KDS_강구조 피로 및 파단 설계기준 (허용응력설계법)

KDS 설계기준 143020 강구조 피로 및 파단 설계기준 (허용응력설계법)

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KDS_강구조 피로 및 파단 설계기준 (허용응력설계법)
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강구조물, 부재, 접합부의 피로 및 파단 안전성 검토 기준

1. 일반사항

1.1 목적

  • 허용응력설계법에 따라 강구조물, 부재, 접합부의 피로 및 파단에 대한 안전성 검토를 수행한다.

1.2 적용 범위

  • 강구조물, 부재, 접합부의 피로 및 파단에 대한 안전성 검토에 적용한다.

1.3 참고 기준

  • KDS 14 30 05 (1.3) 에 따른다.

1.4 용어의 정의

  • KDS 14 30 05 (1.4) 에 따른다.

1.5 기호의 정의

  • KDS 14 30 05 (1.5) 에 따른다.

2. 조사 및 계획

  • 내용 없음

3. 재료

  • KDS 14 30 05 (3)에 따른다.

4. 설계

4.1 피로

4.1.1 일반규정
  • 피로는 하중유발피로와 변형유발피로로 분류된다.
4.1.2 하중 유발 피로
4.1.2.1 적용
  • 강구조물 구조상세에 대한 피로설계 시 고려해야 할 응력은 활하중에 의해 발생된 응력 범위이다. 잔류응력은 피로설계 시 고려하지 않는다.
  • 이 규정은 순인장응력을 받는 상세에만 적용된다.
  • 하중계수를 적용하지 않은 고정하중이 압축응력을 발생시키는 부분의 경우, 이 압축응력이 피로한계상태조합에 따른 최대 활하중 인장응력의 2배보다 작은 경우에만 피로 문제를 고려한다.
4.1.2.2 허용피로응력 범위
  • 반복응력을 받는 부재와 이음부의 설계 시 각 구조상세에 발생하는 응력범위는 표 4.1-1에 규정된 허용피로응력 범위를 초과하지 않아야 한다.

| 상세범주1) | 허용응력 범위 (MPa) 2) | 10만회 | 50만회 | 200만회 | 200만회 이상 | |—|—|—|—|—|—| | A | | 442 | 260 | 168 | 168 | | B | | 344 | 203 | 126 | 112 | | B’ | | 274 | 161 | 101 | 84 | | C | | 250 | 147 | 91 | 70 (84) 3) | | D | | 196 | 112 | 70 | 49 | | E | | 154 | 91 | 56 | 31 | | E’ | | 112 | 64 | 40 | 18 |

주 1) 표 4.1-2 참조 주 2) 응력범위는 최대응력과 최소응력과의 대수차를 의미한다. 주 3) 거더 복부판과 플랜지의 수직보강재 용접의 경우, 84 MPa 적용

4.1.2.3 상세범주
  • 부재와 이음부의 상세는 표 4.1-2에 요약되어 있는 각 상세범주의 요구조건을 만족하도록 설계해야 한다.

표 4.1-2 응력의 종류 및 범주

| 조건 | 개요 | 응력 종류 | 상세 범주1) | 적용 예2) | |—|—|—|—|—| | 단순부재 | 압연면 또는 매끈한 표면을 갖는 모재 | 인장 또는 교번3) | A | 1, 2 | | 조립부재 | 응력방향과 평행하게 연속완전용입 그루브용접(뒷댐판 제거) 또는 연속필릿용접으로 접합된 부착물이 없는 부재의 모재와 용접금속 | 인장 또는 교번 | B | 3, 4, 5, 7 | | | 응력방향과 평행하게 연속완전용입 그루브용접(뒷댐판 미제거) 또는 연속부분용입 그루브용접으로 접합된 부착물이 없는 부재의 모재와 용접금속 | 인장 또는 교번 | B’ | 3, 4, 5, 7 | | | 거더의 복부판이나 플랜지에 설치된 수직보강재 용접 끝에서 계산한 휨응력 | 인장 또는 교번 | C | 6 | | | 끝부분의 돌림용접 여부에 관계없이 덮개판 폭이 플랜지보다 좁은 경우, 또는 끝부분을 돌림용접한 덮개판 폭이 플랜지보다 넓은 경우의 덮개판 끝에서의 모재 (a) 플랜지두께 ≤ 20 mm (b) 플랜지두께 > 20 mm | 인장 또는 교번 | E | 7 | | | | 인장 또는 교번 | E’ | 7 | | | 끝부분이 용접처리 되지 않은 덮개판 폭이 플랜지보다 넓은 부분용접된 덮개판 끝에서의 모재 | 인장 또는 교번 | E’ | 7 | | 그루브 용접 연결부 | 비슷한 단면을 갖는 압연단면 또는 용접단면의 완전용입 그루브용접된 이음부나 인접부의 모재와 용접부(작용응력방향으로 용접부를 연마처리하고 용접부의 건전성을 비파괴검사를 통하여 검사한 경우) | 인장 또는 교번 | B | 8, 10 | | | 부재의 폭방향으로 600 mm의 변화부 반경을 갖는 완전용입 그루브용접된 이음부나 인접부의 모재와 용접부(작용응력방향으로 용접부를 연마처리하고 용접부의 건전성을 비파괴검사를 통하여 검사한 경우) | 인장 또는 교번 | B | 13 | | | 부재의 폭방향 또는 두께방향 변화부(용접부경사가 1:2.5 이하인 경우)에서의 완전용입 그루브용접된 이음부나 인접부의 모재와 용접부(작용응력의 방향으로 용접부를 연마처리하고 용접부의 건전성을 비파괴검사를 통하여 검사한 경우) | 인장 또는 교번 | B’ | 11, 12 | | | 부재의 폭방향 또는 두께방향 변화부가 없거나 용접부 경사가 1:2.5 이하인 변화부가 있는 완전용입 그루브용접된 이음부나 그 인접부의 모재 또는 용접부(용접 덧살을 제거하지 않고 용접부의 건전성을 비파괴검사를 통하여 검사한 경우) | 인장 또는 교번 | C | 8, 10, 11, 12 | | 종방향으로 응력을 받는 그루브용접 부착물 | 응력방향으로의 이음부 길이 L이 50 mm 이하인 경우, 완전 또는 부분용입 그루브 용접된 부착물의 이음부에 인접한 모재 | 인장 또는 교번 | C | 6, 15 | | | 응력방향으로의 이음부의 길이 L이 50 mm 이상이며 판두께의 12배 이하인 경우 (단, 100 mm 이하), 완전 또는 부분용입 그루브 용접된 부착물의 이음부에 인접한 모재 | 인장 또는 교번 | D | 15 | | | 응력방향으로의 이음부 길이 L이 판두께의 12배 이상이거나 100 mm 이상인 경우 완전 또는 부분용입 그루브용접된 부착물에 인접한 모재 (a) 연결 부재의 두께 < 25 mm (b) 연결 부재의 두께 ≥ 25 mm | 인장 또는 교번 | E | 15 | | | | 인장 또는 교번 | E’ | 15 | | | 이음부 길이에 관계없이 변화부 반경 R을 가지며, 완전 또는 부분용입 그루브용접된부착물에 인접한 모재 – 용접 끝을 매끈하게 연마한 경우 (a) 변화부 반경 ≥ 600 mm (b) 600 mm > 변화부 반경 ≥ 150 mm (c) 150 mm > 변화부 반경 ≥ 50 mm (d) 50 mm > 변화부 반경 ≥ 0 mm – 용접 끝을 매끈하게 연마하지 않은 모든 변화부 반경에 대하여 | 인장 또는 교번 | B | 16 | | | | 인장 또는 교번 | C | 16 | | | | 인장 또는 교번 | D | 16 | | | | 인장 또는 교번 | E | 16 | | | | 인장 또는 교번 | E’ | 16 | | 횡방향으로 응력을 받는 그루브용접부착물4) | 이음부 길이와 무관하고 비파괴검사를 실시하여 응력의 수직방향의 용접 건전성이 확인되고 변화부 반경이 R인 완전용입 그루브용접 된 부착물 – 동일한 판두께이고 용접덧살이 없는 경우 (a) 변화부 반경 ≥ 600 mm (b) 600 mm > 변화부 반경 ≥ 150 mm (c) 150 mm > 변화부 반경 ≥ 50 mm (d) 50 mm > 변화부 반경 ≥ 0 mm – 동일한 판두께이고 용접덧살이 있는 경우 (a) 변화부 반경 ≥ 150 mm (b) 150 mm > 변화부 반경 ≥ 50 mm (c) 50 mm > 변화부 반경 ≥ 0 mm – 다른 판두께이고 용접덧살이 없는 경우 (a) 변화부 반경 ≥ 50 mm (b) 50 mm > 변화부 반경 ≥ 0 mm – 다른 판두께이고 용접덧살이 제거되지 않은 경우 모든 변화부 반경에 대하여 | 인장 또는 교번 | B | 16 | | | | 인장 또는 교번 | C | 16 | | | | 인장 또는 교번 | D | 16 | | | | 인장 또는 교번 | E | 16 | | 필릿용접 연결 | 횡방향으로 하중을 받고 응력방향에 수직으로 필릿용접된 연결부재의 모재 (a) 연결부재의 두께 ≤ 12.5 mm (b) 연결부재의 두께 > 12.5 mm – 부분적으로 끊어진 필릿용접부의 모재 | 인장 또는 교번 | C5) | E | 14 | | 종방향으로 응력을 받는 필릿용접 부착물6) | – 응력방향으로 용접길이 L이 50 mm 이하로 필릿용접 된 부착물과 스터드 형태의 전단연결재에 인접한 모재 – 응력방향으로의 용접길이 L이 50 mm 이상 판두께의 12배(다만, 100 mm 이하) 이하인 경우 필릿용접부에 인접한 모재 – 응력방향으로의 길이 L이 판두께의 12배 이상, 또는 100 mm 이상인 경우 필릿용접부에 인접한 모재 (a) 연결부재의 두께 < 25 mm (b) 연결부재의 두께 ≥ 25 mm 연결부의 길이에 관계없이 반경 R의 변화부를 갖는 필릿용접부에 인접한 모재 – 용접부 끝을 매끈하게 연마한 경우 (a) 변화부 반경 ≥ 50 mm (b) 50 mm > 변화부 반경 ≥ 0 mm – 용접부 끝을 연마하지 않은 모든 변화부 반경에 대하여 | 인장 또는 교번 | C | 15, 17, 18, 19, 20 | | | | 인장 또는 교번 | D | 15, 17 | | | | 인장 또는 교번 | E | 7, 9, 15,17 | | | | 인장 또는 교번 | E’ | 7, 9, 15 | | | 주응력방향으로 용접된 횡방향응력을 받는 필릿용접 부착물 | 연결부의 길이에 관계없이 변화부 반경 R을 갖는 필릿용접(범주 F로 필릿용접 목에 작용하는 전단응력)으로 연결된 부재의 모재 – 용접부 끝을 매끈하게 연마한 경우 (a) 변화부 반경≥50 mm (b) 50 mm > 변화부 반경 ≥ 0 mm – 용접부 끝을 연마하지 않은 모든 변화부 반경에 대하여 | 인장 또는 교번 | D | 16 | | | | 인장 또는 교번 | E | 16 | | 볼트 및 리벳 연결 | – 연결재에 면외휨을 일으키는 축방향 응력을 받는 연결부를 제외한, 고장력볼트 마찰이음 전단면에서의 모재 – 고장력 볼트 지압이음의 순단면에서의 모재 – 리벳연결부의 순단면에서의 모재 | 인장 또는 교번 | B | 21 | | | 인장 또는 교번 | B | 21 | | | 인장 또는 교번 | D | 21 |

주 1) 표 4.1-1 참조 주 2) 그림 4.1-2 참조 주 3) 인장응력범위와 인장과 압축이 동시에 발생하는 응력범위를 나타낸다. 주 4) 응력방향이 용접종축과 수직한 경우에는 부분용입그루브용접을 피해야 한다. 주 5) 횡방향 응력을 받는 필릿용접 목두께에 대한 허용피로응력범위는 유효목두께 (mm)와 판두께 (mm)의 함수이다.(Frank and Fisher, ASCE Vol. 105, NO. ST9, Sept, 1979 참조) 여기서, 는 표 4.1-1에 나타낸 범주 C에 대한 허용응력 범위와 같다. 이것은 용접루트에서 관통되지 않는 것으로 가정한 경우이다. 주 6) 거더 플랜지의 바깥면에 연결되는 거셋판은 횡방향 필릿용접만으로 부착시키지 않는다.

4.1.2.4 구속을 줄이기 위한 상세
  • 용접 구조물은 구속에 의한 파단을 일으킬 수 있는 과도한 구속과 균열과 같은 기하학적 불연속을 갖지 않도록 상세를 설계해야 한다.
  • 작용 응력방향과 평행한 수평보강재 용접부와 수직보강재 용접부의 교차부에는 용접지단 사이의 간격이 최소 25 mm 이상 되도록 설계한다.
4.1.3 변형유발피로
  • 모든 횡방향 부재를 종방향 부재의 단면을 포함하는 적절한 구조요소에 연결하여, 예상하였거나 예상치 못한 하중을 전달하기에 충분한 하중경로를 제공해 주어야 한다. 이러한 하중경로는 여러 구조요소를 용접 또는 볼트로 연결하여 확보할 수 있다.
4.1.3.1 수직연결판
  • 연결판은 다음과 같은 단면의 압축 및 인장 플랜지 모두에 대해 용접 또는 볼트를 이용해 연결되어야 한다.
    • 내·외부 다이아프램이나 브레이싱은 횡방향 연결판 또는 연결판으로서의 기능을 갖는 수직보강재에 부착해야 한다.
    • 가로보는 횡방향 연결판 또는 연결판으로서의 기능을 갖는 수직보강재에 부착해야 한다.
  • 특별한 조건이 주어지지 않는 한, 용접 및 볼트연결은 직선교의 경우 90,000 N의 횡하중에 저항하도록 설계되어야 한다.
4.1.3.2 수평연결판
  • 플랜지에 수평연결판을 붙이는 것이 곤란할 경우에는, 보강된 복부판에 부착되는 수평연결판은 플랜지에서 플랜지폭의 1/2 이상 떨어져야 한다.
  • 비보강 복부판에 부착된 수평연결판은 플랜지에서 150 mm 이상 및 플랜지 폭의 1/2 이상 떨어져야 한다.
  • 수평연결판으로 연결된 수평 브레이싱 부재의 끝은 복부판 및 수직보강재로부터 최소 100 mm의 거리를 유지해야만 한다.
  • 보강재가 사용된 복부판의 수평연결판은 보강재의 중심선에 맞추어 설치되어야 한다.
  • 수평연결판과 보강재가 복부판의 같은 면에 위치한 경우에는 수평연결판을 보강재에 부착해야 한다. 이 경우에 수직보강재는 압축플랜지로부터 인장플랜지까지 연속되어 있어야 하며, 양쪽 플랜지 모두에 부착되어야 한다.

4.2 인성요구조건

  • 국내의 지역별 온도구역은 표 4.2-1에 따르며, 인장 또는 교번응력을 받는 주부재의 사용강재는 표 4.2-2에 따라서 샤르피 흡수에너지로 나타내는 저온인성 규격을 만족해야 한다.
  • 인장 또는 교번응력을 받는 주부재의 최대 허용 판두께는 교량이 건설되는 지역의 온도구역에 따라 표 4.2-2에 규정한 값으로 한다.
  • 인장 또는 교번응력을 받는 주부재는 도면과 공사시방서 등에 명시해야 한다.

표 4.2-1 국내 지역별 최저 공용온도에 따른 온도구역 구분

| 구분 | 최저 공용온도(T)2) | 대상 지역1) | |—|—|—| | 온도구역 Ⅰ | -15℃ ≤ T | 부산, 울산, 광주 전체지역, 전라남도 전체지역, 경상남도 전체지역, 경상북도 전체지역 (온도구역 II 지역 제외), 제주도 전체지역 | | 온도구역 Ⅱ | -25℃ ≤ T < -15℃ | 서울, 인천, 대구, 대전 전체지역, 경기도 동부를 제외한 지역, 충청남도 전체지역, 전라북도 전체지역, 경상북도 내륙지역, 강원도 해안지역 | | 온도구역 Ⅲ | -35℃ ≤ T < -25℃ | 경기도 동부지역 (동두천, 이천, 양평 등), 강원도 내륙지역, 충청북도 전체지역 |

주 1) 교량이 건설되는 지역의 온도구역 구분이 명확하지 않은 경우에는, 대상지역의 기상청 관측자료를 기준으로 최근 30년 내 최저기온에 따라 온도구역을 구분한다. 주 2) 최저 공용온도(T)라 함은 교량이 건설되는 지역의 최근 30년 내 최저기온(100년 재현주기 최저 기온과 유사)을 말한다.

표 4.2-2 인장 또는 교번응력을 받는 주부재의 강종별 인성규격과 온도구역 별 최대 허용판두께

| 온도구역 및 강종 | 온도구역 Ⅰ (-15℃)1) | 온도구역 Ⅱ (-25℃)1) | 온도구역 Ⅲ (-35℃)1) | |—|—|—|—| | 구분 | 기호 | 충격시험3) | 최대 허용판두께2) (mm) | 시험온도 | 샤르피 흡수에너지 | | 용접 구조용 압연 강재 | SM275B | | | 0℃ | 27J 이상 | | | SM275C | | | -20℃ | 27J 이상 | | | SM275D | | | -40℃ | 27J 이상 | | | SM355B | | | 0℃ | 27J 이상 | | | SM355C | | | -20℃ | 27J 이상 | | | SM355D | | | -40℃ | 27J 이상 | | | SM420B | | | 0℃ | 27J 이상 | | | SM420C | | | -20℃ | 27J 이상 | | | SM420D | | | -40℃ | 27J 이상 | | | SM460B | | | 0℃ | 47J 이상 | | | SM460C | | | -20℃ | 27J 이상 | | 용접 구조용 내후성 열간 압연 강재 | SMA275B | | | 0℃ | 27J 이상 | | | SMA275C | | | -20℃ | 27J 이상 | | | SMA355B | | | 0℃ | 27J 이상 | | | SMA355C | | | -20℃ | 27J 이상 | | | SMA460 | | | 0℃ | 47J 이상 | | 교량 구조용 압연 강재 | HSB380 | | | -5℃ | 47J 이상 | | | HSB380L | | | -20℃ | 47J 이상 | | | HSB380W | | | -5℃ | 47J 이상 | | | HSB460 | | | -5℃ | 47J 이상 | | | HSB460L | | | -20℃ | 47J 이상 | | | HSB460W | | | -5℃ | 47J 이상 | | | HSB690 | | | -20℃ | 47J 이상 | | | HSB690L | | | -40℃ | 47J 이상 | | | HSB690W | | | -20℃ | 47J 이상 | | | | 40 | 40 | 40 | | | | | 100 | 100 | 90 | | | | | 100 | 100 | 100 | | | | | 40 | 40 | 40 | | | | | 100 | 80 | 70 | | | | | 100 | 100 | 100 | | | | | 40 | 40 | 40 | | | | | 80 | 65 | 55 | | | | | 100 | 100 | 80 | | | | | 65 | 55 | 45 | | | | | 75 | 60 | 50 | | | | | 40 | 40 | 40 | | | | | 100 | 100 | 90 | | | | | 40 | 40 | 40 | | | | | 100 | 80 | 70 | | | | | 65 | 55 | 45 | | | | | 85 | 70 | 60 | | | | | 100 | 95 | 80 | | | | | 85 | 70 | 60 | | | | | 70 | 60 | 50 | | | | | 95 | 80 | 65 | | | | | 70 | 60 | 50 | | | | | 95 | 70 | 40 | | | | | 55 | 45 | 40 | | | | | 80 | 70 | 60 | | | | | 55 | 45 | 40 | | | | | 80 | 60 | 40 | |

주1) 선형보간법에 따라 최대 허용판두께를 산정할 때 사용되는 각 구역별 기준 공용온도. 주 2) 교량이 건설되는 지역의 최근 30년 내 최저기온(T)를 알고 있는 경우, 주 1의 기준공용온도에 따른 선형보간법을 적용하여 최대 허용판두께를 산정해도 좋다. 예를 들어 SM355C의 경우, 어느 지역의 최저기온(T)이 –20℃라면 구역 Ⅰ의 -15℃와 구역 Ⅱ의 -25℃를 기준으로 하여 최대 허용판 두께는 90 mm가 된다. 단, 최저기온의 범위가 -35℃≤T<-15℃일 때만 선형 보간을 적용할 수 있다. 주 3) KS B 0810 “금속 재료 충격 시험 방법”에 따라 측정하며 강재의 인성을 충격에 대한 에너지흡수능력으로 표현하는 값임.

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