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문제 정의
- 철근의 굽힘과 펴는 과정에는 필연적으로 소성 변형이 발생하며, 이 과정에서 가공 경화, 바우싱거 효과, 시효 경화 현상이 발생된다. 이 연구에서는 강종, 지름, 굽힘 내면 반지름, 굽힌 후 펴기까지의 존치기간을 변수로 굽힌 후 편 철근의 인장에 대한 기계적 성질을 조사하였다. 또한 구조해석에 활용할 수 있는 응력-변형률 모델을 구성하였다.
제안 방법
- 2장에서 검토한 굽힌 후 편 철근의 물성변화를 정량적으로 평가하기 위하여 굽힌 후 편 철근의 인장실험을 실시하였다. 2장의 검토를 토대로 강종, 지름, 굽힘 가공시 내면 반지름, 펴기까지의 존치 기간을 변수로 설정하였다.
- 2장에서 검토한 굽힌 후 편 철근의 물성변화를 정량적으로 평가하기 위하여 굽힌 후 편 철근의 인장실험을 실시하였다. 2장의 검토를 토대로 강종, 지름, 굽힘 가공시 내면 반지름, 펴기까지의 존치 기간을 변수로 설정하였다.
- 굽힘 내면 반지름은 주철근에 대해 요구되는 3db를 기준으로 2db와 4db를 추가하였다. 굽힌 후 펴기까지의 존치기간은 1주, 1개월, 3개월로 하여 존치시간에 따른 물성 변화를 관찰하였다. 굽힘 가공이 없는 모재를 포함하여 모든 실험은 동일 시편 2개씩 실시하였다.
- 굽힌 후 편 철근의 기계적 특성을 고찰하고, 가능한 물성 변화를 예측하였다.
- 4와 같다. 굽힘은 철근 절곡기에서 심봉(mandrel)을 정확한 치수로 가공하여 실시하였다. 굽힌 철근은 Fig.
- 이 연구에서는 강종, 지름, 굽힘 내면 반지름, 굽힌 후 펴기까지의 존치기간을 변수로 굽힌 후 편 철근의 인장에 대한 기계적 성질을 조사하였다. 또한 구조해석에 활용할 수 있는 응력-변형률 모델을 구성하였다. 실험과 분석을 통해 다음의 결론을 얻었다.
- 모재와 시험체는 모두 동일한 방법으로 항복강도, 인장 강도, 연신율, 탄성계수를 계측하였다. 탄성계수는 항복 강도의 25%와 50% 구간의 할선 기울기로 산정하였으며, 연신율과 인장강도는 KS B 08029)에 따라 측정하였다.
- 실험방법은 Fig. 6에서 보여주듯이 1,000 kN 용량의 만능재료시험기로 인장 가력하였다. 표점거리는 KS B 08018)에 따라 철근 공칭 지름의 8배로 하였으며, Fig.
- 이 연구에서는 강종, 지름, 굽힘 내면 반지름, 굽힌 후 펴기까지의 존치기간을 변수로 굽힌 후 편 철근의 기계적 성질을 조사하였다. 이를 토대로 구조해석에 활용할 수 있는 응력-변형률 모델을 구성하고자 한다.
- 그러나 기존 연구12,14-16)는 주로 항복강도와 연신율의 정량적 변화에 관해서만 수행되었으며, 응력-변형률 모델을 제시하지 못하였다. 이 연구에서는 굽힌 후 편 철근의 인장 거동실험 자료를 바탕으로, 응력변형률 모델을 구성하였다.
- 기존 유사 연구12)에서는 이 연구 결과와 상반되게, 굽힌 후편 철근의 인장강도가 모재 대비 크게 저하된다고 보고하였다. 이 연구에서는 시편을 최대한 직선에 가깝게 만들기 위해 프레스와 철근 절곡기를 사용하였으나, 기존 연구에서는 현장 여건과 유사하게 펴기를 실시하였다. 즉 펴는 과정에서 철근에 국부적인 변형 집중이 발생될 수 있기 때문에 강도의 변화가 발생된 것으로 판단된다.
- 이 연구에서는 강종, 지름, 굽힘 내면 반지름, 굽힌 후 펴기까지의 존치기간을 변수로 굽힌 후 편 철근의 기계적 성질을 조사하였다. 이를 토대로 구조해석에 활용할 수 있는 응력-변형률 모델을 구성하고자 한다.
- 철근 모재도 시험체와 동일한 방법으로 시험하여, 항복강도, 인장강도, 연신율, 탄성계수를 측정하였으며, Table 1에 강종별 지름별로 시험결과를 정리하였다.
- 6에서 보여주듯이 1,000 kN 용량의 만능재료시험기로 인장 가력하였다. 표점거리는 KS B 08018)에 따라 철근 공칭 지름의 8배로 하였으며, Fig. 6과 같이 변위계를 4개 설치하여 편심에 의한 변형률 왜곡을 방지하였다. 가력 속도는 KS B08029)에 따라 항복강도의 50%까지는 30 MPa/sec, 이후에는 10 MPa/sec를 표준으로 가력하였다.
- 탄성계수는 항복 강도의 25%와 50% 구간의 할선 기울기로 산정하였으며, 연신율과 인장강도는 KS B 08029)에 따라 측정하였다. 항복강도는 최근에 개정된 ASTM A615-0910)와 ACI 318-1111)에 따라 0.2% 오프셋 방법과 0.35%(모재 철근의 항복강도가 420 MPa 이상) 또는 0.5%(모재 철근의 항복 강도가 420 MPa 미만) 변형률에서의 응력 중 작은값으로 결정하였다.
대상 데이터
- 굽힌 후 펴기까지의 존치기간은 1주, 1개월, 3개월로 하여 존치시간에 따른 물성 변화를 관찰하였다. 굽힘 가공이 없는 모재를 포함하여 모든 실험은 동일 시편 2개씩 실시하였다.
- 철근 지름은 슬래브 철근으로 주로 사용되는 10, 13, 16 mm 3가지와 보 철근으로 많이 사용되는 22 mm를 선정하였다. 강종은 SD300과 SD400을 변수로 하였다.
데이터처리
- 4) Ramberg-Osgood 모델을 기본 형태로 실험 자료를 회귀분석하여 항복강도와 존치기간을 고려한 굽힌 후 편 철근의 응력-변형률 관계를 구성하였다. 이 모델은 굽힌 후 편 철근이 사용된 접합부의 강성 평가에 활용될 수 있다.
이론/모형
- 철근을 비롯한 여러 금속의 응력-변형률 모델로 활용이 가능한 Ramberg-Osgood 모델17)을 기본식으로 이용하였다. 이 모델은 식 (2)와 같이 단일 식으로 구성되어 다른 철근 모델들18)에 비해 사용이 편리하다.
- 모재와 시험체는 모두 동일한 방법으로 항복강도, 인장 강도, 연신율, 탄성계수를 계측하였다. 탄성계수는 항복 강도의 25%와 50% 구간의 할선 기울기로 산정하였으며, 연신율과 인장강도는 KS B 08029)에 따라 측정하였다. 항복강도는 최근에 개정된 ASTM A615-0910)와 ACI 318-1111)에 따라 0.
성능/효과
- 1) 굽힌 후 편 철근은 비례한계점이 낮아지는 비선형성이 직선 철근에 비해 일찍 발생되었으며, 항복마루 없이 바로 변형경화가 발생하였다. 이것은 굽힘 가공에서 압축을 받은 부분의 바우싱거 효과에 의해 항복점이 낮아졌고, 굽힘 가공에서 인장을 받은 부분의 가공 경화에 의해 항복마루가 없어졌기 때문이다.
- 2) 높은 강종일수록 항복강도의 저하가 크게 발생되었으며, SD400 철근의 항복강도는 설계기준강도보다 낮았다. 철근은 표면부의 강도가 내부보다 높기 때문에, 높은 강종일수록 굽힌 후 펴면 바우싱거 효과가 크게 발생된다.
- 3) 굽힌 후 펴기까지의 존치기간이 길면 시효 경화에 의해 항복강도의 상승과 연성의 저하가 발생되었다. 존치기간 1개월까지는 시효 경화 현상이 발생되지 않았으므로, 굽힌 후 펴기까지는 1개월 이내로 제한될 필요가 있다.
- SD300 철근은 0.2% 오프셋 방법에 의해 항복강도가 결정되었으며, SD400 철근은 0.35% 변형률에서의 강도로 항복강도가 결정되었다. Fig.
- 9에 지름별, 강종별, 굽힘 내면 반지름별 항복강도를 모재 항복강도에 대한 비율로 나타내었다. SD300 철근은 모재 철근과 거의 유사하였으나, 존치기간 3개월 철근은 모두 모재보다 항복강도가 향상되어 모재 철근 대비 비율이 평균 118%였다.
- SD400 철근은 모재 대비 항복강도가 저하되었으며, 특히 시효 경화가 발생되지 않은 1주, 1개월 존치기간 철근들은 평균 25%의 항복강도 저하가 발생되었다. 존치 기간 3개월 철근들도 모두 모재보다 항복강도가 저하되었지만 시효 경화로 인해 평균 10%의 강도 저하가 나타났다.
- 7(a)에 나타내었다. 모재 철근은 강종에 구분 없이 선형 변형 후 충분한 항복마루를 갖고 변형 경화가 발생하는 이상적인 거동을 보였다. 굽힌 후 편 철근은 비례한계점이 낮아지는 비선형성이 일찍 발생되었으며, 항복마루 없이 바로 변형경화가 발생하였다.
- 실험에서 계측된 자료를 바탕으로, 변수별 α와 m을 결정하면 굽힌 후 편 철근의 응력-변형률 관계를 효과적으로 표현할 수 있다.
- 이 결과 항복강도 저하가 발생하게 되는데, 특히 SD400 시험편은 Fig. 7(b)와 같이 3,500 µmm/mm에서의 응력이 매우 낮아 설계기준항복강도 400 MPa보다 저하되었다.
- SD400 철근은 모재 대비 항복강도가 저하되었으며, 특히 시효 경화가 발생되지 않은 1주, 1개월 존치기간 철근들은 평균 25%의 항복강도 저하가 발생되었다. 존치 기간 3개월 철근들도 모두 모재보다 항복강도가 저하되었지만 시효 경화로 인해 평균 10%의 강도 저하가 나타났다. 즉 설계기준강도가 높을수록 소성 변형에 의한 비례한계점의 저하가 크게 나타나서 설계기준강도를 하회하게 되었다.
- α는 철근 지름에 대해서는 경향성이 없었으나, 강종이 높을수록 증가하며, 존치기간이 길수록 감소하였다. 즉 모재 철근의 항복강도가 높을수록 모재철근 대비 변형률이 증가하였고, 시효 경화에 의해 존치 기간이 길수록 그 값이 줄어들었다. Fig.
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