강구조물 단차 용접이음부의 응력거동 해석

Abstract

건설공사에서 강재는 흙막이 등의 가설용 강재, 교량, 철탑 등에서 주요 구조재로 많이 사용되고 있다. 강재는 공장 생산에 의한 재료의 균질성을 확보할 수 있어 품질의 신뢰성 확보가 용이하며, 강도와 비중의 비가 높기 때문에 고층구조나 대스팬 구조에 적합할 뿐만 아니라 내진적으로도 유리하다.(1) 강교나 건축철골 등, 철강구조물은 제작공장의 설비능력, 운반 및 장비의 인양능력 등에 따라 가능한 크기로 제작하고, 시공현장에서 조립, 설치하게 된다. 현장에서의 조립, 설치는 주로 용접이나 고장력볼트 마찰접합으로 이루어진다. 철강구조물 제작공장에서 철저한 품질관리를 통해 만들어진 제품이라 할지라도 온도에 따른 변화, 시공오차, 재료의 생산오차, 강구조물의 제작오차 등으로 현장시공에서는 불가피한 공차가 생기기 마련이다.(2) 교량에서 강상판 교량은 바닥판의 중량이 가볍고, 내구성이 좋으며, 가설기간도 짧아 도시 내의 고가도로 및 장대교에서 많이 채택되고 있다.(3～6) 강상판 교량은 데크플레이트를 종리브 및 횡리브로 보강한 구조이다. 데크플레이트와 종리브는 바닥판인 동시에 주형의 상부플랜지로도 작용하므로 강성이 매우 큰 이점이 있다. 또한 횡리브는 데크플레이트를 보강하는 동시에 횡형으로서의 기능도 갖는 복합적인 구조이다.(7～8) 강상판의 가설현장에서 하부플랜지와 웨브는 볼트이음을, 데크플레이트는 포장과 관련하여 용접이음을 실시하며, U리브는 볼트이음 또는 용접이음을 실시한다. 가설현장에서의 이음에 대해 주목하면 대블록으로 이음을 실시하므로 U리브의 이음부에는 시공오차가 발생하지 않을 수 없다. 이 U리브 연결부에 볼트이음을 실시할 경우, 시공오차가 발생하더라도 이음부를 곡직하여 볼트이음을 실시할 수 있으나, 볼트구멍을 공제하여야 하므로 단면의 손실이 발생한다. 한편 U리브를 용접이음할 경우, 용접이음부에는 시공오차가 발생하고, 시공오차에 의한 단차가 존재하여 이음부에는 편심에 의한 모멘트가 발생하며, 이음부의 형상변화부에는 응력집중이 발생한다. 또한 용접이음자세는 상향용접이 되므로 이음부에는 이면재를 부착하여야 하며, 이면재 부착에 의해 형상변화부가 발생한다.(9～11) 한편 강관말뚝은 열악한 지반조건에서 구조물의 사용하중 증대와 시공의 용이성, 공법의 신뢰성을 확보하고자 기초구조형식으로 사용이 매우 보편화 되어 왔으며 현재 구조물의 거대화, 장대화에 따른 기초구조의 설계 및 시공에서 품질에 대한 신뢰도가 높고 다른 말뚝재료에 비하여 경량이며 시공시 품질이 확보될 수 있는 등의 장점을 가지고 있어서 활용이 더욱 증대 되고 있다.(12) 현장에서 시공되는 강관말뚝의 평균적인 길이는 20m∼50m로 상당히 깊은 지지층까지 시공하므로 용접 접합부를 가지게 되며 용접 접합부는 현장용접으로 이루어져 재료적 능력을 충분히 활용하지 못하는 용접불량부가 발생할 수 있다.(13∼14) 본 논문에서는 단차 용접이음부에서 발생할 수 있는 응력집중현상을 유한요소법 응력해석을 실시하여 비교·검토하였다. 해석은 단차발생에 의한 응력집중부위, 이면재 유·무에 따른 용접이음부의 응력집중, 이면재가 부착된 용접이음부에서 단차와 응력집중, 이면재 두께와 응력집중, 이면재 폭과 응력집중을 비교·검토하였다.

In the construction, steel is being used as a primary structure material such as a makeshift material for retaining of earth, an architecture material for warehouse, plant, building, hangar and an industrial structure material for bridge, tower, smokestack, etc. Steel structures such as a bridge and frame are generally made to be an appropriate size which can be easily transported in a factory according to the equipment ability, transportation capacity, and facility capacity of a production plant, and then are assembled and installed in the construction field. A steel structure assembly and installation in the construction field is mostly made by welding or friction coupling of high tension bolt. Even though steel structure is made in the certificated plant by with the throughly quality control system, it is typical that an inevitable error occurs in construction field due to the temperature change, priority construction error, material production tolerance and structure assembly error in the plant. In the steel deck plate construction field, with the using of the large block method to emphasize the joint there must be an error in U type rib junction. And Furthermore, there is welding joints in a steel pipe because a steel pipe is generally buried deep in the ground. In this thesis, stress construction phenomenon which could occur in the field welding joint was is compared and analyzed by finite element method according to with respect to various conditions. These conditions are misalignment, backing strip is or not, backing strip length, and backing strip width.