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문제 정의
- 이와 같이 건축물 내부의 화재 위험성과 화재 규모는 점차 증대하고 있으나, 고강도 강재의 화재 시 구조적 거동을 평가하기 위한 기초적인 자료의 부족은 구조물 안전성 평가를 위해서 반드시 해결되어야 할 부분이라 판단된다(1). 따라서 본 연구에서는 고강도 강재의 화재 시 구조적 내력을 평가할 수 있는 고온 시 기계적 특성과 열적 특성을 실험을 통하여 도출하고, 그 결과를 일반 구조용 강재와 비교 평가함으로써 그 안전성을 평가하고자 한다.
- 따라서 본 연구에서는 일반 구조용 강재의 고온특성 연구와 같은 시기에 수행된 인장강도 520 MPa와 570 MPa인 고강도 강재를 대상으로 상온에서 각 고온영역의 항복 강도, 인장강도 그리고 탄성계수 및 열전도율과 열팽창계수의 열특성치를 평가하고, 이를 일반 구조용 강재인 SS 400과 비교분석함으로써 고강도 구조용 강재의 고온 시 구조내력 성능을 평가하고자 한다.
제안 방법
- (1) 고강도 구조용 강재의 고온 시 항복강도(0.2 % 옵 내력, 1.0 % 옵 내력)과 탄성계수 등을 도출하였고, 온도변화에 따른 실험식을 제시하였다.
- (2) 고강도 구조용 강재의 고온 시 열전도율과 열팽창계수를 측정하여 그 결과를 제시하였다.
- 고강도 구조용 강재(SM 520, SM 570)의 고온 시 기계적 특성과 열적 특성을 도출하고, 일반구조용 강재(SS 400)의 고온 특성과 비교, 분석한 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 고온인장시험에 대한 시험계획은 Table 2와 같고, 항복점까지는 응력제어, 그리고 항복점이후에는 변위제어를 실시하였다(Table 3).
- 고온 특성을 평가하기 위한 시편 제작은 각 강종의 원소재 끝부분에서 최소 10 cm 이격된 곳에서 채취하였으며, 열 영향부을 최소화하기 위해서 각 시편은 최소 5 cm 이상 거리를 확보하였다. 또한 시편의 채취는 압연방향으로 하였다.
- 온도상승에 의한 고온 시 내력저하특성을 평가하기 위한 고온인장시험은 KS D 0026(철강재료 및 내열합금의 고온인장시험방법)을 적용하였으며, 상온과 동일한 항목을 측정하였다. 항복점이 나타나지 않는 부분은 영구변형율을 적용한 0.2 % 옵셑 으로 평가하였으며, 소성 시 구조물의 붕괴를 예측할 때 적용될 수 있는 1 % 옵셑 으로 유효내력을 평가하였다.
대상 데이터
- 고온 특성을 평가하기 위한 시편 제작은 각 강종의 원소재 끝부분에서 최소 10 cm 이격된 곳에서 채취하였으며, 열 영향부을 최소화하기 위해서 각 시편은 최소 5 cm 이상 거리를 확보하였다. 또한 시편의 채취는 압연방향으로 하였다.
- 고온인장시험에 사용된 기기는 만능시험기 100톤 UTM과 이에 부착되어 900 oC까지 승온이 가능한 고온챔버를 사용하였다(Figure 1).
- 열전도률 시편은 지름 10 mm, 두께 1~1.2 mm의 원형판형태이고, 평행도는 0.01 mm 정도를 유지시켰다. 열전도률의 측정은 상온에서 1500 oC의 온도범위까지 0.
- 01 mm 정도를 유지시켰다. 열전도률의 측정은 상온에서 1500 oC의 온도범위까지 0.1~400 W/mK 범위를 측정할 수 있는 Sinku-Riko사의 TC 7000를 사용하였다. 본 열전도률은 밀도를 알고 있는 시편의 열확산계수 및 비열을 Laser Flash법에 의해 직접 측정한 뒤 k=α · ρ · Cp에 의해서 계산하였다(여기서, k=열전도율, α=열확산계수, ρ=밀도, Cp=비열).
이론/모형
- 본 열전도률은 밀도를 알고 있는 시편의 열확산계수 및 비열을 Laser Flash법에 의해 직접 측정한 뒤 k=α · ρ · Cp에 의해서 계산하였다(여기서, k=열전도율, α=열확산계수, ρ=밀도, Cp=비열).
- 상온 인장시험은 KS D 0802(금속재료의 인장시험방법)에 의해서 수행되었으며, 항복점, 인장강도, 탄성계수 및 연신율 등을 측정하였다. 온도상승에 의한 고온 시 내력저하특성을 평가하기 위한 고온인장시험은 KS D 0026(철강재료 및 내열합금의 고온인장시험방법)을 적용하였으며, 상온과 동일한 항목을 측정하였다.
- 열팽창의 측정은 High Temperature Dilatometer를 이용하였으며, 결과는 Figure 10과 같다.
- 상온 인장시험은 KS D 0802(금속재료의 인장시험방법)에 의해서 수행되었으며, 항복점, 인장강도, 탄성계수 및 연신율 등을 측정하였다. 온도상승에 의한 고온 시 내력저하특성을 평가하기 위한 고온인장시험은 KS D 0026(철강재료 및 내열합금의 고온인장시험방법)을 적용하였으며, 상온과 동일한 항목을 측정하였다. 항복점이 나타나지 않는 부분은 영구변형율을 적용한 0.
성능/효과
- (3) 고강도 구조용 강재의 고온 시 기계적 특성과 일반 구조용 강재의 기계적 특성을 비교분석한 결과, 고강도 강재의 항복강도는 300~700 oC 구간에서 감소하였고, 탄성계수는 전 온도구간에서 유사한 감소특성을 보였다. 따라서 고강도 강재를 적용한 부재와 가구는 고온으로 진행될 수록 급격한 항복강도의 감소를 인한 구조물 내력의 감소가 상대적인 크게 나타날 것으로 판단되었다.
- (4) 고강도 구조용 강재의 열전도율, 열팽창률을 일반 구조용 강재와 비교분석한 결과, 고강도 강재가 낮은 열전도율을 보였고, 열팽창율은 SM 570강재가 다소 높은 열팽창률을 나타내었다. 따라서 SM 570강재의 경우, 고온화될 수록 열팽창에 의한 2차 응력의 발생 가능성이 높은 것으로 판단되었다.
- 700 oC 이후구간에서는 고강도강과 일반강 모두 유사한 경향을 보였다. 따라서 300~700 oC 구간에서는 고강도 강재의 항복강도 저감에 따른 내력저하가 클 것으로 판단되었다.
- C 구간에서 감소하였고, 탄성계수는 전 온도구간에서 유사한 감소특성을 보였다. 따라서 고강도 강재를 적용한 부재와 가구는 고온으로 진행될 수록 급격한 항복강도의 감소를 인한 구조물 내력의 감소가 상대적인 크게 나타날 것으로 판단되었다.
- C 구간에서 상대적으로 완만한 감소를 나타내는 것 이외에는 세 가지 강재 모두 전구간의 온도범위에서 유사한 감소 경향을 보였다. 따라서 고강도화될수록 온도증가에 따른 강성변화는 일반 구조용 강재와 거의 동일한 수준으로 감소될 것으로 판단되었다.
- 본 결과를 유러코드와 비교한 결과, 800 oC까지 감소하는 경향은 동일하나 본 실험값이 다소 낮게 나타났다.
- 열팽창률의 비교결과는 Figure 15와 같다. 본 실험결과를 유러코드의 값과 비교한 결과, 전반적으로 증가하는 경향을 동일하나, 700 oC 구간까지 본 실험값이 다소 높은 것으로 나타났다.
- 본 실험식을 유러코드와 비교하였을 때, 전반적으로 유사한 감소 결과를 보이고 있으나, 항복강도의 경우 600 oC까지 높은 저감율을 보였다. 탄성계수는 유러코드와 비스한 감소경향을 보이고 있으나 유러코드값이 보다 안전측으로 나타났다.
- 본 실험식을 유러코드와 비교하였을 때, 항복강도의 경우 400~700 oC까지 유러코드가 보수적으로 나타났고, 탄성계수는 700 oC까지 유러코드값이 안전측으로 나타났다.
- 열전도률 시험결과, 상변태 온도인 700 oC 주변을 제외하고는 SM 570강재가 SM 520강재보다 약 2~3 W/mK 정도 높게 나타났다.
- 고온 시 열팽창은 SM 570강재가 더 많이 발생되는 것으로 나타났다. 특히 저온구간에서 더 많은 열팽창이 나타나는 것으로 나타났으며, 상변태 온도인 700 oC부터는 감소 후 증가하는 경향을 보였다.
후속연구
- 고강도 구조용 강재의 고온 시 기계적 특성과 열적 특성을 일반 구조용 강재(SS 400)과 비교분석을 함으로써 화재와 같은 고열조건에서 고강도 구조용 강재의 상대적 구조적 거동을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.
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