Investigation of Fatigue Strength and Prediction of Remaining Life in the Butt Welds Containing Penetration Defects

블완전용입 맞대기 용접재의 용입깊이에 따른 피로강도특성 및 잔류수명의 산출

In this paper fatigue strength reduction of butt weld with penetration defect, which can be seen frequently in the steel bridge, was assessed quantitatively. S-N curves were derived and investigated through the constant amplitude fatigue test of fully or partially penetrated welded specimen made of SWS490 steel. The fracture mechanical method was applied in order to calculate the remaining fatigue life of the partially penetrated butt welds. The fatigue limit of the fully penetrated butt welds was higher than that of category A in AASHTO's fatigue design curves, and the slope of S-N curves with 5.57 was stiffer than that of other result for welded part generally accepted as 3. The fatigue strength of the partially Penetrated butt weld was strongly influenced by the size of lack of penetration, D. It decreased drastically with increasing D from 3.9 to 14.7mm. Fracture behaviour of the partially penetrated butt weld is able to be explained obviously from the beach mark test that a semi-elliptical surface crack with small a/c ratio initiates at a internal weld root and propagates through the weld metal. To estimate the fatigue life of the partially penetrated butt weld with fracture mechanics, stress intensity factors K of 3-dimensional semi-elliptical crack were calculated by appling finite elements method and fracture mechanics parameters such as C and m were derived through the fatigue test of CT-specimen. As a result, the fatigue lives obtained by using the fracture mechanical method agreed well with the experimental results. The results were applied to Sung-Su bridge collapsed due to penetration defects in butt weld of vertical member.

본 연구에서는 기존의 강교에서 흔하게 발견되고 있는 맞대기 용접부의 용입불량으로 인한 부재의 피로강도 저하도를 정량적으로 평가하고자 하였다. 이를 위하여 강교량의 재료로 널리 사용되고 있는 SWS490강으로 제작된 완전용입 및 용입깊이가 서로 다른 불완전용입 맞대기 용접시험편을 대상으로 일정진폭하중시험을 수행하여 S-N선도를 산출하고 이를 비교 검토하였으며, 파괴역학적 방법을 이용하여 불완전용입 용접재의 피로수명을 계산하였다. 본 연구의 결과로서, 완전용입 용접재의 경우 AASHTO의 피로강도등급선도와의 비교에서 피로한도값은 A등급보다 높은 값을 보였고, S-N선도의 기울기는 5.57로 매우 높게 나타났다. 불완전용입 용접재의 경우 불완전용입깊이 D가 증가함에 따라 피로강도가 감소하는데, D=14.7mm인 경우 AASHTO의 E'등급보다 낮게 나타난다. 불완전용입 용접재의 파손거동에서 피로균열은 내부 용접루트 선단부에서 a/c가 매우 작은 반타원형 표면균열의 형태로 발생하고, 시험체의 두께방향으로 진전하여 최종파손을 유발한다. 파괴역학적 방법을 이용한 불완전용입 용접재의 피로수명을 평가하기 위하여 3차원 반타원형 균열형상에 대한 응력확대계수 K를 유한요소해석으로 구하였다. 여기서 얻어진 K값과 실험으로 얻어진 Paris식의 상수를 이용하여 불완전용입 용접재의 피로수명을 계산하여 비교하였다. 그리고 실제 불완전용입 맞대기용접부의 파손으로 붕괴사고가 발생한 성수대교의 수직재에 본 연구결과를 적용하여 피로수명을 계산해 보았다.