집중 국부하중을 받는 용접구조물의 설계기준 정립에 관한 연구:채널형 용접 빔 구조물을 대상으로

Abstract

산업 전반에 걸친 구조물 제조 공정에서 경제성과 작업성 그리고 구조강도 측면에서 널리 적용되고 있는 용접은 용접연결부의 기하학적 노치 형상과 용접결함, 가열 및 냉각에 따른 금속조직의 열화, 인장잔류의 영향 등에 의한 피로강도 저하가 발생하게 된다. 따라서, 반복하중을 받는 용접구조물에서 피로강도 평가는 매우 중요한 설계검토항목이며 대부분의 산업규격 및 선급에서는 용접구조물에 대한 피로강도평가 기준을 제시하고 있다. 산업규격 및 선급에서 제시하고 있는 피로강도 설계기준은 하중 작용점과 멀리 떨어진 용접부를 기준으로 정의되어 있으며 지게차 작업장치의 채널형 용접 빔 구조와 같이 하중 작용부가 용접부 인근에 존재하는 구조물의 경우 관련 피로강도 평가 연구 사례가 없어 명확한 피로설계 근거를 적용하기 어려운 상황이다. 따라서, 본 연구에서는 하중 작용부가 용접부 인근에 존재하는 구조물에 대한 피로강도 평가 설계 기준을 정립하기 위해 채널형 용접 빔 구조를 가지는 지게차 작업장치 마스트에 대한 응력계측, 유한 요소 해석 및 피로시험을 수행하였다. 본 연구의 주요 내용을 요약하면 다음과 같다. 응력계측 및 유한 요소 해석 결과, 지게차 작업장치 마스트의 하중 작용부 인근 용접부의 국부영역에서는 국부적인 변형에 따른 응력거동 특성을 나타내며 하중 작용부를 제외하면 응력계측, 유한요소해석, 빔이론으로 평가한 마스트 구조물의 응력평가 결과가 비교적 잘 일치하였다. 구조해석을 통해 국부 집중하중을 받은 채널형 용접 빔 용접부의 정적강도와 피로강도를 평가하였다. 또한 시험계획법과 변수별 구조해석을 통해 채널형 용접 빔 용접부의 정적강도와 피로강도 정식화를 수행하고 채널형 용접 빔 용접부의 정적강도와 피로강도를 평가할 수 있는 프로그램을 개발하였다. 채널형 용접 빔 용접부의 핫스팟 응력을 피로시험과 유한 요소 해석으로 평가하고 이로부터 용접부의 형상편차 등을 고려한 노치 피로응력을 평가할 수 있는 기법을 제안하였다. 피로시험 및 유한 요소 해석 결과를 바탕으로 집중 국부하중을 받는 채널형 용접 빔 용접부의 피로강도 설계기준을 정립하였다.