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문제 정의
- 본 연구는 원자력 발전소 구조물용 대구경 철근의 기계적 이음부의 성능 평가에 필요한 기초 자료로 활용하기 위해 수행되었으며, 기계적 이음재 시편에 관한 구조성능평가 결과는 아래와 같다.
- 본 연구에서는 이를 개선하기 위하여 저온 실험장치 외부 시편의 표점간 거리에서 변위를 측정할 수 있는 변위 계측장치를 개발하였다.
- 한편, 대구경 철근의 기계적 이음을 원전에 적용하기 위해서는 ASME Code의 온도조건에 따른 실험이 수행되어야 하며, 본 연구는 이러한 대구경 철근을 이용하는 경우 온도조건에 따라 변화하는 기계적 이음 특성을 검증하기 위한 실험적 연구이다.
제안 방법
- 1) 나사형 이음 종류로서 parallel thread type 나사형 이음(parallel thread sleeve)과 tapered thread type 나사형 이음(tapered thread sleeve)을 선택하였으며, 그 형상은 Fig. 6과 같다.
- 3∼5에서 보는 바와 같이 저온실험장치의 개념은 철근의 기계적 철근이음부를 챔버 내에 포함시키기 위하여 철근 상하부 표점부분에 원통형 파이프를 철근에 고정하고 챔버와는 미끄러지게 하였고, 변위를 측정하기 위해서 이 부분에 변위계를 부착할 수 있는 치구를 설치하여 케이블 타입 변위계를 좌우 2곳에 설치하고 2개 변위계의 평균으로 변위를 측정하였다.
- 3) 시험체의 인장 및 항복응력을 측정하기 위한 인장실험법으로 정적인장과 반복인장의 두 가지로 수행하였다.
- 4) 온도조건으로서 상온과 저온의 조건에 의하여 실험하였다.
- 가력방법은 ASME SECⅢ DIV.2 CC-4330 및 ASTM A370의 규준에 따라 정적인장가력과 반복인장가력 두 가지로 수행하였다.
- 반복 가력실험은 Fig 14와 같이 철근 항복강도의 5%에서 90%까지 100회 반복 가력한 후 정적 인장가력으로 철근 파단 시까지 수행하였다.
- 시편의 변위량 계측을 위하여 챔버 외부에 측정 보조장치를 제작하고 케이블 타입의 변위계를 2개 설치하였다. 표점은 챔버의 길이로 하였다.
- 이상을 실험변수로 하여 원철근을 포함하여 실험을 수행하였다. 규격에 의한 재료의 물리적 성질, 실험에 사용된 시편목록 및 식별번호 구분은 아래와 같다.
- 저온조건에서 인장실험을 수행하기 위하여 기계적 철근이음부에 본 장치를 장착하였으며, 실험기는 Shimadzu 사에서 제작한 인장 3,000 kN 용량의 만능실험기를 이용하였다. 가력방법은 ASME SECⅢ DIV.
- 정적인장가력실험은 0.2㎜/sec의 속도로 철근의 파단 시까지 수행하였고 반복가력실험은 철근 항복강도(fy)의 5%(0.05fy)에서 90%(0.9fy)까지 100회 반복 가력한 후 정적인장가력으로 철근 파단 시까지 수행하였다.
대상 데이터
- 2) 대구경 철근에 해당하는 직경별로 ASTM A615 #11(35.8 mm), 14(43 mm), 18(57.3 mm)을 그 대상으로 설정하였다. 단, #11, 18은 parallel thread type에서 A 형이 사용되었으며, #14는 C형이 사용되었다.
- 데이터 수집장비는 IMC의 μ-MUSYCS 를 이용하여 변위계와 만능실험기에서 출력되는 데이터를 10Hz의 속도로 PC를 이용하여 측정하였다.
- 본 시험에서는 ASTM A615의 규정에 근거하여 parallel thread type 나사형 및 tapered thread type 나사형 이음재에 의한 2가지 시편을 제작하였으며, 시험변수는 다음과 같다.
- 비교 대상 철근으로 이음부재가 없는 원 철근 #11, 14, 18에 대하여 각각 3개씩 정적 인장실험을 실시하였고 그 결과는 아래와 같다. 실험결과는 ASTM A615 Grade 60에 제시된 인장강도보다 평균 15%, 항복강도보다 19% 높은 결과를 나타내었다.
성능/효과
- 1) Parallel thread type 나사이음철근은 대구경 철근직경 #11～18에 관계없이 규정된 인장강도 620MPa를 만족하였다.
- 2) Tapered thread type 나사이음철근의 파단부위는 철근의 단면 감소가 시작되는 부위에서 발생되었고, parallel thread type 나사이음철근은 대부분 철근 부분에서 파단 되었다. 이의 원인으로는 모재의 나사산 가공에 따라 나사산 시작부에 응력이 집중되어 균열이 발생하므로 파단 되는 것으로 보인다.
- 3) 100회 반복 인장가력 시험에서는 인장강도 및 연신율에 있어서 정적 인장가력 시험과 비슷한 결과를 보였으며, 시험 중 철근 이음부에서 빠지거나 균열이 발생하는 등 이상 현상은 없었다.
- 4) -7℃ 저온 실험결과는 강도변화는 없었으나 parallel thread type 이 tapered thread type보다 연신율은 더 작았다. 이는 저온처리에 의하여 나사 가공부에 영향을 미치는 것으로 판단된다.
- Parallel thread type 철근의 평균 인장강도 635.2MPa로 기준 값보다 높으며, 이음이 없는 원철근 실험결과 인장강도인 720.3MPa의 90%는 648.3MPa으로서 원철근 인장강도의 90% 이상이어야 하나, 1개 시편에서 나사산의 가공부에서 파단되면서 인장강도가 낮게 실험되어 전체적으로 90% 이상 기준에 못 미치게 나타났다. 규격에 의한 항복강도는 420MPa이며 125% 값은 525MPa이며 각각 시편의 인장강도 517.
- 3MPa으로서 원철근 인장강도의 90% 이상이어야 하나, 1개 시편에서 나사산의 가공부에서 파단되면서 인장강도가 낮게 실험되어 전체적으로 90% 이상 기준에 못 미치게 나타났다. 규격에 의한 항복강도는 420MPa이며 125% 값은 525MPa이며 각각 시편의 인장강도 517.6, 663.2, 663.2, 654.3, 679.8MPa로서 나사산에서 파단된 1개 시편을 제외하고는 모두 합격 기준 내에 포함되었다.
- 규격에 의한 항복강도는 420MPa이며 125% 값은 525MPa이며 각각 시편의 인장강도 623.5, 618.9, 664.5, 639.5, 617.9MPa로서 모두 합격 기준 내에 포함되었다.
- 0MPa로서 원철근 인장강도의 90% 이상이다. 규격에 의한 항복강도는 420MPa이며 125% 값은 525MPa이며 각각 시편의 인장강도 668.2, 664.4, 668.3, 666.3, 666.0MPa로서 모두 합격 기준 내에 포함되었다.
- 규격에 의한 항복강도는 420MPa이며 125% 값은 525MPa이며 각각 시편의 인장강도 673.3, 668.0, 685.6, 718.7, 706.5MPa로서 모두 합격 기준 내에 포함되었다.
- 규격에 의한 항복강도는 420MPa이며 125% 값은 525MPa이며 각각 시편의 인장강도 696.9, 690.6, 691.2, 692.6MPa로서 모두 합격 기준 내에 포함되었다.
- 0MPa로서 규격에 따른 기준인 620MPa보다, 원 철근 인장강도의 90% 이상이다. 또한 시편의 인장강도는 각각 710.7, 702.2, 699.1, 703.9MPa로서 규격에 의한 항복강도의 125% 인 525MPa보다 높아 모두 합격 기준 내에 포함되었다.
- 반복 가력실험에 대한 결과는 100회 반복 인장가력 실험후 대부분 인장강도 시점 까지 실험이 잘 진행되었으며, 인장강도 값도 정적 실험과 비슷한 결과를 보였다.
- 실험 중의 정확한 온도 계측을 위하여 적외선탐상기를 이용하여 시편의 전체적인 온도 분포를 측정한 결과 보관온도를 더 낮추었음에도 실험 중 시편의 온도는 -1.9℃에서 3.2℃의 온도 분포를 나타내고 있었다. 이온도는 시편 표면 온도로 철근 내부의 온도는 아니지만, 실험조건인-7℃의 조건을 만족시키지 못하였다.
- 비교 대상 철근으로 이음부재가 없는 원 철근 #11, 14, 18에 대하여 각각 3개씩 정적 인장실험을 실시하였고 그 결과는 아래와 같다. 실험결과는 ASTM A615 Grade 60에 제시된 인장강도보다 평균 15%, 항복강도보다 19% 높은 결과를 나타내었다.
- 저온실험 결과 tapered thread type은 비 저온 실험에 비하여 항복이후 최대 인장강도까지 서서히 늘어나면서 파단 되는 것이 아니라 급격하게 파단 되었다. 최대 인장강도 값은 비슷한 결과를 보였다.
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