효율적인 철근콘크리트 구조물을 설계 시공하기 위하여, 최근 들어 고강도 철근에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 고강도 철근은 일반강도 철근에 비하여 연신 능력이 낮은 것이 일반적이므로, 기존의 최소 연신율규격을 만족하지 못할 가능성이 있다. 또한 국내외 철근 규격의 최소 연신율 규정과 표점 거리 규정은 각 규격마다 상이하여, 동일한 철근이라도 적용하는 규격에 따라 적합 여부가 다르게 평가된다. 따라서 각 철근 규격을 비교 검토하고, 국내의 철근 규격 KS D 3504의 규정이 합리적인지 검토할 필요가 있다. 이 연구에서는 한국, 미국, 일본, 유럽, ISO 등 국내외 철근 규격의 최소 연신율 규정과 표점 거리 규정을 비교 분석하고, 철근 인장시험을 통하여 규격의 엄격성을 평가하였다. 그 결과, 국내 철근 규격인 KS D 3504가 가장 엄격한 것으로 평가되었다. 이 엄격성 비교 결과를 바탕으로 KS D 3504의 일반용 철근 규격의 최소 연신율 규정을 수정할 것을 제안하였으며, 내진용 철근 규격을 제안하였다.
효율적인 철근콘크리트 구조물을 설계 시공하기 위하여, 최근 들어 고강도 철근에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 그러나 고강도 철근은 일반강도 철근에 비하여 연신 능력이 낮은 것이 일반적이므로, 기존의 최소 연신율규격을 만족하지 못할 가능성이 있다. 또한 국내외 철근 규격의 최소 연신율 규정과 표점 거리 규정은 각 규격마다 상이하여, 동일한 철근이라도 적용하는 규격에 따라 적합 여부가 다르게 평가된다. 따라서 각 철근 규격을 비교 검토하고, 국내의 철근 규격 KS D 3504의 규정이 합리적인지 검토할 필요가 있다. 이 연구에서는 한국, 미국, 일본, 유럽, ISO 등 국내외 철근 규격의 최소 연신율 규정과 표점 거리 규정을 비교 분석하고, 철근 인장시험을 통하여 규격의 엄격성을 평가하였다. 그 결과, 국내 철근 규격인 KS D 3504가 가장 엄격한 것으로 평가되었다. 이 엄격성 비교 결과를 바탕으로 KS D 3504의 일반용 철근 규격의 최소 연신율 규정을 수정할 것을 제안하였으며, 내진용 철근 규격을 제안하였다.
Recently, many researches on high strength reinforcing steel have been conducted to construct optimum reinforced concrete structures. However, the studies have shown that high strength steel shows less elongation capacity than normal strength steel. Therefore, high strength reinforcing steel may not...
Recently, many researches on high strength reinforcing steel have been conducted to construct optimum reinforced concrete structures. However, the studies have shown that high strength steel shows less elongation capacity than normal strength steel. Therefore, high strength reinforcing steel may not satisfy the minimum elongation requirement of current standards. Moreover, elongation measurements may be not standardized ones since each standard has its own requirements for minimum elongation and gage length. Therefore, the standards for reinforcing steel testing must be investigated to verify the validity of Korean Standard D 3504. This research aimed to compare the requirements for minimum elongation and gage length of the Korean, American, Japanese, European, and ISO Standards. Then, the study further investigated accuracy of the standards by tensile test of reinforcing steel. The study results showed that the Korean Standard has the strictest requirement. Based on the study results, the authors proposed modified minimum elongation requirements for general reinforcing steel and new requirements for seismic reinforcing steel.
Recently, many researches on high strength reinforcing steel have been conducted to construct optimum reinforced concrete structures. However, the studies have shown that high strength steel shows less elongation capacity than normal strength steel. Therefore, high strength reinforcing steel may not satisfy the minimum elongation requirement of current standards. Moreover, elongation measurements may be not standardized ones since each standard has its own requirements for minimum elongation and gage length. Therefore, the standards for reinforcing steel testing must be investigated to verify the validity of Korean Standard D 3504. This research aimed to compare the requirements for minimum elongation and gage length of the Korean, American, Japanese, European, and ISO Standards. Then, the study further investigated accuracy of the standards by tensile test of reinforcing steel. The study results showed that the Korean Standard has the strictest requirement. Based on the study results, the authors proposed modified minimum elongation requirements for general reinforcing steel and new requirements for seismic reinforcing steel.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
그러나 현재 국내에 생산되는 모든 철근은 KS 규격에 맞추어 생산되기 때문에 ISO나 ASTM 규격으로 바꾸기에는 현실적인 어려움이 있다. 따라서 이 연구에서는 KS D 3504 규격의 형식을 따르면서, 일반용 철근의 최소 연신율 규정의 수정안과 내진용 철근 최소 연신율 제정안을 제안하고자 한다.
이 연구에서는 국내외 철근 규격의 연신율과 표점 거리 규정을 분석하고, 단조 증가 인장시험을 통해 표점 거리에 따른 시험 성공률과 연신율 규정의 엄격성을 평가하여, 철근 규격의 개정 및 내진용 철근 규격의 제정에 참고자료를 제공하고자 한다.
이 연구에서는 단조증가 인장시험을 통하여 파단 위치에 따른 국내외 철근 규격 표점 거리의 시험 성공률에 대하여 평가하고, 최소 연신율 규정의 엄격성에 대해 분석하였다. 또한 분석한 내용을 바탕으로 KS D 3504의 일반용 및 내진용 철근의 최소 연신율을 제안하였다.
이 연구에서는 어떠한 규격의 연신율 규정이 더 엄격한지, 또 어떠한 규격의 표점 거리가 더 성공률이 높은지 판단하기 위하여, 단조 증가 인장시험을 수행한 후 시험 결과에 대한 각 규격의 적용 결과를 분석하는 방법을 채택하였다. 즉, 단조 증가 인장시험에서 한 개의 시험편에 KS 규격, ISO 규격, ASTM 규격의 세 가지 표점 거리를 모두 표시하고 각각의 표점 거리를 기준으로 연신율을 산출하는 방법을 사용하였다.
제안 방법
Fig. 6과 같이 한 개의 시험편에 각 규격의 표점 거리를 모두 표시한 후에 600 kN 용량의 만능시험기(universal testing machine)를 이용하여 단조 증가 인장시험을 수행하였다. 철근이 파단 된 후 시험편의 파단면을 맞물린 다음 버니어 캘리퍼스로 각 표점 간의 길이를 측정하여 연신율을 계산하였으며, KS 규격의 표점 거리에는 연신율 측정기(extensometer)도 함께 사용하였다.
따라서 파단 위치가 표점 거리 내부에 위치하는지, 외부에 위치하는지에 따라 연신율도 다르게 산출될 것이며, 표점 거리 외부에 파단 위치가 발생한 시험편의 경우 연신율이 정확히 산출하였다고 판단하기도 어렵다. 따라서 세 가지 표점 거리 모두에 대하여 표점 거리 내에서 파단 된 시험편에 일련번호(serial number)를 부여하였고, 이를 대상으로 최소 연신율 규정의 엄격성을 평가하였다.
또한 분석한 내용을 바탕으로 KS D 3504의 일반용 및 내진용 철근의 최소 연신율을 제안하였다.
이 연구에서는 어떠한 규격의 연신율 규정이 더 엄격한지, 또 어떠한 규격의 표점 거리가 더 성공률이 높은지 판단하기 위하여, 단조 증가 인장시험을 수행한 후 시험 결과에 대한 각 규격의 적용 결과를 분석하는 방법을 채택하였다. 즉, 단조 증가 인장시험에서 한 개의 시험편에 KS 규격, ISO 규격, ASTM 규격의 세 가지 표점 거리를 모두 표시하고 각각의 표점 거리를 기준으로 연신율을 산출하는 방법을 사용하였다. 산출된 각각의 연신율과 각 규격의 연신율 규정의 비를 엄격성 지수(strictness index)라고 정의하면, 그 비율이 1에 가까울수록 그 규격의 연신율 규정이 엄격하다고 판단할 수 있다.
6과 같이 한 개의 시험편에 각 규격의 표점 거리를 모두 표시한 후에 600 kN 용량의 만능시험기(universal testing machine)를 이용하여 단조 증가 인장시험을 수행하였다. 철근이 파단 된 후 시험편의 파단면을 맞물린 다음 버니어 캘리퍼스로 각 표점 간의 길이를 측정하여 연신율을 계산하였으며, KS 규격의 표점 거리에는 연신율 측정기(extensometer)도 함께 사용하였다. 시험에 사용한 시험편은 항복강도가 400 MPa인 10, 13, 16, 22, 29 mm 지름의 철근 총 46개로 D사의 동일한 공장과 라인에서 생산한 철근을 대상으로 시험을 수행하였다.
파단 위치에 따른 연신율을 비교하기 위하여, Fig. 8과같이 KS 규격의 표점 거리 내부에서 파단 된 철근과 외부에서 파단 된 철근의 평균 연신율을 철근 지름별로 비교하였다. 당연한 결과이지만, 표점 거리 내부에서 파단된 철근의 평균 연신율이 표점 거리 외부에서 파단 된 철근의 평균 연신율 보다 커서, D10은 1.
대상 데이터
각 규격의 최소 연신율 규정의 엄격성을 비교하기 위해, 총 46개의 시험 자료 중 세 가지 규격의 표점 거리를 모두 만족하는 23개의 시험 자료를 대상으로 엄격성을 분석하였다. 단, 단조 증가 인장시험에서 최대 응력에서의 연신율을 따로 도출하기가 어렵기 때문에 EC2와 BS 4449의 규격은 엄격성 분석에서 제외하였다.
철근이 파단 된 후 시험편의 파단면을 맞물린 다음 버니어 캘리퍼스로 각 표점 간의 길이를 측정하여 연신율을 계산하였으며, KS 규격의 표점 거리에는 연신율 측정기(extensometer)도 함께 사용하였다. 시험에 사용한 시험편은 항복강도가 400 MPa인 10, 13, 16, 22, 29 mm 지름의 철근 총 46개로 D사의 동일한 공장과 라인에서 생산한 철근을 대상으로 시험을 수행하였다.
성능/효과
Fig. 11(b)에 나타낸 바와 같이, KS D 3504의 최소 연신율 규정을 2% 포인트 완화하더라도 JIS G 3112를 제외하고는 국외의 모든 일반용 철근 규격보다 엄격하다는 결과를 보인다. KS D 3504의 최소 연신율 규정을 4% 포인트 완화한다면, Fig.
1) 단조 증가 인장시험 결과 총 46개의 시험편 중 41개(89%)의 철근이 ASTM의 표점 거리 내부에서 파단 되었고, KS와 ISO의 경우 각각 29개(63%), 25개(54%)의 철근이 표점 거리 내부에서 파단 되었다. 따라서 모든 지름의 철근에 대하여 표점 거리가 203.
2) 인장시험에서 세 가지 규격의 표점 거리 내에서 모두 파단 된 23개 시험편을 대상으로 최소 연신율 규격의 엄격성을 비교한 결과, 일반용 철근 규격에서는 KS D 3504와 JIS G 3112가 가장 엄격한 것으로 판단된다.
3) 현행 KS D 3504의 최소 연신율 규정을 2% 포인트 완화하더라도 JIS G 3112를 제외하고는 국외의 모든 일반용 철근 규격보다 엄격하다는 결과를 보이므로, SD300, SD350, SD400의 일반용 철근에 대하여는 최소 연신율 규정을 2% 포인트 완화하여도 큰문제가 없을 것으로 판단된다.
4) 분석 대상인 23개 시험편에 대하여 최소 연신율 규격의 엄격성을 분석한 결과, KS D 3504의 최소 연신율 규정이 국외의 내진용 철근 규격과 유사하거나 오히려 더 엄격한 것으로 분석되었다. 따라서 내진용 철근 규격을 제정한다면 현 KS D 3504의 최소 연신율 규정을 그대로 사용하여도 큰 무리가 없을 것으로 판단된다.
4.2.1에 기술한 바와 같이, 철근 규격 KS D 3504의 최소 연신율 규정은 국내외 일반용 철근 규격 중 가장 엄격한 것으로 판단되었다. 따라서 일반용 철근 규격의 최소 연신율 규정은 국외의 최소 연신율 규정을 만족하는 범위 안이라면 완화되어도 큰 문제가 없을 것이라고 판단된다.
당연한 결과이지만, 표점 거리 내부에서 파단된 철근의 평균 연신율이 표점 거리 외부에서 파단 된 철근의 평균 연신율 보다 커서, D10은 1.27배, D13은 1.22배, D16은 1.35배, D22는 1.15배, D29는 1.56배로 크게 산출되었다.
35 범위의 엄격성 지수로서 KS D 3504가 가장 엄격한 것으로 나타났다. 따라서 Table 4와 같이 모든 지름의 철근 시험편에 대해 엄격성을 비교했을 때, 국내의 일반용 철근 규격인 KS D 3504의 엄격성 지수 평균값은 1.19, 내진용 철근 규격인 ISO 6935-2(Class D)와 ASTM A 706M의 엄격성 지수 평균값은 각각 1.96과 1.41을 나타내었다. 따라서 철근 지름에 따라 차이가 있기는 하지만, KS D 3504 의 최소 연신율 규정은 국외의 내진용 철근 규격과 유사하거나 오히려 더 엄격한 것으로 판단된다.
1) 단조 증가 인장시험 결과 총 46개의 시험편 중 41개(89%)의 철근이 ASTM의 표점 거리 내부에서 파단 되었고, KS와 ISO의 경우 각각 29개(63%), 25개(54%)의 철근이 표점 거리 내부에서 파단 되었다. 따라서 모든 지름의 철근에 대하여 표점 거리가 203.2 mm로 일정한 ASTM 규격이 인장시험에서의 시험 성공률이 가장 높았다.
즉, 표점 거리의 크기가 클수록 파단 위치가 표점 거리 내부에 발생할 가능성이 높은 것으로 판단할 수있다. 따라서 표점 거리가 모든 철근에 대하여 203.2 mm로 일정한 ASTM의 표점 거리가 단조 증가 인장시험에 서의 시험 성공률은 가장 높다고 할 수 있다.
56배로 크게 산출되었다. 또한 표점 거리 내부에서 파단 된 시험편은 86%가 KS D 3504의 최소 연신율 규정을 만족하였으나 표점 거리 외부에서 파단 된 시험편은 29%이 최소 연신율 규정을 만족하였다.
총 46개의 시험편 중, 철근 지름에 관계없이 표점 거리가 203.2 mm로 일정한 ASTM의 경우 41개(89%)의 철근이 표점 거리 내부에서 파단 되었으며, 표점 거리가 철근의 지름에 따라 달라지는 KS와 ISO의 경우 각각 29개(63%), 25개(54%)의 철근이 표점 거리 내부에서 파단 되었다. 즉, 표점 거리의 크기가 클수록 파단 위치가 표점 거리 내부에 발생할 가능성이 높은 것으로 판단할 수있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고강도 철근의 개발과 적용을 위하여 고려해야 할 철근의 요구 성능으로는 어떤 것들이 있는가?
이에 따라 항복강도가 500 MPa을 초과하는 고강도 철근을 대상으로 다수의 연구1,2)가 수행되었다. 고강도 철근의 개발과 적용에서 고려해야할 철근의 요구 성능은 항복강도와 인장강도뿐만 아니라 연성 능력, 즉 연신율이 매우 중요하다. 이것은 철근콘크리트 부재의 연성 능력이 철근의 연성 능력에 좌우되는 경우가 있기 때문이다.
철근의 연성 능력이 부재의 연성 능력에 영향을 주는 예로 어떤 것을 들 수 있는가?
철근의 연성 능력이 부재의 연성 능력에 영향을 주는 예는 반복 하중을 받는 철근콘크리트 기둥이 휨 작용에 의해 파괴될 때의 파괴 형태를 들 수 있다. 이 파괴 형태는 세 가지로 구분할 수 있는데, 첫째는 심부 콘크리트의 파쇄에 의한 파괴, 둘째는 Fig.
고강도 철근을 개발하기 위해 철근에 요구되는 성능 중에서 연신율이 매우 중요한 이유는?
고강도 철근의 개발과 적용에서 고려해야할 철근의 요구 성능은 항복강도와 인장강도뿐만 아니라 연성 능력, 즉 연신율이 매우 중요하다. 이것은 철근콘크리트 부재의 연성 능력이 철근의 연성 능력에 좌우되는 경우가 있기 때문이다.
참고문헌 (17)
이재훈 외, "콘크리트 구조물에 대한 고장력 철근의 적용성 연구," KCI-R10-001, 한국콘크리트학회, 2010, 388 pp.
정란 외, "휨-압축철근을 위한 Ultra-Bar(SD 600) 및 스터럽과 타이 철근을 위한 Ultra-Bar(SD 500 및 600)의 적용성 연구," 한국콘크리트학회, 2010, 375 pp.
Jaradat, O. A., McLean, D. I., and Marsh, M. L., "Performance of Existing Bridge Columns under Cyclic Loading-Part 1 : Experimental Results and Observed Behavior," ACI Structural Journal, Vol. 95, No. 6, 1998, pp. 695-704.
정영수, 이재훈, 김재관 외 "고속도로 기존교량의 유형별 내진성능 평가를 위한 실험적 연구," 한국도로공사 연구보고서, 2001, 397 pp.
Mander, J. B., Panthaki, F. D., and Kasalanati, A., "Lowcycle Fatigue Behavior of Reinforcing Steel," ASCE Journal of Materials in Civil Engineering, Vol. 6, No. 4, 1994, pp. 453-468.
ISO 6935-2, "Steel for the Reinforcement of Concrete-Part 2 : Ribbed Bars," International Standard, 2002, 20 pp.
ASTM A 615/A 615M-08b, "Standard Specification for Deformed and Plain Carbon-Steel Bars for Concrete Reinforcement," ASTM, USA, 2008, 6 pp.
ASTM A 706/A 706M-08a, "Standard Specification for Low-Alloy Steel Deformed and Plain Bars for Concrete Reinforcement," ASTM, USA, 2008, 5 pp.
JIS G 3112, "Steel Bar for Concrete Reinforcement," Japanese Standards Association, 2004, 15 pp.
BS 4449, "Steel for the Reinforcement of Concrete-Weldable Reinforcing Steel-Bar," Coil and Decoiled Product-Specification, British Standards, 2005, 27 pp.
CEN, EN 1992 Eurocode 2 : Design of Concrete Structures, European Committee for Standardization, 2004, 255 pp.
KS B 0801, 금속재료 인장 시험편, 한국표준협회, 1981, 10 pp.
ASTM A370-07, "Standard Test Methods and Definitions for Mechanical Testing of Steel Products," ASTM International, 2007, 44 pp.
JIS Z 2201, Test Pieces for Tensile for Metallic Materials, Japanese Standards Association, 1998, pp. 227-235.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.