KDS 설계기준 143020 강구조 피로 및 파단 설계기준 (허용응력설계법)

2024년 07월 22일 건설엔지니어

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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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