[논문]고강도강재 단주의 압축강도 및 잔류응력 평가

이철호; 김대경; 한규홍; 김진호; 이승은; 하태휴

doi:10.7781/kjoss.2012.24.1.023

고강도강재 단주의 압축강도 및 잔류응력 평가
Compressive Strength and Residual Stress Evaluation of Stub Columns Fabricated of High Strength Steel 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.24 no.1 = no.116, 2012년, pp.23 - 34

이철호 (서울대학교 건축학과) , 김대경 (서울대학교 건축학과 대학원) , 한규홍 (서울대학교 건축학과 대학원) , 김진호 ((재) 포항산업과학연구원) , 이승은 ((재) 포항산업과학연구원) , 하태휴 ((재) 포항산업과학연구원)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 인장강도 800MPa급 고강도강재(HSA800)의 단주 중심압축실험과 편심압축실험을 통해 균등압축과 휨-압축 부재의 강도를 평가하여 현행 강구조기준(KBC2009, AISC2005)의 적용성 여부를 검토하였다. 또한 잔류응력의 계측을 통하여 강재 항복강도와 잔류응력과의 상관성 여부도 검토하였다. 고강도강재와 일반강재의 국부좌굴 거동 차이의 여부를 확인하기 위하여 중심압축실험에 SM490 강재로 제작된 비교실험체도 포함시켰다. 강도로 무차원화한 판폭두께비와 판 단부의 지지조건을 주요변수로 하여 실험을 실시하였다. 편심압축실험은 HSA800 강재만을 대상으로 하였으며, 휨-압축의 조합력을 받는 부재의 P-M 상관관계를 알아보기 위해 가력 편심거리를 조정하여 다양한 P-M 조합에 대해 강도평가 실험을 수행하였다. 잔류응력은 중심압축실험에 사용된 H형단면 실험체를 대상으로 비파괴실험법인 압입법에 의해 가력 이전에 그 크기와 분포를 측정하였다. 실험결과 중심압축을 받는 모든 HSA800 단주는 판 단부의 지지조건 및 판폭두께비 조건에 따른 현행 강구조기준의 설계강도를 충분히 발휘하였다. 편심압축을 받는 실험체 역시 현행 설계기준의 P-M 상관관계를 충분히 안전측으로 충족하였다. 본 연구에서도 잔류응력의 크기는 강재의 항복강도와 무관하다는 선행연구결과와 합치하는 잔류응력 측정값이 얻어졌다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, stub columns subjected to concentrical and eccentrical loads were tested to check the applicability of the current local stability criteria (KBC2009, AISC2005) to 800MPa high-strength steel (HSA800). The key test variables in the concentrically loaded tests included the plate-edge restraints and the width-to-thickness ratio normalized by the yield strength of steel. Specimens made of ordinary steel (SM490) were also tested for comparative purposes. Eccentrically loaded stub column tests were conducted for a range of the P-M combinations by controlling the loading eccentricity. All the concentrically loaded specimens with non-compact and slender sections developed sufficient strengths according to the current local stability criteria. All the eccentrically loaded specimens with non-compact H sections also exhibited a sufficient P-M interaction strength that was even higher than that of compact H- section counterparts. Residual stresses were also measured by using the non-destructive indentation method to demonstrate their dependency or independency on the steel material's yield strength. The measured results of this study also indicated that the magnitude of residual stresses bears no strong relation to the yield strength of the steel material.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(2) 편심압축실험은 HSA800 강재로 제작된 단주의 휨-압축 조합내력(곧, P-M 상관관계)를 평가하기 위해 수행되었다. 휨응력에 대해 비콤팩트 단면으로 설계된 HSA800단주 실험체는 현행 기준의 요구강도를 충분한 여유를 갖고 만족하였다.
고강도강재(HSA800)와 일반강재(SM490)의 재료 물성치를 파악하여 단주실험 결과를 평가하기 위해 본 실험에 앞서 소재인장실험을 수행하였다. 실험체 제작에 사용한 강재와 동일한 모재에서 시편을 레이저로 절취하였으며, 금속재료 인장 시험편 규정(KS B 0802:2003, 2008)에 따라 1A호로 제작 하였다.
단주 중심압축실험과 편심압축실험의 주 목적은 고강도강재 플레이트의 좌굴내력을 평가하고 현행 설계기준에 따라 압축재로 설계가능한지 여부를 판단하는 것이다. 중심압축실험에서는 판폭두께비와 판의 단부지지조건에 따라 고강도강재와 일반강재의 국부좌굴 거동이 상이한지 알아보기 위하여, 현행 기준(KBC2009, AISC2005)에 따라 두 강종의 실험체를 설계한 후 비교평가하였다.
현행 설계기준(KBC2009, AISC2005)의 판의단면분류 및 이에 따른 국부좌굴 강도식은 일반강재의 응력변형률 곡선에 기초를 하고 있으므로, 고강도강재에 대한 현행 기준의 적용가능성 여부를 평가할 필요가 있다. 따라서 본 연구에서는 인장강도 800MPa급 고강도강재(HSA800)의 단주 중심압축실험과 편심압축 실험을 통해 현행 강구조 기준 (KBC2009, AISC2005)의 적용성 여부를 평가할 수 있는 실험적 기초자료를 제시하고자 하였다.
현재의 방법을 따르면 고강도강재의 잔류응력의 크기가 높게 평가되므로 고강도강재의 이점이 감소된다. 본 연구에서는 비파괴 잔류응력 측정법을 활용해 가력 이전에 실험체의 잔류응력을 계측하여 항복강도와 잔류응력의 상관성 여부를 확인하고자 하였다.
편심압축실험에서는 휨과 압축을 동시에 받는 고강도강재 단주의 국부좌굴 강도를 평가하고 압축하중과 휨모멘트의 상호작용관계를 알아보고자 하였다.

가설 설정

단면설계시 초과강도를 반영하여 HSA800의 항복강도는 750MPa, SM490의 항복강도는 375MPa으로 가정하였다. 1000ton UTM의 가력용량을 고려하여 HSA800 실험체와 SM490 실험체가 동일한 세장비를 갖도록 단면크기를 선정하였고, 세장비의 영향을 보기 위하여 구속판요소와 비구속판요소 각각에 세장조건이 나타날 수 있도록 하였다.

제안 방법

(1) 중심압축실험은 판의 세장비(비콤팩트와 세장단면)와 판단부의 지지조건(구속판요소, 비구속판요소, 구속과 비구속의 조합)을 변수로 수행되었다. HSA800 실험체 중 박스형단면 실험체와 H형단면의 세장실험체가 가력장치의 최대가력용량에 도달하여 국부좌굴 발생까지 가력하지 못하였음에도 불구하고 모든 HSA800 실험체가 현행 설계기준의 요구강도를 만족시킴을 확인할 수 있었다.
단면설계시 초과강도를 반영하여 HSA800의 항복강도는 750MPa, SM490의 항복강도는 375MPa으로 가정하였다. 1000ton UTM의 가력용량을 고려하여 HSA800 실험체와 SM490 실험체가 동일한 세장비를 갖도록 단면크기를 선정하였고, 세장비의 영향을 보기 위하여 구속판요소와 비구속판요소 각각에 세장조건이 나타날 수 있도록 하였다. 하지만 박스형단면은 가력조건(최대 1,000ton)의 제약으로 비콤팩트 조건만을 대상으로 하였다.
하지만 박스형단면은 가력조건(최대 1,000ton)의 제약으로 비콤팩트 조건만을 대상으로 하였다. H형단면에서 세 번째 실험체 단면의 웨브가구속판요소의 세장단면에 해당되도록 설계하였다(플랜지는 모두 비콤팩트로 설계). 실험체 길이(L)는 Galambos(1998)가 제안한 다음 식으로 산정하였다.
그림 14(a)는 현행 설계기준의 비콤팩트 단주의 P-M 상관 곡선이다(식(9) 참고). 각 실험체의 결과는 2차 효과를 고려하여 휨모멘트를 산정한 후 소성모멘트 강도로 무차원하여 P-M 상관곡선에 나타내었다.
본 연구에서는 800MPa급 고강도강재(HSA800)을 현행 구조설계기준에 따라 설계하여 단주 중심압축실험과 편심압축실험을 수행하였으며, 압입법을 통해 고강도강재에서의 잔류응력의 크기를 측정하였다. 실험결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
단주 중심압축 실험체 중 H형단면의 HS-H1-310-NC와 SM-H1-370-NC 실험체에서 측정하였다. 비구속판요소와 구속판요소에서의 잔류응력 분포 성향과 크기를 파악하기 위하여 H형단면을 선정하였으며, 엔드 플레이트의 용접 열 영향을 최소화하기 위하여 실험체 길이방향 중앙부에서 측정 위치를 선택하였다.
실험체에 편심가력을 하기 위하여 다음 그림 3과 같이 셋팅 하였다. 비틀림에 대하여 구속된 강축 휨을 유도하기 위하여 나이프엣지를 설치하였으며, 편심하중을 받는 동안 실험체의인장부에서 용접의 파단이 일어나지 않도록 하기 위해 실험체의 양 끝단에 리브를 용접하여 보강하였다. 리브로 보강된 부분은 실험체의 좌굴거동에 영향을 주지 못하도록(충분히 강체로 거동할 수 있도록) 설계하였다.
실험체 제작에 사용한 강재와 동일한 모재에서 시편을 레이저로 절취하였으며, 금속재료 인장 시험편 규정(KS B 0802:2003, 2008)에 따라 1A호로 제작 하였다. 실험 결과 값의 신뢰도를 확보하기 위해 각 강종에 대해 5개 시편을 테스트하였으며, 시편의 변형률은 신율계로 측정하였다. 다음 그림 8과 표 3은 각 강종의 5개 시편결과에 대한 평균값이다.
모든 실험체의 단면은 중심압축 실험체 HS-H1-310-NC와 동일하고, 압축력에 대해 비콤팩트 단면, 휨모멘트에 대하여 비콤팩트 단면(웨브는 콤팩트, 플랜지는 비콤팩트)을 갖는다. 이를 감안하여 P-M 조합응력의 다양한 조건에 대해 성능을 평가하기 위해 축력비가 0.8, 0.5, 0.3이 되도록 편심거리 e를 각각 30mm, 120mm, 275mm 으로 하였다.
단주 중심압축실험과 편심압축실험의 주 목적은 고강도강재 플레이트의 좌굴내력을 평가하고 현행 설계기준에 따라 압축재로 설계가능한지 여부를 판단하는 것이다. 중심압축실험에서는 판폭두께비와 판의 단부지지조건에 따라 고강도강재와 일반강재의 국부좌굴 거동이 상이한지 알아보기 위하여, 현행 기준(KBC2009, AISC2005)에 따라 두 강종의 실험체를 설계한 후 비교평가하였다. 실험에 사용한 고강도강재는 인장강도 800MPa급의 HSA800이며, 고강도강재와 비교하기 위하여 SM490강재를 택하였다.
편심하중의 영향을 최소로 하기 위하여 실험체 양단구속조건을 단순지지로 하였으며, 실험체 양 끝에 엔드 플레이트를 설치하여 1,000ton UTM으로 단순재하 하였다.

대상 데이터

다음 표 1은 중심압축 실험체 설계일람이다. 강종 별로 박스형 실험체 1개, 십자형 실험체 3개, H형 실험체 3개로 총 14개의 실험체를 설계하였고, 모든 실험체는 두께 15mm의 플레이트를 용접하여 제작하였다.
그림 4는 스웨덴의 강구조설계기준 BSK94에서 정하고 있는 잔류응력의 크기와 분포이다. 그림 4에서 보듯이 압연과 용접에 따라 다르게 나타나는데 본 연구는 용접으로 제작된 단주를 대상으로 하였다.
다음 그림 5는 잔류응력을 측정하고자 하는 실험체의 잔류 응력 측정위치이다. 단주 중심압축 실험체 중 H형단면의 HS-H1-310-NC와 SM-H1-370-NC 실험체에서 측정하였다. 비구속판요소와 구속판요소에서의 잔류응력 분포 성향과 크기를 파악하기 위하여 H형단면을 선정하였으며, 엔드 플레이트의 용접 열 영향을 최소화하기 위하여 실험체 길이방향 중앙부에서 측정 위치를 선택하였다.
다음 표 8은 편심압축 실험결과이다. 단주 중심압축실험에서의 HS-H1-310-NC 실험체는 편심거리가 0인 실험체이다.
중심압축실험에서는 판폭두께비와 판의 단부지지조건에 따라 고강도강재와 일반강재의 국부좌굴 거동이 상이한지 알아보기 위하여, 현행 기준(KBC2009, AISC2005)에 따라 두 강종의 실험체를 설계한 후 비교평가하였다. 실험에 사용한 고강도강재는 인장강도 800MPa급의 HSA800이며, 고강도강재와 비교하기 위하여 SM490강재를 택하였다.

이론/모형

잔류응력의 측정법에는 파괴법으로 절단법, 준파괴법으로 홀드릴링법, 비파괴법으로 X-ray회절법 등이 있다. 본 연구에서는 비파괴법인 압입법(Indentation Method)을 통해 잔류응력을 측정하였다. 압입법은 대상 실험체보다 월등히 높은 강도를 지닌 소형 압입자를 무응력상태(stress free)의 실험체(비교실험체) 표면과 잔류응력을 측정하고자 하는 실험체 표면에 하중을 가하여 얻은 경도의 차이를 통해 잔류응력의 크기를 측정하는 방법이다(이윤희 등, 2002; ASTM E384-11, 2011).
고강도강재(HSA800)와 일반강재(SM490)의 재료 물성치를 파악하여 단주실험 결과를 평가하기 위해 본 실험에 앞서 소재인장실험을 수행하였다. 실험체 제작에 사용한 강재와 동일한 모재에서 시편을 레이저로 절취하였으며, 금속재료 인장 시험편 규정(KS B 0802:2003, 2008)에 따라 1A호로 제작 하였다. 실험 결과 값의 신뢰도를 확보하기 위해 각 강종에 대해 5개 시편을 테스트하였으며, 시편의 변형률은 신율계로 측정하였다.

성능/효과

(3) 본 연구에서 HSA800 강재로 제작된 압축재와 휨-압축재의 실험결과는 전체적으로 현행 설계기준의 관련 조항을 만족함을 보여주었다. 단, 본 연구에서는 실험체 제작 당시의 가용 판재 두께의 제한(최소 15mm) 및 가력용량(1000 ton)의 한계로 세장단면을 갖는 박스형 단주의 실험을 수행할 수 없었으므로 이를 보완하기 위한 후속의 실험 내지는 수치해석 연구가 수행될 필요가 있다.
(1) 중심압축실험은 판의 세장비(비콤팩트와 세장단면)와 판단부의 지지조건(구속판요소, 비구속판요소, 구속과 비구속의 조합)을 변수로 수행되었다. HSA800 실험체 중 박스형단면 실험체와 H형단면의 세장실험체가 가력장치의 최대가력용량에 도달하여 국부좌굴 발생까지 가력하지 못하였음에도 불구하고 모든 HSA800 실험체가 현행 설계기준의 요구강도를 만족시킴을 확인할 수 있었다.
표 6은 본 연구의 실험결과, 표 7은 유사선행연구인 Rasmussen과 Hancock(1992)의 실험결과를 정리한 것이다. 본 연구의 실험결과인 표 6과 그림 13(b)에서 보듯이 모든 HSA800 실험체는 현행 설계요구강도를 3~10% 상회하는 결과(#)를 보여주었으나 SM490의 비콤팩트단면 실험체는 설계요구강도를 1~5% 정도 만족시키지 못하였다. 또한 표 7에서 보듯이 BISALLOY80의 경우에도 세장단면 실험체는 현행 기준상의 요구강도를 충분히 상회하였으나 비콤팩트 실험체는 설계요구강도를 3% 정도 하회하였다(RasmussenHancock, 1992).
휨응력에 대해 비콤팩트 단면으로 설계된 HSA800단주 실험체는 현행 기준의 요구강도를 충분한 여유를 갖고 만족하였다. 비콤팩트 단면의 P-M 상관관계에서 축력이 낮을수록 휨강도에 대해 큰 마진을 보였고, 콤팩트 단면의 P-M 상관관계까지도 만족시키는 결과를 나타내 었다.
소재인장실험 결과 SM490은 뚜렷한 항복구간을 갖는 것에 반해 HSA800은 항복점과 항복참(yield plateau)이 명확하지 않은 고강도강재의 일반적 특성을 보였다. 이에 따라 항복 강도를 0.
여기서더 의미를 갖는 것은 잔류응력 값의 절대치보다는 두 강종간 잔류응력의 차이여부이다. 실험결과 SM490의 잔류응력은 HSA800의 잔류응력보다 오히려 크게 측정되었으며 이는 잔류응력이 항복강도에 비례하지 않음을 의미한다. 또한 재료의 항복강도로 무차원하여 잔류응력의 크기를 비교하여 살펴본 결과, 기존연구(Rasmussen-Hancock, 1992)의 결과에서처럼 고강도강재의 잔류응력에 의한 강도저하는 일반강재에 비해 작음을 알 수 있다.
소재인장실험 결과 SM490은 뚜렷한 항복구간을 갖는 것에 반해 HSA800은 항복점과 항복참(yield plateau)이 명확하지 않은 고강도강재의 일반적 특성을 보였다. 이에 따라 항복 강도를 0.2% 오프셋내력으로 결정하였으며, SM490의 항복 강도는 428MPa로 공칭항복강도인 325MPa를 훨씬 상회하였다. 계측된 강도를 기준하여 실험체의 단면분류를 다시 검토한 결과 표 1과 동일하였다.

후속연구

(3) 본 연구에서 HSA800 강재로 제작된 압축재와 휨-압축재의 실험결과는 전체적으로 현행 설계기준의 관련 조항을 만족함을 보여주었다. 단, 본 연구에서는 실험체 제작 당시의 가용 판재 두께의 제한(최소 15mm) 및 가력용량(1000 ton)의 한계로 세장단면을 갖는 박스형 단주의 실험을 수행할 수 없었으므로 이를 보완하기 위한 후속의 실험 내지는 수치해석 연구가 수행될 필요가 있다.
이는 항복강도와 잔류응력의 크기는 무관한 것으로 보고한 외국의 선행 연구와 합치하는 결과이다. 현행 휨재 설계기준에서 잔류응력의 크기를 일률적으로 강재 항복강도의 30%로 취하고 있는 조항과는 상치되는 것으로서 이 부분에 대한 좀 더 심도있는 후속연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	800MPa급 고강도강재(HSA800)을 현행 구조설계기준에 따라 설계하여 단주 중심압축실험과 편심압축실험을 수행하였으며, 압입법을 통해 고강도강재에서의 잔류응력의 크기를 측정한 실험 결과, 얻은 결론은?	(1) 중심압축실험은 판의 세장비(비콤팩트와 세장단면)와 판단부의 지지조건(구속판요소, 비구속판요소, 구속과 비구속의 조합)을 변수로 수행되었다. HSA800 실험체 중 박스형단면 실험체와 H형단면의 세장실험체가 가력장치의 최대가력용량에 도달하여 국부좌굴 발생까지 가력하지 못하였음에도 불구하고 모든 HSA800 실험체가 현행 설계기준의 요구강도를 만족시킴을 확인할 수 있었다. (2) 편심압축실험은 HSA800 강재로 제작된 단주의 휨-압축 조합내력(곧, P-M 상관관계)를 평가하기 위해 수행되었다. 휨응력에 대해 비콤팩트 단면으로 설계된 HSA800단주 실험체는 현행 기준의 요구강도를 충분한 여유를 갖고 만족하였다. 비콤팩트 단면의 P-M 상관관계에서 축력이 낮을수록 휨강도에 대해 큰 마진을 보였고, 콤팩트단면의 P-M 상관관계까지도 만족시키는 결과를 나타내 었다. (3) 본 연구에서 HSA800 강재로 제작된 압축재와 휨-압축 재의 실험결과는 전체적으로 현행 설계기준의 관련 조항을 만족함을 보여주었다. 단, 본 연구에서는 실험체 제작 당시의 가용 판재 두께의 제한(최소 15mm) 및 가력용량(1000 ton)의 한계로 세장단면을 갖는 박스형 단주의 실험을 수행할 수 없었으므로 이를 보완하기 위한 후속의 실험 내지는 수치해석 연구가 수행될 필요가 있다. (4) 잔류응력 측정은 중심압축실험에 사용된 H형단면 실험체를 대상으로 비파괴법인 압입법으로 가력 이전에 수행되었다. HSA800의 잔류응력 크기가 SM490의 잔류응력 크기보다 유사하거나 일부 도리어 작게 계측되었다. 이는 항복강도와 잔류응력의 크기는 무관한 것으로 보고한 외국의 선행 연구와 합치하는 결과이다. 현행 휨재 설계기준에서 잔류응력의 크기를 일률적으로 강재 항복강도의 30%로 취하고 있는 조항과는 상치되는 것으로서 이 부분에 대한 좀 더 심도있는 후속연구가 필요하다.
	단주 중심압축실험과 편심압축실험의 주 목적은 무엇인가?	단주 중심압축실험과 편심압축실험의 주 목적은 고강도강재 플레이트의 좌굴내력을 평가하고 현행 설계기준에 따라 압축 재로 설계가능한지 여부를 판단하는 것이다. 중심압축실험에서는 판폭두께비와 판의 단부지지조건에 따라 고강도강재와 일반강재의 국부좌굴 거동이 상이한지 알아보기 위하여, 현행 기준(KBC2009, AISC2005)에 따라 두 강종의 실험체를 설계한 후 비교평가하였다.
	최근 국내외 건축물의 부재에 높은 축력과 휨모멘트가 요구되는 까닭은?	최근 국내외 건축물은 초고층화 및 장스팬화 경향으로 부재에 높은 축력과 휨모멘트가 요구되고 있다. 이에 대한 경제적 설계의 방안으로 고강도강재에 대한 이용7)수요가 높아지고 있다.

참고문헌 (12)

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김종락 등(2011) 800MPa 고강도강 설계기준제정연구, 연구보고서, 한국강구조학회.
이윤희, 지원재, 손동일, 장재일, 권동일(2002) 응력 상호작용과 연속압입기법을 이용한 SS400 강봉의 굽힘 잔류응력 평가, 대한금속？재료학회지, 대한금속？재료학회, 제40권, 제10호, pp. 1042-1047.
지식경제부 기술표준원(2008) 금속 재료 인장 시험 방법 (KS B 0802:2003), 산업표준심의회 기계기본요소부회.
AISC (2005) Specification for Structural Steel Buildings, American Institute of Steel Construction, Inc., Chicago, Illinois, USA.
ASTM E384-11 (2011) Standard Test Method for Knoop and Vickers Hardness of Materials, American Society for Testing and Materials, West Conshohocken, Pennsylvania, USA.
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Nishino, F., Ueda, Y., and Tall, L. (1966) Experimental Investigation of the Buckling of Plates with Residual Stress, Fritz Engineering Laboratory Report No. 290.3, Lehigh Univalsity, Bethlehem, Pennsylvania, USA.
Ramussen, K.J.R. and Hancock, G.J. (1992) Plate Slenderness Limits for High Strength Steel Sections, Journal of Constructional Steel Research, Elsevier, Vol. 23, Issues 1-3, pp. 73-96.

상세보기
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상세보기
Usami, T. and Fukumoto, Y. (1982) Local and Overall Buckling of Welded Box Columns, Journal of the Structural Divisions, ASCE, Vol. 108, No. 3, pp. 525-542.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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