Evaluation on Bearing Capacity of End Girder Member with Local Corrosion

1. 서 론

강교량의 사용기간 증가에 따라 강교량에서는 다양한 형태 의 손상 및 유지관리가 발생되고 있다. 일반적으로 강교량에 서 발생하게 되는 유지관리의 문제로 공용하중인 활하중에 의하여 발생하게 되는 용접부의 피로균열이나 볼트이음부의 볼트 풀림, 부식 및 재도장 등이 있다(Lee et al., 2015; Nagai and Miyashita, 2009; Kyung et al., 2012). 강교량의 부식의 경 우 부식방지를 위한 도장의 열화로 도막의 손상이 발생한 경 우 부재의 단면에 직접적인 손상을 주게 되는 부식손상이 발 생하게 된다. 특히 해안가 및 하천변에 설치되거나 겨울철 동 결방지제가 많이 사용되는 곳에 설치된 강교량의 경우 건전 한 부식환경과 비교하여 상대적으로 염분이나 습도 등 부식 이 쉽게 발생할 수 있는 환경에 노출되어 부식으로 인하여 강 교량 부재에 직접적인 단면손상이 발생할 수 있다(Gil et al., 2015; Tamakoshi et al., 2006; Ysukura et al., 2011). 특히 강거

더 교량 지점부 교대에서는 교량의 다른 부재와 비교하여 상 대적으로 침전물이 많으며, 신축이음부로부터의 강우 및 동 결 방지제가 누수 되어 침전물을 습윤 상태로 유지하게 할 수 있고, 교대부와 강거더 단부의 공간이 협소하여 상대적으로 습도가 높으므로, 받침상부 보강재와 복부판 그리고 하부플 랜지에서의 부식손상이 많이 발생 할 수 있다. 받침상부에 발 생한 부식손상은 공용하중 및 강교량의 자중을 지지하기 위 한 지점부 보강재나 복부판의 지압강도를 감소시킬 수 있다 (Ahn et al., 2013(a), 2013(b); Khurram et al., 2014(a); Khurram et al., 2014(b); Kim et al., 2013; Tohdi and Sharifi, 2015). 받침 상부 지점부 부재의 부식손상은 보강재 설치형태나 교량의 설치환경에 따라 변화할 수 있으나 Fig. 1과 같이 수직보강재 와 하부플랜지의 용접부 하부나 복부판을 관통하여 발생하는 경우가 많이 발생할 수 있다(Khurram, 2014(a); Khurram, 2014(b)).

본 연구는 이러한 강거더 교량 단부에서 발생할 수 있는 부식 손상으로 인하여 보강재와 복부판의 단면손상이 발생할 경우 나타날 수 있는 강거더 부재의 지압거동 변화와 지압강도 변 화를 평가하기 위한 거동 특징을 확인하기 위하여 실제 발생 할 수 있는 강거더의 부식손상을 모사한 강거더 실험체를 제 작한 후 시험체에 대한 지압하중 실험을 실시하였다.

Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 21, No. 5, September 2017, pp.074-082

https://doi.org/10.11112/jksmi.2017.21.5.074 pISSN 2234-6937

eISSN 2287-6979

지점부 부재의 부식손상에 따른 강거더 단부 지압강도 평가

안진희¹, 이원홍², 김인태³, 정영수⁴*

Evaluation on Bearing Capacity of End Girder Member with Local Corrosion

Jin Hee Ahn¹, Won Hong Lee², In Tae Kim³, Young Soo Jeong⁴*

Abstract:

In this study, thus, bearing strength test specimens were fabricated considering corrosion damage in the web and vertical stiffeners and the change in their bearing strengths were experimentally evaluated. From the test results, localized corrosion damage of structural members in the end girder affected the bearing strength of end girder support, especially, localized corrosion damage of the vertical stiffener relatively highly affected their bearing strengths.

Keywords:

1정회원, 경남과학기술대학교, 토목공학과 조교수

2정회원, 경남과학기술대학교, 토목공학과 교수

3정회원, 부산대학교, 건설융합공학부 토목공학전공 교수

4정회원, 부산대학교, 지진방재연구센터 연구교수, 교신저자

*Corresponding author: [email protected]

Seismic testing center, Pusan National University, 49 Busandaehak-ro, Yangsan 50612, Republic of Korea

∙본 논문에 대한 토의를 2017년 10월 1일까지 학회로 보내주시면 2017년 11월 호에 토론결과를 게재하겠습니다.

Copyright Ⓒ 2017 by The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium,

2. 강거더 단부 지압강도 시험체

강거더 교량의 받침 상부 지점부는 지점반력에 저항하는 부재로 반력에 의한 압축을 받는 기둥으로 고려하여 설계하 며, 압축하중에 저항하는 기둥부재로 지점보강재 전단면과 복부한 가운데 보강재 부착부에서 양쪽으로 각각 복부판 두 께 (



2.1 강거더 단부

강거더 단부에서 발생할 수 있는 부식으로 인한 지압강도 변화를 평가하기 위하여 본 연구에서는 실제 강거더 교량의 제원을 고려하여 강거더 단부 지압강도 시험체를 제작하였 다. Table 1에 나타낸 것과 같이 대상 강거더 시험체는 높이 1300 mm이며 상하부 플랜지의 폭이 360 mm, 하부플랜지의 두께가 14 mm, 상부 플랜지의 두께가 12 mm인 강거더 단부 에 폭 170 mm, 두께 16 mm이 수직보강재가 양측으로 적용된 강거더를 대상으로 하여, 복부판 두께 6 mm의 12배를 지압저 항 유효단면적으로 고려하여 Fig. 3(a)와 같은 지압강도 평가 시험체(RD-00-00 시험체)를 제작하였다.

강거더의 받침으로 인한 지압하중의 재하면적을 고려하기

위하여 두께 27 mm, 폭 300 mm의 솔프레이트도 유효단면적 과 동일한 길이로 제작하여 하부플랜지에 용접하여 부착하였 으며, 강거더 상부플랜지의 하중재하 등을 위하여 두께 40 mm. 폭 450 mm, 길이 450 mm의 강판을 부착하여 하중재하 로 인한 상부플랜지의 국부적인 변형발생을 방지하였다. 그 리고 단부보강재와 복부판의 단면손상을 고려하기 위하여 5 개의 보강재 및 복부판의 단면손상 시험체를 제작하였다. Fig. 3 과 같이 보강재가 손상 위치 및 단면손상 수준을 고려하기 위 하여 보강재 중 좌측 보강재가 각각 75%와 50%의 단면손상 이 발생한 경우가 고려되어 LD-75-00 and LD-50-00 시험체, 보강재 양측모두에 75%의 단면손상이 발생한 경우의 LRD-75-00 시험체, 보강재 양측에 75%의 단면손상과 복부판에서의 50%

단면손상이 발생한 경우를 고려한 LRWD-75-50 시험체, 그 리고 보강재 하부 용접부가 플랜지와 분리되어 단면손상이 발생한 경우를 고려하여 BD-00시험체가 제작되었다. 모든 단 면손상 시험체에서 단면손상은 하부플랜지에서 200 mm로 도입하였으며, 보강재와 복부판의 단면손상은 시험체 제작 시 기계가공을 통하여 도입하였다. 시험체 제작에는 인장강 도가 490 MPa이상인 SM490강재를 사용하였다. Table 2는 강 거더 단부지압강도 평가 시험체를 정리하여 나타내었다.

2.2 지압강도 시험방법

강거더 단부의 지압성능을 평가하기 위하여 본 연구에서는 제작한 시험체에 압축하중을 재하 하였다. 보강재나 복부판 에서 나타날 수 있는 단면손상에 따른 지압성능 변화를 평가 하기 위하여 5000 kN의 하중재하 성능을 가진 UTM(Universial

Fig. 1 Local corroded damage of end girder in actual bridge(Khurram,

2014(a); Khurram, 2014(b))

t

12t 12t 12t

over 24t

12t 12t 12t

t

12t under 24t 12t t

Fig. 2 Effective sectional area of stiffener at bearing support

Table 1 Dimension of test specimen

Member Thickness

(mm) Specimen

Height ( 

) 1,300

h

t

t

t

t

w

w

w

Width of bottom flange

( 

) 360

Thickness of bottom

flange ( 

) 14 Width of upper flange

( 

) 360

Thickness of upper flange

( 

) 12

Width of vertical stiffener

( 

) 170

Thickness of vertical

stiffener ( 

) 16

Thickness of web ( 

) 9

Testing Machine)을 이용하였으며, 1 mm/min의 변위제어를 통하여 압축하중을 실험체에 재하 하였다. 강거더 단부 지압 강도 시험체에서 발생하는 지압강도 저하에 따른 국부변형 발생과 파괴거동 확인을 위하여 Fig. 4와 같이 인위적인 단면 손상이 도입된 보강재부분과 복부판 부분의 하면(하부플랜지 에서 100 mm높이)에 스트레인게이지(Strain gage)와 변위계

(LVDT)를 설치하고, 데이터로거로 이를 계측 하였다. 또한 하중재하에 따른 시험체의 거동변화를 확인하기 위하여 비디 오카메라로 시험체를 촬영하여 하중재하에 따른 변형과 거동 을 비교할 수 있도록 하였다. Fig. 5는 LD-75-00 시험체에 대 한 하중재하 모습이다.

Sole plate t27 x w300 Vertical stiffener

t16 x w170

Web t9

216 14130012 360 14130012

Web t9 Vertical stiffener t16 x w170

Sole plate t27 x w300

450 450

40 40

Vertical stiffener t16 x w170

Web t9

216 360 14130012

Vertical stiffener t16 x w170

4

Artificail damage area Artificail damage area

450 450

1412

40 40

Web t9

(a) RD-00-00 specimen (b) LD-75-00 specimen

Vertical stiffener t16 x w170

Web t9

216 360 14130012

Vertical stiffener t16 x w170

8

Artificail damage area Artificail damage area

450 450

1412

40 40

Web t9

Vertical stiffener t16 x w170

Web t9

216 360

14130012

Vertical stiffener t16 x w170

4

Artificail damage area Artificail damage area

450 450

1412

40 40

Web t9

(c) LD-50-00 specimen (d) LRD-75-00 specimen

Vertical stiffener t16 x w170

Web t9

216 360 14130012

Vertical stiffener t16 x w170

4.5 Artificail damage area 4

Artificail damage area

450 450

1412

40 40

Web t9

Web t9

450 450

1412

40 40

Vertical stiffener t16 x w170

Web t9

216 360 14130012

Vertical stiffener t16 x w170

Artificail damage area Artificail damage area

20

(d) LRWD-75-50 specimen (e) BD-00 specimen

Fig. 3 Sectional damage of test specimen

3. 지압강도 평가결과

3.1 지압하중 - 수직변위 관계

강거더 단부 보강재와 복부판의 단면손실을 고려한 강거더 시험체에 대한 압축하중 재하실험결과 나타난 시험체별 지압 하중 – 수직변위 관계를 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6에 나타난

것과 같이 모든 시험체는 단면손실 조건에 따라 압축하중에 따른 지압거동이 다양하게 나타나고 있음을 확인할 수 있다.

기준 시험체의 경우 항복 및 최대지압강도 변화가 다른 시험 체보다 명확하게 나타나나, 단면손상이 있는 실험체의 경우 손상이 증가함에 따라 항복하중과 최대 지압강도가 뚜렷하게 나타나지 않는 것으로 나타나고 있다. 보강재 - 하부플랜지 연 결부 손상이 있는 BD-00 실험체의 경우 다른 시험체들과 달 리 상대적으로 항복거동이 빨리 발생하고 항복 후 최대 지압 하중까지 지압변위가 증가하는 거동을 나타내었다. 그리고 양측 보강재가 손상된 LRD-75-00와 LRWD-75-50 시험체의 경우 다른 시험체보다 최대 지압강도의 감소가 급격히 발생 하고 있음을 알 수 있다.

Fig. 6에 나타낸 지압하중 – 수직변위관계를 이용하여 각 시 험체별 항복하중과 최대 지압강도를 평가하였다. 최대 지압 강도는 각 시험체별 최대 하중으로 정의하였으며, 항복하중 의 경우 시험체별로 그 특성을 명확히 확인하기 어려우므로 탄성하중은 Fig. 6에서 선형 탄성구간이 변화되는 위치를 항 복하중으로 정의하였다. Fig. 7은 단면 손실에 따른 항복하중 과 최대 지압강도를 나타내었다. 보강재와 복부판의 단면손 실이 없는 기준 시험체 RD-00-00은 1632.2 kN의 항복하중과 2070.8 kN의 최대 지압강도를 가지는 것으로 나타났으며, 좌 측 보강재의 손실이 있는 실험체 LD-75-00와 LD-50-00의 경 우 보강재 손상에 따라 항복하중은 1122.6 kN과 1496.3 kN으 로 나타났으며, 최대 지압강도는 1540.8 kN과 1705.3 kN으로 기준 시험체와 비교하여 74.40%와 82.35%로 지압강도의 감 소가 발생하였다. 또한 좌측 보강재의 단면손실정도에 따라 최대 지압강도 또한 감소하고 있음을 확인할 수 있다. 양측 수 직보강재가 동시에 손상이 발생한 시험체 LRD-75-00에서는 항복하중이 758.4 kN이며, 853.3 kN의 최대 지압강도를 나타 내었으며, 기준 시험체와 비교하여 41.21%의 지압강도 수준

Table 2 Summarized sectional damage of test specimen

Specimens

Sectional damage(mm(%))

Left stiffener Right stiffener Web Damged height

RD-00-00 - - -

LD-75-00 4(75) - - 200

LD-50-00 8(50) - - 200

LRD-75-00 4(75) 4(75) - 200

LRWD-75-50 4(75) 4(75) 4.5(50) 200

BD-00 Damaged joint between bottom flange and vertical stiffener

Strain gage

Loading Loading

100 100

LVDT

Fig. 4 Location of strain gage and LVDT

Fig. 5 Loading test of LD-75-00 specimen

Fig. 6 Compressive load - displacement relationship

으로 지압강도가 감소하였다. 또한 좌측 보강재만 손상된 시 험체들과 비교하여 최대지압강도가 급격히 감소하고 있음을 확인 할 수 있다. 양측 수직보강재와 복부판의 단면손실이 있 는 시험체 LRWD-75-50의 경우 항복하중은 419.5 kN, 최대 지압강도는 480.5 kN로 기준 시험체의 23.20% 수준으로 지압 저항 성능이 감소하는 것으로 나타났다. 보강재 - 하부플랜지 연결부 손상을 도입한 BD-00 시험체의 경우 항복하중은 1333.6 kN, 최대 지압강도는 2010.3 kN로 평가되어 최대 지압 강도는 기준 시험체의 97.08% 수준으로 기준 시험체와 비교 하여 최대 지압강도 변화는 크게 차이가 나지 않는 것으로 나 타났다.

3.2 지압거동 및 지압파괴 특징

보강재와 복부판의 단면손실에 따른 강거더 단부의 지압거 동 및 지압파괴 특성을 분석하기 위하여 비디오카메라로 시 험체를 촬영한 이미지를 이용하여 각 시험체에서 나타난 항 복하중과 최대 지압하중 상태에서의 변형 및 파괴 특성을 비 교하여 Fig. 8에 구분하여 나타내었다. Fig. 8에 나타난 것처럼 시험체에 도입된 단면 손상 특성에 따라 다양한 지압변형 및 파괴형태를 나타내고 있음을 알 수 있다. 보강재와 복부판의 단면손상이 없는 기준 시험체 RD-00-00에서는 항복하중에서

시험체의 변형이 나타나지 않았으나 최대지압하중에서는 보 강재의 횡방향 변형으로 시험체 전체의 횡방향 변형이 발생 한 형태의 지압 파괴형태가 나타났다. 양측 보강재가 손상된 LRD-75-00와 LRWD-75-50 시험체의 경우 기준 시험체와 달 리 단면손상이 발생한 수직보강재에서 항복하중에 도달 후 국부 좌굴이 발생한 후 손상이 발생한 부재에서의 횡방향 변 형이 증가한 형태의 파괴가 나타났다. 하지만 상대적으로 손 상이 작은 시험체의 경우 지압하중에 의한 손상부의 국부 좌 굴 손상이 작게 나타났다. 양측 수직보강재가 동시에 손상이 발생한 시험체 LRD-75-00에서도 손상이 발생한 보강재에서 국부변형이 발생하여 지압파괴가 나타났다. 양측 수직보강재 와 복부판의 단면손실이 있는 시험체 LRWD-75-50 또한 지압 하중에 저항하는 단면이 상대적으로 매우 감소하여 손상이 발생한 위치에서 국부좌굴이 발생하고 국부좌굴 변형이 증가 한 후 전체 시험체의 파괴가 발생하였으며, 상대적으로 항복 하중상태에서는 손상부에서의 국부좌굴 변형이 크게 나타나 지 않았다.

3.3 시험체별 지압하중 – 국부변형, 변형률 관계 시험체별 지압하중 재하결과 기준 시험체인 RD-00-00에 서는 1632.2 KN의 항복하중과 2070.8 kN의 최대 지압강도, 좌측 보강재의 손실이 있는 실험체 LD-75-00와 LD-50-00에 서는 1122.6 kN과 1496.3 kN의 항복하중, 1540.8 kN과 1705.3 kN의 지압강도, 양측 수직보강재가 동시에 손상이 발생한 시 험체 LRD-75-00는 758.4 kN의 항복하중, 853.3 kN의 지압강 도, 양측 수직보강재와 복부판의 단면손실이 있는 시험체 LRWD-75-50에서는 419.5 kN 항복하중, 480.5 kN의 지압강 도, 보강재 – 하부플랜지 연결부 손상을 도입한 BD-00 시험체 는 1333.6 kN의 항복하중, 2010.3 kN의 지압하중을 가지는 것 으로 지압하중 – 변위관계에서 평가되었다.

지압하중-변위관계와 비교하여 인위손상을 도입한 보강재 부분과 복부판에서의 변위 및 변형률을 지압하중 – 변위관계 와 같이 비교하여 Figs. 9와 10에 나타내었다. 지압하중과 단 면손상부의 국부변형 관계를 비교한 Fig. 9의 경우, 손상이 없 는 기준 시험체와 비교하여 손상이 발생한 부분에서의 변형 이 하중증가에 따라 전반적으로 증가하는 것으로 나타나고 있음을 확인 할 수 있다. 지압하중과 단면손상부의 변형률 변 화 관계를 비교한 Fig. 10의 지압하중 – 국부변형 관계와 같이 국부변형이 발생한 부재에서 변형률 증가가 크게 나타고 있 음을 확인할 수 있다. BD-00 시험체에서 지압하중 – 국부변형 및 변형률 관계가 수직 보강재와 하부플랜지의 연결조건에 따른 상대적인 응력변화와 거동변화에 따라 다른 시험체와 비교하여 상대적으로 변화하나 이는 지압하중 – 변위관계와 동일한 형태로 판단된다.

(a) Yield load

(b) Bearing strength

Fig. 7 Comparison of yield load and vearing strength depending on

sectional damage

4. 결 론

본 연구에서는 강거더 교량 단부의 수직보강재와 복부판에 서 발생할 수 있는 단면손상으로 나타날 수 있는 강거더 단부 의 지압하중 저항 성능과 지압강도 변화를 평가하기 위하여 실제 강거더 단부를 모사한 강거더 단부 시험체를 제작하고 압축하중을 재하하여 그 영향을 확인하였다. 강거더 단부에 서 발생할 수 있는 보강재의 단면손상과 복부판 손상 등에 따 라 총 6개의 지압강도 평가 시험체가 제작되었으며, 각 시험

체별 압축 재하하중에 대한 변형 및 변형률이 계측하여 국부 적인 파괴형태 및 거동이 비교되었다. 본 연구의 결과를 다음 과 같이 정리하였다.

지압하중 실험결과 보강재 하부에 단면손실이 있는 강거더 의 경우 국부적인 단면손상으로 지압저항 성능 감소로 손상 수준에 지압저항 성능이 감소하고 있음 확인하였다. 또한 양 측 보강재에 단면손상이 발생한 경우 지압강도는 급격히 감 소되며, 보강재와 함께 복부판의 손상이 추가로 발생하게 되 면 지압강도는 손상이 없는 경우의 23.2%까지 감소하는 것으

(i) Yield load (ii) Bearing strength (i) Yield load (ii) Bearing strength

(a) RD-00-00 (b) LD-75-00

(i) Yield load (ii) Bearing strength (i) Yield load (ii) Bearing strength

(c) LD-50-00 (d) LRD-75-00

(i) Yield load (ii) Bearing strength (i) Yield load (ii) Bearing strength

(e) LRWD-75-50 (f) BD-00

Fig. 8 Failure deformation of test specimen

로 나타났다. 하지만 보강재와 하부플랜지의 용접부 손상으 로 보강재와 복부판 연결이 되어 있지 않은 경우에는 지압강 도는 크게 변화되지 않는 것으로 나타났다. 그리고 보강재나 복부판의 손상이 발생한 강거더 단부의 경우 손상이 증가함 에 따라 항복하중과 최대 지압강도가 뚜렷하게 나타나지 않 는 것으로 나타났으며, 이는 보강재 손상부에 설치한 변형률

게이지와 변위계를 통하여 확인 할 수 있었다.

시험체별 지압파괴 형태는 손상형태에 따라 지압파괴 모드 가 변화되나 단면손상이 발생한 부위에서 국부좌굴로 인한 손상이 주로 나타났으며, 국부좌굴 발생 후 거더의 횡방향 변 형이 나타나는 것으로 평가되었다.

본 연구에서는 단부 보강재나 복부판이 손상된 강거더의

(a) RD-00-00 (b) LD-75-00

(c) LD-50-00 (d) LRD-75-00

(e) LRWD-75-50 (f) BD-00

Fig. 9 Compressive load - lateral displacement relationship

지압거동과 파괴거동을 비교 평가하기 위한 기초적인 연구로 보강재 손상이나 복부판의 손상이 발생되게 되면 급격한 지 압강도 저항이 발생 할 수 있음을 확인하였다. 강거더 단부의 경우 상대적으로 부식손상으로 인한 단면감소가 쉽게 발생 할 수 있고 육안검사로 손상정도를 확인하기 어려우므로 부 식손상으로 단부부재의 손상이 발생할 경우 지압성능에 대한 검토도 필요할 것으로 판단되며, 다양한 현장조사를 통하여 잔존 지압성능 수준과 연계된 평가와 점검방법 또한 제시되 어야 할 것이다.

감사의 글

이 논문은 2016년도 경남과학기술대학교 대학회계 연구비 지원에 의하여 연구되었음.

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(a) RD-00-00 (b) LD-75-00

(c) LD-50-00 (d) LRD-75-00

(e) LRWD-75-50 (f) BD-00

Fig. 10 Compressive load - strain relationship

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Received : 04/21/2017 Revised : 06/29/2017 Accepted : 08/07/

2017

요 지 : 강교량은 유지관리가 충분히 이루어지지 않거나 , 해안 과 같이 가설위치의 환경이 고온 다습한 경우 단면에 국부적인 부식손상이

발생할 수 있다. 특히 강거더 교량 의 지점부에서는 교대부와 강거더 단부의 공간이 협소하여 상대적으로 습도가 높고 신축이음부로부터의 강 우 및 동결 방지제가 누수되어 침전물을 습윤상태로 유지하게 되므로, 복부판과 지점부 보강재에 집중적으로 부식이 발생되고 있으므로 이로 인한 구조성능 변화를 확인하여야 한다. 따라서 본 연구에서는 실제 발생할 수 있는 강거더 단부 복부판과 보강재의 국부부식손상을 모사한 강 재 실험체를 제작하고 이에 대한 단부 지압강도 변화를 실험적으로 평가하였다. 실험결과, 국부적 부식손상은 강거더 단부의 지압강도에 영향 을 주며, 특히 수직 보강재에 의한 영향이 크게 나타남을 확인하였다.

핵심용어 : 거더단부, 지압강도, 단면손당, 국부부식, 보강재, 복부판