재까지도 가설구조물이라는 이유로 제품의 안전성, 사용성, 경제성 등에 대한 고려가 체계적으로 수행 된 경우는
아주 미흡한 실정이다.
이 연구에서는 기존 복공판의 단점들을 극복하기 위하여 신개념 복공판 (이하 HY-DECK으로 칭함)의 실험체를 제작 하고 이에 대한 파괴실험을 수행했으며
실험체에 대한 구조 해석을 통해 신개념 복공판을 실무에 적용하기 위한 연구를 실시하였다.
2. 신개념 복공판의 파괴실험
신개념 복공판은 일반적인 ㄷ형 복공판과 비교하여 더 넓 은 복개면적을 가지며 주형보와 가로보가 4변에서 동시에 지지하는 특성을 갖고 있으므로 이러한
복공지지구조의 실 제거동과 임계하중을 파악하기 위하여 실제 복공지지구조와 동일한 형태로 제작한 후 실험을 수행하였다.
2.1 신개념 복공판의 휨파괴 실험
신개념 복공판에 작용하는 고정하중이나 활하중과 같은 외력에 저항할 수 있는 휨강도를 평가하기 위해 실험체를 제 작 (Fig. 1)했으며 Fig. 2와 같이 복공지지구조를 제작하여 주형보와 가로보에 실험체를 거치한 후 휨파괴 실험을 실시 하였다.
Fig. 1.
Obique view of HY-DECK specimen
Fig. 2.
Lining supporting structure and installation of HY-DECK
2.2 실험체의 설치 및 실험방법
신개념 복공판의 성능을 검증하기 위하여 Fig. 1과 같이 Kim et al. (2014)에 의해 제시된 3,000×2,000mm의 크기와 두께 6mm의 실험체에 대한 실험이 수행되었다. 휨파괴 실
험을 위해 실험체가 복공지지구조의 가로보와 주형보에 지 지되도록 실험체를 설치하고 중앙에 접지면적 (200×500mm) 에 해당하는 DB-24의 분포하중을
재하하였다.
이때 복공판의 변위와 변형률의 측정위치는 Fig. 3과 같으며, 변위는 총 7곳에서 그리고 변형률은 총 8곳에서 측정되었다. 즉, 변위계는 최대휨모멘트와 최대변위가 발생하는 복공판 하 부의 정중앙과
가로보의 중앙부 및 양쪽 지점부에 그리고 변형 률게이지는 복공판의 상⋅하면에 부착하였다 (Fig. 4~Fig. 6).Fig. 5)
Fig. 3.
Location DWG of LVDT and strain gage
Fig. 4.
Installation location of LVDT
Fig. 5.
Attachment of strain gage (upper surface)
Fig. 6.
Attachment of strain gage (lower surface)
2.3 신개념 복공판의 휨파괴 실험결과
실험체에서 얻은 하중-변위 곡선은 Fig. 7과 같다. 실험체 는 하중 664kN에서 파괴가 일어났으며, 실험결과는 Table 1 과 같다.
Fig. 7.
Load-displacement curve (HY-DECK)
Table 1.
Flexural failure test results (HY-DECK)
|
item
|
displ.at 100kN (mm)
|
displ. at 664kN (mm)
|
max. displ. at the failure (mm)
|
LVDT No.
|
|
front cross beam
|
left end
|
0.19
|
2.23
|
2.23
|
1
|
|
middle
|
0.84
|
7.34
|
7.34
|
2
|
|
right end
|
0.17
|
2.75
|
2.75
|
3
|
|
back cross beam
|
left end
|
0.26
|
1.86
|
1.86
|
4
|
|
middle
|
0.82
|
5.56
|
5.56
|
5
|
|
right end
|
0.01
|
1.26
|
1.26
|
6
|
|
HY-DECKmiddle
|
2.58
|
27.01
|
27.01
|
7
|
최대변위는 하중이 작용하는 중앙부에서 발생했으며 100kN 작용 시 2.58mm였고 파괴하중인 664kN이 작용할 때는 27.01mm 였다. 여기서,
100kN은 추후 다른 하중이 가해지는 경우, 그 결과값을 쉽게 구하기 위해 선택한 일종의 단위하중이다.
3. 실험체에 대한 구조해석
이 절에서는 설명된 신개념 복공판의 지지구조와 신개념 복 공판에 대한 상세구조해석을 실시하여 외력에 대한 구조적 안 정성을 검토하고자 한다. 즉,
여기서 수행된 구조해석은 신개 념 복공판의 실험결과와 비교⋅분석하여 내하력을 산정하기 위해 수행되었으며, 이때 모델링에는 다양한 해석조건을 고려 하여
범용 유한요소 프로그램인 ABAQUS의 solid elements 중 8절점 요소를 이용했고 이에 대한 해석을 수행하였다.
3.1 구조해석을 위한 경계조건과 재료모델 및 하중
3.1.1 경계조건
경계조건은 Fig. 8과 같이 복공판이 지지되는 주형보의 양 끝단 4부분을 고정지점으로 하고, 복공판의 지지부위 즉 주 거더 및 가로보와의 접촉부 그리고 주거더와 가로보의
연결 부에서의 볼트연결은 강절점으로 가정하였다.
Fig. 8.
Structural analysis model of the specimen
3.1.2 재료모델
해석에 사용된 재료는 가격과 경제성을 고려하여 SS400 강재로 하였으며 물성치로는 탄성계수(E)=200,000MPa, 프 와송비(ρ)=0.3 그리고
단위중량(wp)=78.5kN/m3를 사용하였다.
재료적 비선형을 고려하였으며 강재의 소성응력-변형률 관 계를 그림으로 나타내면 Fig. 9와 같다.
Fig. 9.
Plastic stress-strain curve of SS400 steel plate
3.1.3 윤하중의 작용위치
작용하중은 실험에서와 동일 (Fig. 8)하게 신개념 복공판 의 중앙부의 접지면적 (200×500mm)에 걸쳐 하중을 0kN에 서부터 점진적으로 증가시켜 664kN까지 등분포로 가했으며,
모든 요소에 대하여 강재자중이 고려되었다.
3.2 신개념 복공판의 구조해석 결과
3.2.1 신개념 복공판의 해석결과 분석
실험에서와 동일한 윤하중 접지면적에 하중 100kN과 664kN을 재하한 경우의 발생응력과 변위는 Fig. 10~Fig. 15 와 같으며, 자중에 의한 발생응력과 변위는 Fig. 16~Fig. 18 과 같이 나타났고 이들을 표로 정리하면 Table 2~Table 4와 같다.
Table 2.
Analysis results at a loading of 100kN
|
item
|
analysis results (unit: MPa)
|
|
f_11
|
f_33
|
|
stress
|
a
|
-
|
10.10
|
|
b
|
36.91
|
-
|
|
c
|
-
|
11.13
|
|
d
|
32.96
|
-
|
|
e
|
4.897×10-3 |
4.937×10-2 |
|
f
|
4.633×10-3 |
4.764×10-2 |
|
g
|
4.659×10-3 |
4.949×10-2 |
|
h
|
4.359×10-3 |
4.765×10-2 |
|
displ.
|
middle part (LVDT location)
|
-1.240mm
|
|
cross beam (end)
|
-0.039mm
|
|
cross beam (middle)
|
-0.404mm
|
Table 3.
Analysis results at a loading of 664kN
|
item
|
analysis results (unit: MPa)
|
|
f_11
|
f_33
|
|
stress
|
a
|
-
|
59.63
|
|
b
|
176.6
|
-
|
|
c
|
-
|
62.91
|
|
d
|
188.6
|
-
|
|
e
|
6.947×10-3 |
1.104×10-1 |
|
f
|
2.129×10-2 |
9.598×10-2 |
|
g
|
1.086×10-2 |
9.222×10-2 |
|
h
|
2.353×10-2 |
7.875×10-2 |
|
displ.
|
middle part (LVDT location)
|
-15.8mm
|
|
cross beam (end)
|
-0.663mm
|
|
cross beam (middle)
|
-3.674mm
|
Table 4.
Analysis results at the self-weight of steel
|
item
|
analysis results (unit: MPa)
|
|
f_11
|
f_33
|
|
stress
|
a
|
-
|
1.283×10-2 |
|
b
|
2.343×10-2 |
-
|
|
c
|
-
|
35.09×10-2 |
|
d
|
2.291×10-2 |
-
|
|
e
|
1.408×10-2 |
1.031×10-5 |
|
f
|
1.405×10-2 |
1.361×10-5 |
|
g
|
1.395×10-2 |
4.149×10-5 |
|
h
|
1.393×10-2 |
7.275×10-5 |
|
displ.
|
middle part (LVDT location)
|
-0.0442mm
|
|
cross beam(end)
|
-0.0089mm
|
|
cross beam (middle)
|
-0.0328mm
|
휨파괴 실험에 대한 이 그림들로부터 최대변위가 발생하 는 부분은 복공판의 중앙부라는 사실을 알 수 있으며, 최대 변위를 근거로 실험치와 해석치에 대한
하중-변위 그래프를 그리면 Fig. 19와 같다.Fig. 11, 12,13,14,17
Fig. 10.
Stress distribution at a loading of 100kN (upper surface)
Fig. 11.
Stress distribution at a loading of 100kN (lower surface)
Fig. 12.
Displacement at a loading of 100kN
Fig. 13.
Stress distribution at a loading of 664kN (upper surface)
Fig. 14.
Stress distribution at a loading of 664kN (lower surface)
Fig. 15.
Displacement at a loading of 664kN
Fig. 16.
Stress distribution at a loading of self-weight (upper surface)
Fig. 17.
Stress distribution at a loading of self-weight (lower surface)
Fig. 18.
Displacement at a loading of self-weight
Fig. 19.
Load-displacement curve by tests and analyses
3.2.2 변위에 대한 실험값과 해석값 차이의 원인
실험값과 해석값에 차이가 발생되는 원인은 실제로 복공 판의 상⋅하부프랜지가 놓여지는 거더와 가로보의 접촉부는 회전에 저항하지 못하는 지점으로 설치되지만
해석시에 강 절점으로 처리한 점과 가로보와 거더의 연결부는 볼트로 연 결되지만 해석시에는 이 또한 강절점으로 처리하였기 때문 으로 판단된다. 또한,
복공판의 상부 플랜지판의 연결시 연 결부를 전면용접하게 되면 열에 의한 잔류응력으로 판이 울 퉁불퉁하게 되므로 실험시 부분용접으로 연결하였다. 따라서
이는 연속체로 모델링한 것과 비교해서 강도가 약하기 때문 에 위와 같은 차이가 발생하였다고 판단된다.
Fig. 20은 단위하중 100kN과 파괴하중 664kN일 때의 실 험체 주요위치 (②, ⑦, ⑤)에서의 변위값을 그래프로 나타 낸 것이다.
Fig. 20.
Displacement at the middle part of the specimen under design load of 100kN and failure
load 664kN
3.3 해석치와 실험치의 응답비 산정 및 내하력 평가
3.3.1 응답비 결정
구조해석 결과를 이용하여 하중이 100kN 작용할 경우의 응답비 (해석치/실험치)는 Table 5에 정리하였고, 파괴하중 664kN이 작용할 경우의 응답비는 Table 6에 나타내었다. 한 편, Table 5와 6에서 실험체의 주요위치 (②, ⑦, ⑤)에서의 응답비를 그래프로 나타내면 Fig. 21과 같다.
Fig. 21.
Response ratio at the loadings of 100kN and 664kN
Table 5.
Response ratio at a loading of 100kN
|
item
|
test results (mm)
|
analysis results (mm)
|
response ratio
|
|
LVDT1(①)
|
0.19
|
0.039
|
0.205
|
|
LVDT2(②)
|
0.84
|
0.040
|
0.048
|
|
LVDT3(③)
|
0.17
|
0.039
|
0.229
|
|
LVDT4(④)
|
0.26
|
0.039
|
0.150
|
|
LVDT5(⑤)
|
0.82
|
0.040
|
0.048
|
|
LVDT6(⑥)
|
0.01
|
0.039
|
3.900
|
|
LVDT7(⑦)
|
2.58
|
1.24
|
0.481
|
Table 6.
Response ratio at a loading of 664kN
|
item
|
testresults (mm)
|
analysisresults (mm)
|
responseratio
|
|
LVDT1(①)
|
2.23
|
0.663
|
0.297
|
|
LVDT2(②)
|
7.34
|
3.674
|
0.501
|
|
LVDT3(③)
|
2.75
|
0.663
|
0.241
|
|
LVDT4(④)
|
1.86
|
0.663
|
0.356
|
|
LVDT5(⑤)
|
5.56
|
3.674
|
0.661
|
|
LVDT6(⑥)
|
1.26
|
0.663
|
0.526
|
|
LVDT7(⑦)
|
27.01
|
15.80
|
0.585
|
내하력의 평가에서 응답비로는 하중이 재하된 가장 인접 한 부위의 응답비인 0.481과 0.585 중 사용하중이 작용하였 을 때 즉, 탄성범위에 있을
경우는 0.481을, 소성거동일 경우 는 0.585를 사용하고자 한다.
3.3.2 내하력 평가
신개념 복공판의 내하력 평가는 탄성거동의 경우와 소성 거동이 발생되었을 경우에 대해 각각 실시하였다.
1) 탄성거동의 경우,
기본내하율
RF
:
σ
allow
-
σ
D
σ
L
=
140.0
MPa
-
0.02343
MPa
47.19
MPa
=
2.966
여기서, σD 와 σL 은 각각 고정하중과 활하중에 의한 최대 응력이고, σallow는 강재의 허용응력이다.
최종내하율 = RF×응답비 = 2.966×0.481 = 1.427
내하력도 = 최종내하율×DB-24
= 1.427×DB-24 = 34.25
∴ DB-34
2) 소성거동의 경우,
기본내하율
RF
:
σ
allow
-
σ
D
σ
L
=
140.0
MPa
-
0.02343
MPa
47.19
MPa
=
2.966
최종내하율 = RF×응답비 = 2.966×0.585 = 1.735
내하력도 = 최종내하율×DB-24
= 1.735×DB-24 = 41.64
∴ DB-41
4. 결 과
박스 형태로 고안된 신개념 복공판의 안전성 검토와 성능 을 검증하기 위해서 실험과 해석을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
-
신개념 복공판의 휨파괴 실험결과, 실험체에는 하중을 재하한 부위에서 최대변위가 발생되었고 균열이 발생 하여 진전했으며 최종하중 664kN에서 파괴됨을
알 수 있었다.
-
휨파괴 실험결과를 바탕으로 구조해석을 실시한 결과, 복 공판의 중앙부에서의 단위하중 100kN일 때와 파괴하중 664kN일 때의 최대변위값은 각각
2.58mm와 27.01mm 였다.
-
신개념 복공판의 내하력평가를 위해 응답비를 산출한 결과, 탄성범위는 0.481, 소성범위는 0.585였고 내하력 평가를 수행한 결과, 탄성범위 내하력은
DB-34, 소성 범위 내하력은 DB-41로 평가되었다. 따라서 이 연구 에서 개발한 신개념 복공판은 설계하중과 구조적 안전 성을 만족함으로서 기존
복공판의 단점을 보완하였으 며, 실무에 적용이 가능한 것으로 판단된다.