2.1 인장강도 평가 시험체

Fig. 1 Concept of tensile strength specimens

본 연구에서는 도장손상이나 노후화에 따라 원형단면 부재의 표면에서 국부적으로 발생할 수 있는 인장강도 변화를 정량적으로 비교하기 위하여 원형단면 강관 부재 시험체를 제작하였다. 인장강도 시험체는 Fig. 1과 같이 외경 89.1 mm, 두께 3.2 mm의 원형강관 부재가 사용되었으며, 인장하중 도입을 위하여 인장강도 시험체의 단부에는 폭 120 mm, 두께 20 mm의 강판과 원형 강봉을 용접하여 부착하였다. 인장강도 평가를 위하여 총 12개의 시험체가 제작되었으며, 인장강도에 대한 단면손상 수준을 고려하기 위하여 원형단면 부재에 대한 손상 폭을 강관 부재의 원주방향으로 30~150 mm, 손상 높이를 강관 부재의 길이 방향으로 30~90 mm로 변화시켜 총 9종류의 단면 손상 시험체를 제작하였다. 인장강도 시험체에 대한 단면손상은 핸드드릴을 이용하여 인위적인 단면손상을 도입하고, 손상 전과 후의 무게를 측정하여 손상단면에서 발생한 손상수준을 확인할 수 있도록 하였다. 단면손상 도입을 위한 핸드드릴은 지름 12 mm의 드릴비트로 깊이 2.7 mm의 피팅(pitting)을 Fig. 1과 같이 도입하였으며, 피팅과 피팅이 서로 겹쳐 불규칙한 표면을 만들 수 있도록 하였다.

실험체 제작에 사용된 강관부재의 강종은 항복강도가 275 MPa 이상이며, 인장강도가 400 MPa인 SGT 275 강재를 사용하였다(KS D 3566, 2018)⁽¹¹⁾. Table 1은 단면손상을 도입한 인장강도 시험체의 단면손상 조건과 단면손상 도입 후 중량감소량을 정리하여 나타낸 것으로 Table 1에서 TUCC시험체는 단면손상이 없는 기준 시험체로 단면손상이 발생한 시험체와 인장성능 변화를 비교하기 위한 것이다.

2.2 인장강도 평가 방법

Fig. 2 Test set-ups of tensile strength tests

강관부재의 인장강도 변화를 평가하기 위하여 1,000 kN 용량의 만능시험기(Universal Test Machine)를 이용하였다. 인장하중 재하는 3 mm/min의 변위제어를 통하여 인장변위를 하중으로 도입하였으며, 시험체에 인장균열이 발생한 후 강관 시험체가 인장파괴 상태에 도달하기까지 인장하중을 재하 하였다. Fig. 2는 손상이 없는 기준 시험체 TUCC-H0B0-1 시험체와 TCC-H30B90 시험체의 인장강도 평가 모습이다. Fig. 2(b)에 나타난 것과 같이 대상 원형단면 인장강도 시험체 표면에 인위적 단면손상이 도입된 것을 확인할 수 있다.

3.1 인장하중-변위 관계 및 파괴특성

Fig. 3 Tensile load – displacement relationships

Fig. 4 Tensile failure modes of tensile strength test specimens

단면손상을 도입하지 않은 기준 강관부재와 국부적 단면손상을 도입한 강관부재의 인장하중-변위 관계를 비교하여 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3에 나타낸 것과 같이 국부적인 단면손상이 도입된 인장강도 시험체에서는 단면손상이 없는 기준 시험체와 비교하여 상대적으로 급격한 인장강도의 저하와 변위 감소가 발생하고 있음을 확인할 수 있다. 또한, 인장하중 감소가 발생하고 다시 미소한 인장하중 증가가 발생한 후 다시 하중감소가 발생하고 있음을 확인할 수 있다. 단면손상이 도입된 시험체의 경우 손상이 없는 시험체와 비교하여 손상된 단면에서 인장균열이 발생한 후 급격한 인장하중의 감소가 발생하여 비파괴 단면이 인장하중에 저항하게 되므로 인장하중의 미소한 증가가 발생하고, 파괴단면이 커져 하중 감소가 발생한 것으로 판단된다. Table 2에 나타낸 인장하중-변위 관계의 환산단면적은 Equ. (1)을 활용하여 계산하였으며, 손상된 부피를 이용하여 동일한 조건에서 외부의 국부적인 단면 손상을 전체 강관 부재의 외경 변화로 환산하여 계산하였다. 여기서, SA(Sectional Area)는 단면적, RT(Reduction Thickness)는 감소두께, B는 인위적인 손상의 폭을 의미한다.

단면손상이 없는 인장강도 실험체인 TUCC-H0B0의 경우 Fig. 3의 인장하중-변위 관계에서 나타나는 것과 같이 최종 부재의 파단이 발생하기까지 변위의 증가로 부재의 단면 감소가 발생한 후 부재의 최종 파단이 발생하였다. 하지만 국부적 단면 손상이 도입된 강관 실험체의 경우 Fig. 4에 나타낸 것과 같이 부식손상이 도입된 폭에 따라 상이한 파괴거동이 나타나는 것을 확인할 수 있다. Fig. 4(a)에 나타난 것과 같이 상대적으로 부식손상이 도입된 폭이 좁은 경우, 무손상 시험체의 파괴 특성과 유사하게 부재의 파단이 발생하기까지 변위의 증가로 부재의 단면감소가 발생한 후 최종 인장파괴가 발생하였으며, 인장파괴단면의 경우 단면손상이 발생한 곳에서 최초 발생하고 파괴단면이 확대되는 것으로 나타났다. 이러한 경향은 인장하중-변위관계에서 확인할 수 있으며, 손상이 많은 시험체들과 비교하여 최종 파괴까지의 단면의 네킹이 발생하고 있음을 알 수 있다. Fig. 4(b)와 같이 전체 지름에 대하여 손상의 폭이 큰 경우 부재의 단면손상이 크게 나타나 최종 인장파괴가 발생하기 이전 변위의 증가 없이, 인위적 단면부식손상을 도입한 단면에서 인장파괴가 발생하였다. 특히 파괴가 발생한 단면은 피팅(Pitting)을 연속적으로 배치되어 단면 손실이 상대적으로 가장 큰 위치에서 나타나고 있는 것으로 판단되며, 동일한 평면이 아니라 단면손실이 큰 방향으로 인장균열이 발생하고 있음을 확인하였다.

기존에 수행된 부식손상이 발생된 인장 부재의 연구에 따르면 부재의 인장파괴가 발생하는 단면은 단면에 대하여 최소평균두께를 가지는 최소 단면에서 파단되는 경우가 대부분으로 나타나고 있다(Kim et al., 2010; Zhao et al., 2020)^(10,12). 본 연구에서도 기준 시험체를 제외하고 국부적 부식손상이 있는 시험체의 경우 손상된 표면에서 발생하는 인장응력의 집중과 상대적 변형 효과로 단면손상이 손상이 발생한 곳에서 인장파괴가 시작되고 파괴단면이 확대되고 있음을 확인하였다. 따라서, 강관부재의 부식손상 폭이 작은 경우 부재의 인장거동은 급격한 인장파괴를 발생하지 않으나, 단면에 대한 부식손상 폭이 큰 경우 손상된 최소 단면에서의 소성변형 후 상대적으로 낮은 인장하중상태에서 인장파괴가 나타날 수 있음을 알 수 있다.

3.2 인장강도-단면손상비 관계

Fig. 5 Tensile strength depending on sectional damage width

Fig. 3에 나타낸 인장하중-변위관계로부터 본 연구에서 고려한 단면손상 형태에 따른 인장강도 변화를 비교하고자 하였다. 본 연구에서는 부식손상을 모사하기 위하여 핸드드릴로 인위적 단면손상을 도입하였으나, 실험체에 대해서 모든 표면이 동일한 형태로 부식손상이 발생할 수 없으므로 손상 무게와 기준 손상 폭 및 높이에 따른 인장강도 변화를 비교하여 그 영향을 평가하고자 하였다.

3.2.1 강관지름에 대한 부식손상 폭 효과

Fig. 6 Tensile strength depending on sectional damage height

원형단면 강관부재에 대한 부식손상 폭 효과를 비교하기 위하여 Fig. 5에 단면손상 폭에 따른 강관의 최대 인장강도를 나타내었다. 동일한 손상 폭을 가진 강관시험체의 경우 동일한 수준의 인장강도를 나타내고 있으며, 단면의 손상 폭이 증가함에 따라 인장강도의 감소가 발생하고 있음을 확인할 수 있다. 또한 최대 인장하중에 대한 강관부재의 변위는 단면손상의 폭이 증가함에 따라 감소하고 있음을 확인 할 수 있다. 이러한 부식손상 폭에 따른 인장강도 변화를 비교하기 위하여 Fig. 5에 손상 폭에 따른 인장강도 변화를 비교하여 나타내었으며, 인장강도는 부식손상 폭에 따라 감소하고 있음을 확인할 수 있다.

4.1 단면손상 강관부재 비선형 구조해석 모델

Fig. 7 Property of analysis model with boundary condition

Fig. 8 Crack modeling for damaged area

Fig. 9 Evaluation method of residual thickness

국부적 단면손상을 도입한 원형단면 부재의 인장강도 변화를 비교하기 위하여 범용유한요소해석 프로그램인 Abaqus를 이용하여 비선형 구조해석을 실시하였다. 유한요소해석 모델의 재료 특성은 강재의 비선형성을 고려하여 적용하였으며, 비선형 구조해석은 Fig. 7과 같은 원형강관 단면에 대한 유한요소해석 모델을 이용하였다. Abaqus에서 제공하는 Multi-point Constraints(MPCs) 기능을 이용하여 인장강도 평가 실험과 동일하게 원형단면 부재 한쪽 바닥면의 경계조건은 고정으로, 반대쪽 바닥면의 중앙은 원형단면 부재의 길이 방향으로 인장하중이 작용할 수 있도록 하였다 (Abaqus/CAE user’s guide, 2014)⁽¹³⁾. 또한, 유한요소해석 모델의 균열 모델링의 경우 Abaqus에서 제공하는 Ductile Damage 기능을 활용하여 모델링하였다(Abaqus/CAE user’s guide, 2014)⁽¹³⁾. 균열 모델은 인장 실험을 통하여 도출된 하중-변위 그래프를 활용하여 계산된 파괴 응력과 파괴 시 변위를 유한요소해석 모델에 적용하여 Fig. 8과 같이 균열이 나타나도록 모델링하였으며, 대상 손상위치에서 동일한 단면 손상이 발생된 것으로 가정하였다.

4.2 T잔존두께 결정 itle

단면손상 강관부재의 인장강도 평가를 위한 비선형 구조해석에서 인장강도 시험체와 동일한 단면손상 수준을 도입하기 위하여 원형단면 부재 인장강도 시험체를 대상으로 손상면적에 대한 잔존두께를 결정하였다. 실제 단면손상이 발생된 부재의 잔존 두께를 정밀하게 측정하기 위해서는 3차원 스캐너 등을 이용하여 정밀하게 측정하여야 하지만, 상대적으로 측정시간이나 구조부재 등을 고려한다면 이를 정밀하게 측정하기 어려우므로, 본 연구에서는 인장 시험체의 불규칙적인 표면 두께를 결정하기 위하여 Fig. 9에 나타낸 것과 같이 (1) 손상 전과 후의 중량을 비교하여 손상두께를 계산하는 방법과, (2) 원형단면 인장강도 시험체를 대상으로 직접 손상된 두께를 계측하는 방법으로 잔존두께를 검토하였다.

4.2.2 두께 측정을 통한 잔존두께 결정

인장하중을 받는 부재의 인장강도 평가와 관련된 기존 연구에서는 부식손상이 발생한 강재의 잔존두께를 결정하기 위하여 계측을 통한 평균부식두께와 측정두께의 표준편차를 이용한 유효부식두께의 개념을 Equ. (2)과 같이 제시하였다(Kim et al., 2010)⁽¹⁰⁾. 본 연구에서 적용한 원형단면에 국부단면손상이 발생한 경우 불규칙적인 손상단면을 평가하기 쉽지 않으므로 잔존두께를 기존 연구에서 수행된 방법으로 결정하였다. 본 연구에서는 잔존두께 결정을 위하여 손상이 발생한 단면에 대한 넓이와 측정 횟수를 변화시켜 손상이 발생한 원형강관 부재의 평균단면두께와 유효두께를 측정하였다. 두께 측정은 정밀도 0.01 mm의 마이크로미터로 측정하였으며, 상대적으로 측정 면적이 넓은 TCC-H90B90 시험체를 대상으로, 측정면적을 5 mm×5 mm, 10 mm×10 mm, 15 mm×15 mm, 20 mm×20 mm, 25 mm×25 mm, 30 mm×30 mm으로 구분하고, 각 측정면적에 대하여 측정 횟수를 5회, 10회, 20회, 30회 측정하였으며, 각각의 측정 횟수에 대하여 평균과 표준편차를 계산하였다.

Table 3 Summary of measurement results for 30 point

Area (mm)	Measurement results for 30 measurements				Thickness by weight loss method(mm)/ error(%)
	Avg. Thickness (mm)	Standard deviation (mm)	Minimum, Thickness (mm)	Effective Thickness (mm)
5x5	1.90	0.65	0.85	1.25	1.38/9.18
10x10	2.17	0.76	0.85	1.41	1.38/2.14
15x15	2.13	0.77	0.80	1.36	1.38/1.30
20x20	2.10	0.84	0.77	1.27	1.38/8.14
25x25	2.02	0.78	0.65	1.25	1.38/9.68
30x30	2.08	0.77	0.65	1.31	1.38/5.19

Fig. 10 Effective thickness depending on number of measurement

(2)

$t_{e}=t_{avg}-S$

각각의 측정 면적과 측정횟수에 따른 평균두께 등을 Fig. 10에 나타내었으며, 측정 회수 자료중 30회 측정한 결과를 Table 3에 정리하여 나타내었다. 측정횟수가 적은 경우 무게 손상을 통하여 계산된 평균 잔존두께와 비교하여 그 오차가 크게 나타나고 있으나, 측정횟수가 증가하게 되면서, 상대적인 오차가 줄어들어 20회 이상 반복하여 측정할 경우 측정된 유효두께와 무게손상을 통하여 계산된 평균잔존 두께와 유사하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 또한, 측정면적이 가장 작은 5 mm×5 mm의 경우, 상대적으로 측정에 대한 표본이 제한되므로 그 오차가 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 두께측정을 통하여 측정된 평균단면두께와 유효두께를 Table 4에 중량감소량과 비교하여 나타내었다.

4.3 비선형 구조해석 결과

원형단면 강관부재의 손상 단면 수준에 따른 인장성능 변화를 평가하기 위하여 단면손상 수준을 고려하여 검토된 28가지 강관부재 단면 손상수준에 대한 비선형 유한요소해석 결과를 단면손상 수준과 평균잔존두께 수준에 따라 비교하였다. 단면손상이 없는 원형단면 강관부재의 경우 인장실험을 통하여 평가된 인장강도와 비선형 구조해석으로 평가된 인장강도가 유사한 수준으로 나타나는 것을 확인할 수 있다.

원형단면 강관부재에 대한 비선형 구조해석 결과 손상 폭의 변화에 따라 대상 강관부재의 하중-변위 관계가 유사하게 나타나 구조해석 결과 중 손상 높이 30 mm에 대한 손상 폭 변화 결과만을 해석 결과로 나타난 인장파괴모드 및 응력 분포를 함께 비교하여 Fig. 11에 나타내었다. Fig. 11에 나타나는 것과 같이 원형단면 강관부재의 평균잔존두께 수준에 따라 인장강도가 감소하고 있음을 알 수 있다. 실험결과와 같이 동일한 손상 높이를 가진 원형단면 강관부재의 경우 단면손상 폭에 따라 인장강도가 변화하는 것을 확인할 수 있으며, 단면손상 폭이 증가할수록 최대 인장강도가 감소하고 최대 인장강도에서의 변위 또한 감소하는 경향이 나타나는 것을 알 수 있다. 실험을 통하여 평가된 원형단면 강관부재의 인장강도는 부재 표면의 불규칙한 단면손상으로 인하여 인장하중이 급격하게 감소한 것을 확인할 수 있다. 하지만, 비선형 구조해석을 통하여 평가된 인장강도의 경우 실험과 달리 동일한 단면손상을 원형강관 단면에 도입하였으므로 실험으로 평가된 인장강도보다 상대적으로 인장강도가 크게 나타나고 있음을 알 수 있다.

Fig. 12 Ultimate tensile strength analysis

Fig. 11 (c) 단면손상 폭이 넓은 경우 해석결과와 비교하여 실험결과에서 급격한 인장하중 감소가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 비선형 구조해석의 경우 실제 국부적인 단면손상이 발생한 원형단면 강관부재와 달리 손상두께의 평균값을 적용함에 따라 실제 단면손상으로 발생할 수 있는 국부적 인장파괴 특성이 상대적으로 발생하기 어려우므로 구조해석 결과가 상대적으로 크게 나타나고 있음을 알 수 있다. 특히, 중량감소법를 활용한 잔존두께의 경우 강관부재 표면에 나타난 평균잔존두께이므로 실제 국부적인 단면손상이 발생한 단면의 인장강도보다 상대적으로 크게 인장강도로 평가될 수 있어 중량감소법을 통하여 평균손상 단면을 적용하는 것은 불규칙한 표면 단면손상이 있는 부재의 인장강도를 평가하는 것은 합리적이지 못할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 직접 잔존두께를 측정하여 평가된 잔존두께의 경우 계측자에 따라 오차가 발생할 수 있으며, 잔존두께 계측값의 평균치를 잔존두께로 적용하는 경우 계측값의 표준편차를 고려하는 것이 상대적으로 실험결과와 유사하게 나타나고 있음을 알 수 있다. 하지만 본 연구에서 수행한 인장하중이 작용하는 부재에 대한 비선형 구조해석 결과로부터 부재 표면에 불규칙한 국부적 단면손상이 발생한 경우 동일한 단면 손상을 적용한 경우와 비교하여 인장하중에 대한 하중저항 성능이 급격히 감소할 수 있음을 알 수 있다. 이러한 결과로부터 강부재 표면에 국부적인 부식이 발생하고 부식손상 표면 특성이 전면부식의 형태가 아닌 경우 부재의 순단면을 명확히 평가하기 어려우므로 인장하중 상태에서 부재의 인장 성능변화가 크게 나타날 수 있다.

Fig. 12는 실험결과와 구조해석 결과를 비교하여 손상 폭에 따른 최대 인장강도를 잔존두께로 비교하여 나타낸 것이다. Fig. 12(a)에 나타난 것과 같이 인장실험으로 평가된 인장강도 결과는 동일한 단면손상을 도입한 구조해석 결과와 비교하여 상대적으로 인장강도가 작게 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 원형단면 강관부재 표면에 대하여 동일한 단면손상을 도입한 비선형 구조해석의 경우, 중량감소를 통하여 잔존 두께를 도입한 모델에서는 실험을 통하여 평가된 인장강도와 비교하여 상대적으로 그 차이가 일정하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 인장시험과 구조해석을 통하여 평가된 최대 인장강도 차이가 17%까지 나타나고 있음을 알 수 있다. 또한, 직접 잔존두께를 선택적으로 계측한 경우 부식손상 면적이 작을수록 상대적으로 실험결과와 인장강도와 유사해지는 것을 확인할 수 있으며, 인장시험과 구조해석을 통하여 평가된 최대 인장강도 차이가 25%까지 나타나고 있음을 확인할 수 있다. 또한 계측된 잔존두께에 표준편차를 고려한 경우 부식손상 면적이 상대적으로 클수록 실험결과와 구조해석 결과가 동일한 수준으로 나타나는 것을 확인할 수 있으며, 최대 인장강도 차이가 25%까지 나타나고 있음을 알 수 있다. 제한된 범위에서의 표면 계측이나 손상된 무게 측정만으로 손상된 단면의 정확한 손상량을 판단할 수 없으므로, 표면에 대하여 동일한 수준의 단면손상을 고려한 해석결과의 경우 상대적 인장강도가 크게 나타나고 있다.

실제 부식이 발생한 원형단면 강관 부재 표면의 경우 국부적인 부식손상이 발생하므로 단면손상 두께를 명확하게 계측할 수 없으며, 불규칙한 부식손상 단면에 대한 구조해석 상세 모델을 구현하기엔 어려움이 있다. 또한, 본 연구의 동일한 단면손상이 적용된 비선형 구조해석 모델의 인장강도와 실제 불규칙한 단면손상이 발생한 원형단면 강관 부재의 인장강도에 대한 비교분석이 필요하다. 실제 불규칙한 손상 단면에 의하여 발생한 인장강도와 동일한 단면손상이 적용된 해석모델에 대한 인장강도를 비교하기 위하여 인장강도에 대한 선형회귀 분석을 실시하였다. 실험결과 및 해석결과를 비교하여 동일한 잔존두께에 대한 해석결과에 대한 실제 인장강도의 상관계수를 도출하였으며, 중량감소량으로 해석된 결과를 Equ. (3), 직접 측정의 경우를 Equ. (4), 측정된 결과에 표준편차를 고려한 경우를 Equ. (5)와 같이 나타내었다. 각 도출된 관계식을 이용하여 동일한 단면손상을 도입한 구조해석 결과를 실험결과와 비교하면 Fig. 12(b)와 같이 동일한 단면 손상을 적용한 비선형 구조해석 결과와 실제 불규칙한 표면 상태의 인장강도와 유사한 결과가 나타날 수 있음을 알 수 있다.

본 연구의 경우 제한된 원형단면 강관 부재 실험체를 통하여 인장강도를 평가함에 따라 상대적으로 실험결과에 대한 신뢰도가 부족하나 인장강도에 대한 많은 실험과 구조해석 결과 데이터가 누적될수록 높은 신뢰도가 확보될 수 있을 것이다. 본 연구의 불규칙한 손상 단면과 동일한 손상 단면에 대한 인장강도 비교분석은 원형단면 강관 부재의 인장강도에 대한 것이므로, 원형단면 강관 부재의 인장강도 평가에 한정하여 적용할 수 있을 것으로 판단된다.