KR101385552B1

KR101385552B1 - 응력완화홀이 형성된 강바닥판

Info

Publication number: KR101385552B1
Application number: KR1020120107202A
Authority: KR
Inventors: 정미선
Original assignee: 정미선
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-04-15
Also published as: KR20140040482A

Abstract

본 발명에 따른 응력완화홀이 형성된 강바닥판은 바닥강판(10), 상기 바닥강판의 하부에 나란하게 설치되는 다수 개의 U형 세로리브(20), 상기 바닥강판의 하부에 U형 세로리브와 교차하여 설치되는 다수 개의 가로리브(3)를 포함하여 구성되고, 가로리브(30)에 응력완화홀(40)이 형성된 것을 기술적 특징으로 한다. 이에 따라, 바닥강판, U형 세로리브, 가로리브와 그 용접부에 발생하는 응력을 감소시켜 강바닥판의 피로손상을 감소시키고 수명을 연장시킬 수 있다.

Description

응력완화홀이 형성된 강바닥판 {ORTHOTROPIC STEEL DECK WITH HOLES FOR RELIEVING STRESS}

본 발명은 응력완화홀이 형성된 강바닥판에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 응력완화홀이 형성되어 강바닥판에 발생하는 응력을 완화시킬 수 있는 응력완화홀이 형성된 강바닥판에 관한 것이다.

최근 사장교, 현수교와 같은 장대교량에서 강바닥판이 일반적으로 사용되고 있다.

도 1은 종래의 교량에 구비된 강바닥판의 사시도이고, 도 2는 도 1의 A 부분의 확대사시도로서, 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 강바닥판은 강재로 이루어진 바닥강판(1), 상기 바닥강판(1)의 하부에 나란하게 설치되는 다수 개의 U형 세로리브(2), 상기 바닥강판(1)의 하부에 상기 U형 세로리브(2)와 교차하여 설치되는 다수 개의 가로리브(3)를 포함한다. 바닥강판(1), U형 세로리브(2) 및 가로리브(3)는 용접에 의하여 일체로 결합된다.

이러한 강바닥판은 철근 콘크리트로 만들어진 바닥판에 비하여 중량이 작으며, 제작이 공장에서 이루어지므로 신뢰성이 높고, 현장에서 간단한 조립작업을 거쳐 교량 등을 건설할 수 있으므로 공기단축 등 여러 장점을 갖고 있다.

그러나 종래의 강바닥판은 얇은 강판을 용접으로 연결한 구조이기 때문에, 용접시에 발생한 잔류응력과 교량 위의 차량 주행에 의해 누적된 피로에 의해, 바닥강판(1), U형 세로리브(2), 가로리브(3)와 그 용접부에는 피로손상이 발생할 수 있다.

특히 U형 세로리브와 가로리브를 전체용접할 경우, U형 세로리브와 가로리브의 용접부와 그 부근의 피로손상 가능성이 더 커진다. 이때의 강바닥판의 피로등급은 E등급으로 매우 낮다. 피로등급은 A, B, C, D, E 등으로 구분될 수 있는데, A에서 E로 갈수록 피로손상을 발생시킬 수 있는 응력의 크기가 작아진다. 즉 피로등급 E가 되는 부위에서는 통과하중 등에 의하여 발생응력이 작게 나타나더라도 피로손상이 발생하게 되는 바, 상위 D등급에 비해 낮은 발생응력에 의해서도 쉽게 피로손상이 발생하는 상태가 된다.

이에 대한 해결책으로, 도 2에 도시된 바와 같이 U형 세로리브의 하부에 스캘럽을 형성하면, 서로 접촉하지 않는 부분에서는 용접으로 인한 잔류응력 등의 구속이 적어지고 스캘럽 부근의 피로등급이 E등급에서 C등급으로 높아지므로 피로손상을 줄일 수 있다. 그러나 바닥강판에는 여전히 피로가 발생하고 있다는 문제점이 있다.

본 발명은 위와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명에서 해결하고자 하는 과제는 바닥강판, U형 세로리브, 가로리브와 그 용접부에 발생하는 응력을 감소시켜 피로손상이 적고 수명이 긴 응력완화홀이 형성된 강바닥판을 제공하는 데에 있다.

위와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 응력완화홀이 형성된 강바닥판은 바닥강판, 상기 바닥강판의 하부에 나란하게 설치되는 다수 개의 U형 세로리브, 상기 바닥강판의 하부에 상기 U형 세로리브와 교차하여 설치되는 다수 개의 가로리브를 포함하고, 가로리브에 응력완화홀이 형성된 것을 기술적 특징으로 한다.

본 발명에 따른 응력완화홀이 형성된 강바닥판은 바닥강판, U형 세로리브, 가로리브와 그 용접부에 발생하는 응력을 감소시켜 강바닥판의 피로손상을 감소시키고 수명을 연장시킬 수 있다. 또한 피로균열을 줄이기 위해 두껍게 형성해야 하는 U형 세로리브의 두께를 줄일 수도 있다.

도 1은 종래의 교량에 구비된 강바닥판의 사시도
도 2는 도 1의 A 부분의 확대사시도
도 3은 가로리브의 하부에 원형의 응력완화홀이 형성된 모습
도 4는 가로리브의 하부에 형성된 원형의 응력완화홀을 정의하는 각도 A, 거리 S, 지름 D를 표시한 모습
도 5는 가로리브의 하부에 원호 형상의 응력완화홀이 형성된 모습
도 6은 가로리브의 하부에 형성된 원호 형상의 응력완화홀을 정의하는 각도 UA, DA, 거리 S, 지름 D를 표시한 모습
도 7은 가로리브의 상부에 원형의 응력완화홀이 형성된 모습
도 8은 가로리브의 상부에 형성된 원형의 응력완화홀을 정의하는 각도 A, 거리 S, 지름 D를 표시한 모습
도 9는 가로리브의 하부에 비용접부가 형성된 모습

아래에서는 본 발명에 따른 응력완화홀이 형성된 강바닥판을 첨부된 도면을 통해 더욱 상세히 설명한다.

도 3은 가로리브의 하부에 원형의 응력완화홀이 형성된 모습이다.

본 발명에 따른 응력완화홀이 형성된 강바닥판은 바닥강판(10), 상기 바닥강판(10)의 하부에 나란하게 설치되는 다수 개의 U형 세로리브(20), 상기 바닥강판(10)의 하부에 상기 U형 세로리브(20)와 교차하여 설치되는 다수 개의 가로리브(30)를 포함하고, 가로리브(30)에는 응력완화를 위한 응력완화홀(40)이 형성된다.

응력완화홀이 형성된 다양한 실시예에 대해 설명은 다음과 같다.

(실시예 1)

실시예 1에서는 응력완화홀(40)을 가로리브(30)의 하부에 형성하고, 응력완화홀(40)의 형상을 원형으로 한다.

도 3에 도시된 실시예 1에서는, 가로리브(30)의 하부에 2개의 원형 응력완화홀(40)이 형성된다. 일반적으로 U형 세로리브(20)의 절곡부에 응력이 강하게 발생하므로, 가로리브(30)의 하부에 2개의 응력완화홀(40)을 형성할 때 응력완화홀(40)의 위치는 U형 세로리브(20)의 절곡부에 인접한 위치에 형성하는 것이 바람직하다. U형 세로리브(20)의 절곡부에 인접한 위치에 응력완화홀(40)을 형성하면, U형 세로리브(20) 하단의 응력이 감소할 수 있다. U형 세로리브(20) 하단에 발생하는 응력값들 중 최대값을 'U리브 하단응력'이라 한다.

도 4는 가로리브의 하부에 형성된 원형의 응력완화홀(40)을 정의하는 각도 A, 거리 S, 지름 D를 표시한 모습이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 가로리브(30)의 하부에 형성되는 원형 응력완화홀(40)에 대한 정보는 각도 A, 거리 S, 원형 응력완화홀(40)의 지름 D로 정의될 수 있다. 즉 각도 A는 U형 세로리브(20)의 중심점 M{U형 세로리브(20)를 포함하는 최소 크기의 직사각형을 그렸을 때 그 직사각형의 중심점을 'U형 세로리브(20)의 중심점 M'으로 정의한다}으로부터 원형 응력완화홀(40)의 중심을 잇는 직선이 수평선과 이루는 각도이고, 거리 S는 U형 세로리브(20)의 중심점 M으로부터 원형 응력완화홀(40)의 중심을 잇는 직선 위에서 U형 세로리브(20) 연단으로부터 원형 응력완화홀(40) 연단까지의 거리이며, 지름 D는 원형 응력완화홀(40)의 지름이다.

피로손상을 최소한으로 줄이는 원형 응력완화홀(40)의 위치와 크기를 찾기 위해서는 각도 A, 거리 S, 지름 D를 변화시켜 가면서 U리브 하단응력이 최소로 되는 각도 A, 거리 S, 지름 D의 조합을 찾으면 된다. 다만 응력완화홀(40) 및 U형 세로리브(2) 하단의 최대응력이 각각의 해당 피로응력범위 내에 있어야 한다.

아래의 표는 각도 A를 변화시킬 때, 응력완화홀(40)의 최대응력(홀 내주면 위의 응력값들 중 최대값)과 U리브 하단응력을 계산한 결과이다(위의 표에서, 홀 명칭 'S20-A54-D25'는 거리 S는 20mm, 각도 A는 54도, 지름 D는 25mm임을 의미한다).

홀 명칭	스켈럽 최대응력(MPa) 또는 홀의 최대응력(MPa)	U리브 하단응력(MPa)
전체 용접	-	38.5
스켈럽 이용	72.0	-
S20-A54-D25	60.0	38.4
S20-A56-D25	54.7	33.3
S20-A58-D25	53.6	30.4
S20-A60-D25	49.3	32.6
S20-A62-D25	49.3	32.6

만일 응력완화홀(40)이 없는 상태에서 계산값을 구하면, 스캘럽을 형성한 경우 U리브 하단응력이 72 MPa 정도가 되고, 완전 용접을 한 경우 U리브 하단응력이 38.5 MPa 정도가 되므로, 응력완화홀(40)의 위치와 크기를 적절히 선정하면 U리브 하단응력이 줄어들 수 있음을 확인할 수 있다.

(실시예 2)

실시예 2에서는 응력완화홀(40)을 가로리브의 하부에 형성하고 응력완화홀(40)의 형상을 원호 형상으로 한다.

도 5는 가로리브의 하부에 원호 형상의 응력완화홀(40)이 형성된 모습이고, 도 6은 가로리브의 하부에 형성된 원호 형상의 응력완화홀(40)을 정의하는 각도 UA, DA, 거리 S, 지름 D를 표시한 모습이다.

도 5에 도시된 실시예 2에서는, 가로리브(30)의 하부에 2개의 원호 형상 응력완화홀(40)이 형성된다. 응력완화홀(40)의 형상이 원형이 아니고 원호 형상과 같이 원이 이동한 궤적과 같은 모양일 경우에는 응력완화홀(40)에서의 발생응력이 다소 커지지만 그 크기가 피로등급 D등급 이내에서 벗어나지 않아 문제가 없다. 그리고 낮은 피로등급 E에 해당하는 U형 세로리브(20)와 가로리브(30)의 교차부에 발생하는 응력이 자연스럽게 완화되어 피로등급 E에도 문제가 없을 정도로 감소되는 장점이 있다.

원호 형상 응력완화홀(40)은 일정한 크기의 원이 U형 세로리브(20)의 중심점 M을 중심으로 회전했을 때 생기는 궤적으로 형성된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 원호 형상 응력완화홀(40)에 대한 정보는 각도 UA, DA, 거리 S, 원의 지름 D로 정의될 수 있다. 즉 각도 UA, DA는 U형 세로리브(20)의 중심점 M으로부터 원의 최초 위치와 최종 위치의 중심을 향하는 방향이 수평선과 이루는 각도이고, 거리 S는 U형 세로리브(20)로부터 원호 형상 응력완화홀(40)까지의 최단거리이며, 지름 D는 원의 지름이다.

피로손상을 최소한으로 줄이는 원호 형상 응력완화홀(40)의 위치와 크기를 찾기 위해서는 각도 UA, DA, 거리 S, 지름 D를 변화시켜 가면서 U리브 하단응력이 최소로 되는 각도 UA, DA, 거리 S, 지름 D의 조합을 찾으면 된다. 다만 응력완화홀(40) 및 U형 세로리브(20) 하단의 최대응력이 각각의 해당 피로응력범위 내에 있어야 한다.

홀 명칭	스켈럽 최대응력(MPa) 또는 홀의 최대응력(MPa)	U리브 하단응력(MPa)
전체 용접	-	38.5
스켈럽 이용	72.0	-
S20-UA35-DA70-D40	66.7	15.6
S25-UA35-DA70-D40	66.3	20.0
S30-UA35-DA70-D40	64.1	22.3
S35-UA35-DA70-D40	62.7	24.4
S40-UA35-DA70-D40	61.0	25.9

위의 표는 거리 S를 변화시킬 때, 응력완화홀(40)의 최대응력과 U리브 하단응력을 계산한 결과이다(위의 표에서, 홀 명칭 'S20-UA35-DA70-D40'는 거리 S는 20mm, 각도 UA는 35도, 각도 DA는 70도, 지름 D는 25mm임을 의미한다).

위의 표로부터 형상과 위치를 적절히 선정하면 U리브 하단응력이 줄어들 수 있음을 확인할 수 있다.

또한 상기 원호 형상의 응력완화홀(40)은 서로 다른 원호가 연속적으로 연결되는 형상일 수도 있다.

(실시예 3)

실시예 3에서는 응력완화홀(40)을 가로리브의 상부에 형성하고 응력완화홀(40)의 형상을 원형으로 한다.

도 7은 가로리브의 상부에 원형의 응력완화홀(40)이 형성된 모습이고, 가로리브(30)의 상부에 2개의 원형 응력완화홀(40)이 형성된다.

바닥강판(10), U형 세로리브(20) 및 가로리브(30)가 서로 교차하는 용접부는 특히 U형 세로리브(20) 길이 방향과 직교하는 방향으로 발생하는 응력에 대해 피로등급 E가 적용되므로 피로에 대한 저항이 매우 낮아서 그 부근에서 피로에 의한 손상이 발생할 가능성이 크다. 이 피로손상을 방지할 수 있는 대책이 마련되지 않아 바닥강판(10)의 두께를 늘리는 방법으로 해결하고 있다. 가로리브(30)의 상부{바닥강판(10)과 U형 세로리브(20)의 교차점과 인접한 위치}에 2개의 원형 응력완화홀(40)을 뚫으면 이들 부위에 발생되는 응력이 감소 완화되어 피로에 의한 손상을 줄일 수 있다. 즉 U형 세로리브(20)의 내부 직각방향, 즉 가로리브(30) 방향의 발생응력의 크기는 일반적으로 작지만, 이 부위는 피로등급 E로서 작은 발생응력에도 U형 세로리브 용접부 내부 바닥강판(10)에 균열이 발생되므로 강바닥판(10)의 두께를 크게 하여 대응하고 있는데, 가로리브(30)의 하부에 응력완화홀(40)을 형성하고 가로리브(30)의 상부에도 2개의 원형 응력완화홀(40)을 더 형성하여 검토한 정밀 구조해석 결과에 따르면 원형 응력완화홀(40)의 크기와 위치에 따라서 바닥강판(10)에 발생되는 피로 유발 응력이 응력완화홀(40)을 두지 않았을 때보다 약 10% 정도 감소한다. 따라서 피로손상을 감소시키고 수명을 연장시킬 수 있다.

도 8에 도시된 바와 같이, 가로리브(30)의 상부에 형성되는 원형 응력완화홀(40)에 대한 정보는 각도 A, 거리 S, 원형 응력완화홀(40)의 지름 D로 정의될 수 있다. 즉 각도 A는 바닥강판(10)과 U형 세로리브(20)가 만나는 점으로부터 원형 응력완화홀(40)의 중심을 향하는 방향이 수평선과 이루는 각도로 표시될 수 있고, 거리 S는 바닥강판(10)과 U형 세로리브(20)가 만나는 점으로부터 원형 응력완화홀(40) 연단까지의 거리로 표시될 수 있고, 지름 D는 원형 응력완화홀(40)의 지름으로 표시될 수 있다.

피로손상을 최소한으로 줄이는 원형 응력완화홀(40)의 위치와 크기를 찾기 위해서는, 원형 응력완화홀(40)의 각도 A, 거리 S, 지름 D를 변화시켜 가면서 U형 세로리브(20)와 가로리브(30) 교차부의 U형 세로리브(20) 내측 용접부가 바닥강판(10)과 만나는 부위의 바닥강판(10)에 발생되는 가로리브(30) 방향 응력값이 최소로 되는 각도 A, 거리 S, 지름 D의 조합을 찾으면 된다.

이때의 응력완화홀(40)도 원호 형상 등과 같이 원형이 아닌 임의의 형상으로 변형될 수 있다.

그리고 실시예 3의 응력완화홀(40)은 실시예 1 또는 실시예 2의 응력완화홀(40)과 함께 형성될 수도 있다.

상기 응력완화홀(40)들은 응력이 최대가 되는 위치와 인접한 위치에 형성되어 응력을 완화시키는데, 최대 발생응력은 하중 조건변화에 따라 최종적으로는 U형 세로리브(20)를 중심으로 좌우 대칭으로 발생하는 것이 일반적이므로, 응력완화홀(40)도 U형 세로리브(20)를 중심으로 좌우 대칭이 되는 위치에 형성되는 것이 바람직하다.

도 9는 가로리브의 하부에 비용접부가 형성된 모습이다.

U형 세로리브(20)와 가로리브(30)의 교차부 용접으로 인한 구속을 완화시키기 위해 U형 세로리브(30)의 하단에 비용접부(50)를 형성할 수 있다. 이 때 U형 세로리브(20)와 가로리브(30) 사이의 거리는 1mm 이하인 것이 바람직하다.

비용접부를 둔다는 의미는 U형 세로리브(20)와 가로리브(30)를 용접할 때 전체용접이 아닌 부분용접을 한다는 의미이다. 비용접부를 두면 U형 세로리브(20)의 하단 일부가 가로리브(30)와 용접되지 않는 점에서 스캘럽을 둔 것과 동일하지만, 스캘럽은 U형 세로리브와 만나는 가로리브(30)의 일부에 구멍이 뚫린 형상이 되고 이 부위에 그라인딩 등의 후처리가 필수적인 점에서 비용접부와 다르다. 비용접부는 가로리브(30)에 구멍을 뚫는 과정이 없으므로 스캘럽보다 형성이 간단하다.

앞의 실시예 1 내지 3에서 피로손상을 최소한으로 줄일 수 있는 응력완화홀(40)의 형상과 위치의 조합을 찾을 때, 비용접부의 길이 L을 변화시켜 가면서 응력값 변화를 비교하여, 응력 완화를 최대로 할 수 있는 비용접부의 길이 L과 그때의 응력완화홀(40)의 형상과 위치의 조합을 찾을 수 있다.

예를 들어, 앞의 실시예 1에 비용접부를 형성한다면, 피로손상을 최소한으로 줄이는 원형 응력완화홀(40)과 비용접부(50)의 위치와 크기를 찾기 위해서는 각도 A, 거리 S, 지름 D 및 길이 L을 변화시켜 가면서 U형 세로리브(20)와 가로리브(30) 사이의 용접부{비용접부(50)의 양끝단을 포함}의 발생 응력값이 최소로 되는 각도 A, 거리 S, 지름 D 및 길이 L의 조합을 찾으면 된다.

10: 바닥강판
20: U형 세로리브
30: 가로리브
40: 응력완화홀
50: 비용접부

Claims

바닥강판(10);
상기 바닥강판(10)의 하부에 나란하게 설치되는 다수 개의 U형 세로리브(20);
상기 바닥강판(10)의 하부에 상기 U형 세로리브(20)와 교차하여 설치되는 다수 개의 가로리브(30)를 포함하고,
상기 가로리브(30)에 응력완화홀(40)이 형성되며,
상기 응력완화홀(40)은 상기 U형 세로리브(20)의 절곡부에 인접한 위치, 상기 바닥강판(10)과 상기 U형 세로리브(20)의 교차점과 인접한 위치 중 적어도 어느 하나에 한 쌍으로 형성되고,
상기 U형 세로리브(20)의 하단에는 상기 가로리브(30)와 비용접되는 비용접부(50)가 형성되어, 상기 U형 세로리브(20) 및 상기 가로리브(30)가 부분용접 결합되는 것을 특징으로 하는 응력완화홀이 형성된 강바닥판.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 응력완화홀(40)은 원형인 것을 특징으로 하는 응력완화홀이 형성된 강바닥판.
청구항 1에 있어서,
상기 응력완화홀(40)은 원호 형상인 것을 특징으로 하는 응력완화홀이 형성된 강바닥판.
삭제