14 연구논문 용접부의피로강도시험평가및해외규격과의비교연구 구병춘 * 김재훈 * * 한국철도기술연구원철도시스템안전연구본부 Fatigue Tests of Welded Joints and omparison Study of Foreign odes yeong-hoon Goo* and Jai-Hoon Kim* *Rail System Safety Department, Korea Railroad Research Institute, Uiwangsi 437-0, Korea Abstract A lot of fatigue tests on a material, JIS SM490A, with yielding strength of about 3 MPa and tensile strength of about 520 MPa were carried out. Various butt-welded specimens such as reinforcement removed, as-welded and weld toe ground, several types of fillet-welded specimens and full-size box type components were used. After having obtained s for the above- mentioned specimens, fatigue strengths were compared to those of foreign design codes, AWS, S 7608 and ENV. It was found the fatigue strengths at low cycles are not in a good agreement with the foreign codes, but the fatigue limits are in a good agreement. * oresspond Author : bcgoo@krri.re.kr (Received July 26, 6) Key Words: AWS, S 7608, utt weld, ruciform fillet weld, ENV-1993, Fillet weld 1. 서론 용접은금속을접합하는데있어매우유용한수단이지만강도평가측면에서는용접부의결함이나비드의복잡한형상으로인하여어려움이많다. 미국, 영국, 일본등선진외국에서는용접부의피로설계기준제정을위해많은비용과시간을투자하여자체기준을확보하고있다. 이러한규정의제정에는 20-30여년의오랜시간이소요되고, 많은비용이투입되어야한다. 본연구에서는다양한종류의맞대기용접, 필렛용접시편에대해많은피로시험을수행하였다. 그러나다양한하중조건과용접유형을모두고려하여독자적인설계기준을정하는것은시간적, 경제적으로어려움이있었다. 따라서본연구에서는본실험에서구한데이터와외국의기준을비교분석하여향후용접구조물설계나피로수명평가에활용할수있도록하였다. 본연구에서비교한해외규격은 S 7608 1,2), ENV-1993 3), AWS 4) 이다. 2. 시험편형상및용접조건 앞에서언급한 S 7608, ENV-1993 및 AWS 규격은실제현장에서사용되는용접구조물의형상을대표적인용접형상으로구분하여각용접유형에대해기준피로선도를제시하고있다. 이들규격과비교를위해이들규격에서제시하는대표적용접유형과실제산업현장에서사용되고있는용접유형을고려하여 Fig. 1과같이여러종류의용접유형을시험대상으로선정하였다. 모든시편은두께 mm인 SM490A 5) 판재로만들어졌다. Fig. 1(a)-(f) 는인장피로시험용시편이며, Fig. 1(g)-(i) 는실물크기의 3점굽힘피로시험용이다. Fig. 1(a) 는모재시편, (b) 는맞대기용접시편으로후열처리를하지않은시편 (AAN), 후열처리를한시편 (AAY), 용접지단부를그라인딩한시편 (GAY) 그리고후열처리와용접지단부그라인딩을한시편 (GAY) 으로잔류응력의영향과용접지단부의곡률반경의영향을알아보기위한것이다. (c) 는한쪽면에웨브가필렛용접된시편, (d) 는십자형필렛용 14 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 1, February, 7
용접부의피로강도시험평가및해외규격과의비교연구 15 접시편으로필렛용접부가하중을지탱하는구조이고, (e) 는십자형필렛용접이나필렛용접부가하중을지탱하지않는구조, (f) 는하중작용방향으로맞대기용접을한시편이다. Fig. 1(g)-(i) 는판재를이용하여사각형모양의보를만든경우로 (g) 는웨브가없고, (h) 는중심부에수직으로웨브가용접된경우, (i) 는바닥면에편편하게작은판이용접된경우이다. 이들부재는실제철도차량의대차프레임에사용되는보와유사한크기와형상을가지며용접도유사한방법을적용하였다. 용접후잔류응력을제거하기위해후열처리를하는 경우가열및냉각속도는 120 /h 하였고, 590±20 에서 3시간동안유지하였다. 꺼낼때노의최고온도는 로하였다. 용접은가능한현장에서사용되는방식과유사하게하였다. AAN, AAY, GAN, GAY 시편의경우 GMAW 반자동로봇용접으로전류 A, 전압 30 V에서 1 패스용접하였다. TN, N 및 NN 시편의경우는전류 270 A, 전압 28 V에서작업하였다. LN 시편의경우는 3 패스용접하였고, 전류와전압은첫번째패스는 1 A, 22 V, 두번째및세번째패스는 270 A, 28 V를적용하였다. 박스형빔의경우는첫번째패스 (a) ase metal (M) (f) Longitudinal X-groove butt weld (LN) (b) Double V-groove butt weld, AAN: as-welded, AAY: annealed, GAN: weld toe ground, GAY: weld toe ground and annealed. (g) ox-beam, Y: annealed, N: not annealed (c) Plate with fillet welded rib (TN) (d) Load-carrying cruciform fillet weld (N) (h) ox-beam V with a vertical plate, not annealed (e) Non load-carrying cruciform (NN) (i) ox-beam H with a horizontal plate, not annealed Fig. 1 Shapes of the specimens 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 1 號, 7 年 2 月 15
16 구병춘 김재훈 는 280 A, 29 V, 두번째패스는 280 A, 29 V를적용하여 2 패스용접으로제작하였다. 모든시편에대해용접봉은 1.2인 AWS ER 70S-6 을사용하였고보호가스는 (Ar 80 % + O 2 20%) 를적용하였으며용접봉의이동속도는 30 cm/min 로하였다. 3. 피로강도비교연구 외국의규격과비교검토를위해피로시험을수행하였다. 피로시험은 ASTM E466 6) 에따라하였고특별히언급한경우를제외하고는응력비는 R=0.1, 작용응력의주파수는 20 Hz 범위에서수행하였다. 시편의경우는완전한파단이일어나는수명을기준으로하였고, 부재의경우는균열이 20 mm 진전하였을때를수명으로하였다. 상세한내용은참고문헌 7-9에서자세히기술하였다. 3.1 S 7608 3.1.1 규격특성 S 7608 규격에서는피로설계에대한일반적인지침과피로특성에따라연결부위에대한세부분류를하였으며, 그특징은다음과같다. ᄀ피로균열을유발하는응력의반복적인회수는응력진폭에영향을받으며, 최대응력과는무관하다. ᄂ연결부위분류에따라 S-N 선도를구분하여규정하였다. ( 이때각각의 S-N 선도의기울기 m 3) 피로설계의기본적인사항으로서연결부위에대한세부분류는피로강도별로 개의등급으로분류하고있으며, 이때용접세부에서의잔류응력, 용접세부자체및볼트, 리벳, 작은드릴구멍등에의한응력집중효과는응력계산에무시하였다. 모재의피로설계응력은잠재균열에인접한모재의주응력으로하며, 단면은진단면을사용하였다. 피로수명의예측은 Palmgren-Miner 법칙을기초로하였다. 이밖에도관심이되는저응력에대한사이클의처리는다음과같다. 1 일정진폭하중의경우비진전응력범위 (nonpropagation stress range) 는외부환경과초기결함의크기에영향을받지만, 일반적으로 N= 7 cycle 에준하는 로정의한다. 2 응력범위 이 를기준으로크거나작은값을 갖는변동하중하에서는 보다큰 은초기결함을 성장시키며, 이는 수준을낮추는효과를갖는다. 3 일반적으로 이하의 을무시하고계산된파손 수명은실제수명보다큰값을갖는다. 4 응력범위 이 보다작은경우, 에의한반 복회수를그대로적용하지않고, 일정비율로감소시켜가며, Palmgren-Miner 법칙을적용한다. S 7608에서규정한 S-N 선도와세부분류및계수는다음 Table 1, Fig. 2와같다. Table 1에서 는 의표준편차이며는상수이다 2). 3.1.2 시험결과와비교 S 7608 규격의피로설계에대한일반적인지침과피로특성에따른연결부위의세부분류에따라본연구에서수행한맞대기, 필렛용접등의시편에대한피로시험결과를분류하고 S 7608의각세부분류 S-N 선도와비교하였다. 이때 S 7608 규격과비교를위해실제시험을통해얻은각용접시편의 S-N 선도는 % 파손확률일때의 S-N 선도를적용하였다. Figs. 3-11은비교결과를보여준다. 맞대기용접시편 AAN, AAY, GAN과 GAY의경우이들과유사한구조인 S 7608의 class 와비교할때 사이클이하에서본연구의피로강도가 S 7608의피로강도보다약간낮 standard deviation, 0 lass m Log Loge Log Loge 15.3697 35.3900 4.0 0.1821 0.4194 14.0342 32.3153 3.5 0.2041 0.4 D 12.7 29.0144 3.0 0.2095 0.4824 E 12.5169 28.8216 3.0 0.29 0.5777 F 12.2370 28.1770 3.0 0.2183 0.27 F2 12.0900 27.8387 3.0 0.2279 0.5248 G 11.7525 27.0614 3.0 0.1793 0.4129 W 11.5662 26.6324 3.0 0.1846 0.4251 S 23.3284 53.7156 8.0 0.45 1.1617 T 12.6606 29.1520 3.0 0.2484 0.5720 Stress range S r, [N/mm 2 ] 1 90 80 70 60 40 30 20 15 Table 1 Parameters of S 7608 : T E F2 W S D F G 1e+5 1e+6 1e+7 1e+8 ycles [N] Fig. 2 S 7608 basic s 16 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 1, February, 7
용접부의피로강도시험평가및해외규격과의비교연구 17 으나피로한도는매우유사함을알수있다. 맞대기시편 LN의경우대응하는유사한구조가없어 S 7608 의 D class 와비교하였는데실험값이훨씬크다. ㅗ형필렛용접의경우 class와비교할때실험에서얻은피로강도가더높다. 십자형필렛용접의경우는 class 와비교할때거의유사한피로한도를갖는다. 박스형부재의경우웨브가용접된 ox beam-h가피로강도가제일작고 S 7608의 G class 와거의일치하는피로강도를갖는다는것을알수있다. 1) 맞대기용접시편 (AAN, AAY, GAN, GAY: class/ LN: D class) Stress range S r, [N/mm 2 ] 1 90 80 70 60 40 30 20 15 T E F2 W S D F G 1e+5 1e+6 1e+7 1e+8 ycles [N] Fig. 3 class vs. AAN 0 0 GAY Fig. 6 class vs. GAY D LN (R = 0.1) Fig. 7 D class vs. LN 2) 필렛용접시편 (TN, N, NN: F 2 class) 0 AAY Fig. 4 class vs. AAY 0 F 2 TN (R = 0.1) Fig. 8 F 2 class vs. TN type 0 GAN Fig. 5 class vs. GAN 0 F 2 N (R = 0.1) Fig. 9 F 2 class vs. N type 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 1 號, 7 年 2 月 17
18 구병춘 김재훈 0 F 2 NN (R = 0.1) Fig. F 2 class vs. NN 3) 부재 (ox beam Y, N, V, H: G class) 0 ox beam without heat treatment ox beam with heat treatment ox beam V with heat treatment ox beam H weld with heat treatment G 3.2 ENV-1993 규격 3.2.1 규격특성 Fig. 11 G class vs. ox beam ENV 규격은모재와용접재에대한피로응력을제시하고있다. 모재의경우에피로해석시공칭또는 hotspot 응력을사용하고있으며, 연결부위의경우에는좌굴등에의한응력재분포를포함하여 1, 2차응력을고려하고있다. 또한용접재의경우에는피로응력으로서수직응력과전단응력을고려하고있다. 그리고피로평가의절차는다음과같이규정되어있다. 일반적으로누적손상또는등가응력범위중에하나를적용하여안전성여부를검증해야하며, 세부등급이정의된경우에는공칭응력범위를적용하며, 세부등급이정의되지않는경우에는 hot-spot 응력범위를적용하도록규정되어있다. 이밖에도공칭응력범위에기초한피로평가에서는일정진폭하중과변동진폭하중을구분하여기술하고있다. 일정진폭하중이작용하는경우피로평가는 식을따른다. 여기서 은 수직응력범위 (normal stress range), 은세부등급에따른피로강도를나타내고,, 는안전계수이다. 변동진폭하중의경우에는피로평가를위하여 Palmgren-Miner 법칙을이용하여, 변동하중의최대응 력범위가일정진폭피로한도 (onstant Amplitude Fatigue Limit, AFL) 를초과하는경우, 누적손상과등가의일정진폭을이용하여피로평가를실시하도록되어있다. 하지만누적손상을계산할때에는구체적으로다음의 3 가지방법을선택하도록규정하고있다. 1 기울기 m=3 인 S-N 선도를이용하는방법, 2 AFL을기준으로기울기 m=3 과 5로변환되는 S-N 선도를이용하는방법, 3 AFL을기준으로기울기 m=3과 5로변환되는 S-N 선도에서 N= 8 cycle 을기준으로 cut-off limit를적용하여, cut-off limit 이하의응력범위는무시하는방법이다. 그리고등가의일정진폭계산에있어서는기울기 m=3과 5인 S-N 선도에서 cut-off limit를고려하여등가일정진폭응력범위를계산하도록규정하고있다. 그리고 S 7608과마찬가지로 ENV-1993 은용접형상및크기, 응력방향, 잔류응력등연결부위에대한세부분류를나누어 S-N 선도를규정하고있다. 이때, 세부분류에따른피로강도 (N=2 6 cycle) 는 5% 파손확률 (95% probability of survival for logn) 의 75% 신뢰구간범위에서얻어야하며, 데이터수는최소 개이상이여야한다. ENV-1993에서규정한 S-N 선도와세부분류및계수는 Table 2, Fig. 12 와같다. Detail category (N=2 6 ) (N/mm 2 ) log a for N < 8 N 5 6 (m=3) N 5 6 (m=5) Stress range at constant amplitude fatigue limit (N=5 6 ) (N/mm 2 ) Stress range at cut-off limit (N= 8 ) (N/mm 2 ) 160 12.901 17.036 117 64 140 12.751 16.786 4 57 125 12.601 16.536 93 51 112 12.451 16.286 83 45 12.301 16.036 74 40 90 12.151 15.786 66 36 80 12.001 15.536 59 32 71 11.851 15.286 52 29 63 11.701 15.036 46 26 56 11.551 14.786 41 23 11.401 14.536 37 20 45 11.251 14.286 33 18 40 11.1 14.036 29 16 36.951 13.786 26 14 : Detail category (N/mm 2 ) Table 2 Parameters of ENV s for N < 8 (m=5) - - Stress range at cut-off limit (N= 8 ) (N/mm 2 ) 16.301 - - 46 80 15.801 - - 36 for fillet welds and for partial penetration butt welds in shear 18 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 1, February, 7
용접부의피로강도시험평가및해외규격과의비교연구 19 Stress range Δσ [N/mm 2 ] 0 0 160 125 140 112 80 90 63 71 m = 3 56 40 45 36 m = 5 1e+8 1e+9 ycles [N] Fig. 12 ENV-1993 s 0 ENV 112 AAN Fig. 13 ENV 112 class vs. AAN 여기서, : N=2 6 cycle 에서의피로강도기준값 ( 공칭응력 ) : 일정진폭하중에대한피로한도 : ut-off limit 3.2.2 시험결과와비교 ENV-1993 규격의피로설계에대한일반적인지침과피로특성에따른연결부위에대한세부분류에따라본연구에서수행한맞대기, 필렛용접등의시편에대한피로시험결과를분류하고 ENV-1993 규격의각분류 S-N 선도와비교하였다. 이때 ENV-1993 규격과비교를위해실제시험을통해얻은각용접시편의 S-N 선도는 5% 파손확률일때의 S-N 선도를계산하여적용하였다. Figs. 13-20에서파선으로표현된것이 ENV 규격의 S-N 곡선이고실선으로표현된것이본연구에서얻은실험데이터로부터얻어진 S-N 선도이다. ENV 규격에서는용접유형에따라 사이클에서응력진폭 의크기로등급을구별하고있다. 맞대기용접시편 AAN, AAY, GAN 및 GAY와이에대응하는 ENV의 112 class 를비교할때피로한도는매우유사함을알수있다. LN 경우는대응하는적절한유형을찾기가어렵다. TN과 NN은유사구조인 ENV 80 class 와비교할때피로한도가약간크고, N은 ENV 36 class 와비교할때유사하다. 박스형부재의경우 ENV의 class 와비교할때, 실험값이상당히작다. 이에대한추가적인비교검토가필요하다고판단된다. 1) 맞대기 (AAN, AAY, GAN, GAY, LN : 112 class) 0 ENV 112 AAY 0 Fig. 14 ENV 112 class vs. AAY ENV 112 GAN 0 Fig. 15 ENV 112 class vs. GAN ENV 112 GAY Fig. 16 ENV 112 class vs. GAY 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 1 號, 7 年 2 月 19
20 구병춘 김재훈 0 ENV 112 LN (R = 0.1) Fig. 17 ENV 112 class vs. LN 2) 필렛용접 (TN, NN: 80 class, N: 36 class) 3) 부재 (ox-beam Y, N, V, H: class) 0 ox beam without heat treatment ox beam with heat treatment ox beam V with heat treatment ox beam H with heat treatment ENV Fig. 21 ENV class vs. ox 0 ENV 80 TN (R = 0.1) 0 Fig. 18 ENV 80 class vs. TN ENV 36 N (R = 0.1) Fig. 19 ENV 80 class vs. NN ENV 80 NN (R = 0.1) Fig. 20 ENV 36 class vs. N 3.3 미국용접학회 (AWS) 규격 3.3.1 규격특성 미국용접학회규격도용접부위의허용응력과허용응력범위에대하여정의하고있다. 미국용접학회에서규정한용접방식에따라허용응력을정의하고있다. 4가지용접방식에따라작용된응력종류별로허용응력과이에따른용착금속의강도를정의하고있다. 또한미국용접학회규격의허용응력범위 Table 3과 Fig. 22와같이 8등급 (A,, ',, D, E, E', F) 으로정의되며, 다음과같은식에의해계산된다. 먼저 A,, ',, D, E, E 등급의경우에허용응력범위은다음의식 F SR(1) 에서계산한값을초과하지말아야한다. ( f 와 F TH 는 Table 3 참고 ) (1) F SR(1) = Allowable stress range [MPa] = onstant N =Number of cycles of stress range in design life = Threshold fatigue stress range, that is the maximum stress range for infinite life [MPa] 또한 F등급의경우에허용응력범위는다음식의 F SR(2) 값을초과하지않아야한다. (2) 3.3.2 시험결과와비교 앞에서설명한미국용접학회규격의피로설계에대한 20 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 1, February, 7
용접부의피로강도시험평가및해외규격과의비교연구 21 Stress ategory Stress range, F SR (MPa) 0 0 Table 3 Allowable stresses range onstance Threshold [MPa] A 2 8 166 120 8 1 ' 61 8 83 44 8 69 D 22 8 48 E 11 8 31 E' 3.9 8 18 F 1 55 ATEGORY F ATEGORY ATEGORY E' 1e+8 Life, N (cycles) Fig. 22 asic ATEGORY A ATEGORY ATEGORY ' ATEGORY D ATEGORY E 일반적인지침과연결부위에대한세부분류에따라본연구에서수행한맞대기, 필렛용접등의시편에대한피로시험결과를분류하고규격의 S-N 선도와비교하였다. 이때규격과비교를위해실제시험을통해얻은각용접시편의 S-N 선도는 5% 파손확률일때의 S-N 선도를계산하여적용하였다. Figs. 23-31은비교결과를보여준다. 맞대기용접시편 AAN, AAY, GAN 및 GAY의경우대응하는 AWS 등급과비교할때피로한도는매우유사한값을갖는다. LN의경우대응하는적절한유형이없어 등급과비교할때피로강도가매우커대단히튼튼한구조임을알수있다. TN, N 및 NN은대응하는 AWS 와 사이클에서피로한도를비교할때매우유사한값을가짐을알수있다. 박스형의경우 AWS의 ' 에해당되는데실험에서얻은피로강도가낮다. 1) 맞대기용접시편 (AAN, AAY, GAN, GAY: Type, LN: Type) 0 AAN 0 Fig. 23 type vs. AAN AAY 0 Fig. 24 type vs. AAY AAY 0 GAN Fig. 25 type vs. GAN Fig. 26 type vs. GAY 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 1 號, 7 年 2 月 21
22 구병춘 김재훈 0 900 0 LN Fatigue life [N] Fig. 27 type vs. LN 2) 필렛용접시편 (TN, NN, N : type) 3) 부재용접시편 (ox beam Y, N, V, H : ' type) 0 ox beam without heat treatment ox beam with heat treatment ox beam V with heat treatment ox beam H with heat treatment ' Fig. 31 ' type vs. ox beam 0 4. 검토및결론 TN (R = 0.1) Fig. 28 type vs. TN NN (R = 0.1) 0 Fig. 29 type vs. NN N (R=0.1) 1e+8 Fig. 30 type vs. N S 7608, ENV, AWS에서규정하는 S-N 선도는용접이음의유형을구분하고각유형에대해피로강도기준을제시하고있다. 각기준마다용접이음에대한분류가약간씩다르고기준응력및강도평가방법도차이가있음을알수있다. 본연구에서수행한다양한용접시편과부재의피로시험결과와이들규격을비교해보면다음과같은사실을발견할수있다. 1) 전체적으로본연구에서구한 S-N 선도의기울기가외국규격의기준선도보다더완만하였으나 사이클부근에서의피로강도의크기는대응하는각규격의값과유사함을알수있다. 2) S 7608과비교하면 LN, TN, NN, ox 형에서는 S 7608보다피로강도가높고, 나머지경우는낮은범위에있다. 3) ENV와비교하면 AAN, AAY, GAN, GAY, N, OX형은 ENV 규격보다피로강도가낮고, LN, NN에서는높다. 4) AWS와비교하면 AAN, AAY, GAN, GAY, TN, N은 AWS 규격보다피로강도가낮고, LN은높고 NN은근사한정도이며, OX형은다낮았다. 5) 시험결과와외국의기준을비교할때정확히대응하는용접이음유형을찾기가어려운경우가있었다. 외국기준을준용하여구조물의피로설계를하는경우준용하는기준이실제사용하는용접이음유형의강도보다낮은경우는안전측의설계가되지만, 반대의경우는위험측의예측을 ( 수명을실제보다길게예측 ) 하여문제가될수있으므로설계자가사용하고자하는유형의용접구조에대해몇가지피로시험을실시하여그규격사용의타당성을검토할필요가있다고판단된다. 22 Journal of KWJS, Vol. 25, No. 1, February, 7
용접부의피로강도시험평가및해외규격과의비교연구 23 후 기 본연구는한국철도연구원의기본연구사업의일부로수행된것입니다. 이에관계자여러분께감사드립니다. 참고 문헌 1. S 5 Part, 1980, Steel, oncrete and omposite ridge 2. S 7608, 1993, ode of Practice for Fatigue Design and Assessment of Steel Structures 3. ENV-1993-1-1, Eurocode 3: Design of Steel Structures 4. Structural Welding ode-steel 4, American Welding Society, AWS 5. KS D 3515, 용접구조용압연강재, 1997 6. ASTM E466, Standard Test Method for onducting onstant Amplitude Axial Fatigue Tests of Metallic Materials 7... Goo et al. : Development of Remaining Life Estimation Techniques for Rolling Stock Structures, Ministry of Science and Technology, Report No. M1-0203-00-04, (4), (in Korean) 8... Goo et al. : Development of Remaining Life Estimation Techniques for Rolling Stock Structures, Korea Railroad Research Institute, Report No. KRRI-04-99, (4), (in Korean) 9... Goo et al. : Development of Remaining Life Estimation Techniques for Rolling Stock Structures, Korea Railroad Research Institute, Report No. KRRI-05-84, (5), (in Korean) 大韓熔接 接合學會誌第 25 卷第 1 號, 7 年 2 月 23