건축구조용 고성능 강재 HSA800의 효율적 사용을 위한 초고층 건물의 적용성 평가 Evaluation of Applicability on a High-rise Building for the Effective Usage of High Performance Steel for Building Structures원문보기
최근 건축물의 초고층화, 대형화 및 장경간화에 따른 요구 성능의 증대에 따라 강재 및 콘크리트 등의 구조재료가 지니는 재료강도 및 사용성 등을 향상시키고자 하는 노력이 지속적으로 이루어지고 있다. 본 연구에서는 개발된 건축구조용 고성능 강재의 기계적, 화학적 소재 특성을 평가하고, 실제 Project를 대상으로 대안설계를 수행하여 고강도 강재의 경제성을 평가하였다. HSA800은 고강도와 좋은 용접성을 갖추기 위해 TMCP 방식으로 제조되었으며, 기계적, 화학적 성질 모두 KS규격을 만족하였다. 또한 HSA800의 고층건물의 적용성 및 경제성 평가를 위해 SM490강재 모델과 사용성에 초점을 두고 비교 평가를 수행하였다. 그 결과 SM490대비 약 30% 물량절감이 가능하였다. HSA800의 사용은 추후 건축구조의 제작, 시공 뿐만아니라 공사비 절감에도 기여할 것으로 기대되어진다.
최근 건축물의 초고층화, 대형화 및 장경간화에 따른 요구 성능의 증대에 따라 강재 및 콘크리트 등의 구조재료가 지니는 재료강도 및 사용성 등을 향상시키고자 하는 노력이 지속적으로 이루어지고 있다. 본 연구에서는 개발된 건축구조용 고성능 강재의 기계적, 화학적 소재 특성을 평가하고, 실제 Project를 대상으로 대안설계를 수행하여 고강도 강재의 경제성을 평가하였다. HSA800은 고강도와 좋은 용접성을 갖추기 위해 TMCP 방식으로 제조되었으며, 기계적, 화학적 성질 모두 KS규격을 만족하였다. 또한 HSA800의 고층건물의 적용성 및 경제성 평가를 위해 SM490강재 모델과 사용성에 초점을 두고 비교 평가를 수행하였다. 그 결과 SM490대비 약 30% 물량절감이 가능하였다. HSA800의 사용은 추후 건축구조의 제작, 시공 뿐만아니라 공사비 절감에도 기여할 것으로 기대되어진다.
As building height and span is getting taller and longer, the researches to increase material's strength and serviceability are continuously performed. This study evaluated mechanical and chemical properties of newly developed high-strength steel (HSS) for building structures, namely HSA800 and veri...
As building height and span is getting taller and longer, the researches to increase material's strength and serviceability are continuously performed. This study evaluated mechanical and chemical properties of newly developed high-strength steel (HSS) for building structures, namely HSA800 and verified cost-effectiveness and applicability of HSS for a tall building by comparing the analysis results of normal strength steel (SM490) model. HSA800 was manufactured by TMCP to have a good weldability in spite of HSS and satisfied Korean Industrial Standards (KS). The analysis results for evaluating cost-effectiveness show that total steel quantity could be saved approximately 30% when using HSS compared to SM490. It is expected that HSA800 will contribute to enhance constructability of building.
As building height and span is getting taller and longer, the researches to increase material's strength and serviceability are continuously performed. This study evaluated mechanical and chemical properties of newly developed high-strength steel (HSS) for building structures, namely HSA800 and verified cost-effectiveness and applicability of HSS for a tall building by comparing the analysis results of normal strength steel (SM490) model. HSA800 was manufactured by TMCP to have a good weldability in spite of HSS and satisfied Korean Industrial Standards (KS). The analysis results for evaluating cost-effectiveness show that total steel quantity could be saved approximately 30% when using HSS compared to SM490. It is expected that HSA800 will contribute to enhance constructability of building.
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문제 정의
지금까지 고강도 강재의 재료적 특징을 개발 단계부터 알아보았으며 건축구조용 고강도 강재가 어느 정도의 신뢰성을 가지고 KS규격을 만족하는지를 평가하였다. 또한 기존 일반강도 강재로 설계된 구조부재와 고강도 강재로 설계된 구조부재의 경제성을 비교함으로써 다양한 강도를 가진 강재의 효율적인 사용을 위한 초고층 실무적용에 대하여 검토하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
본 논문에서는 러시아 모스크바에서 건설 예정인 구조물로 그 중 오피스 동을 선정하여, 철골 구조로 설계할 경우 강도에 따른 구조물의 경제성을 비교하고자 한다. 초고층 구조물인 만큼 중력저항 시스템인 벨트 트러스 (Belt truss)와 횡력저항 시스템인 아웃리거 (Outrigger)가 적용되었다.
본 논문에서는 최근에 개발된 건축구조용 고성능강재인 HSA800의 재료적 특성의 신뢰도 및 이를 효율적 사용을 위하여 강도의 변화에 따른 실 구조물의 적용성과 경제성에 대해 살펴보고자 한다.
제안 방법
(1) 건축구조용 고강도 강재는 고강도이면서 항복비가 낮고 인성품질이 우수하며, 제조 공정이 간소하면서 용접성을 확보하기 위해 열처리 방식으로 TMCP 제조법을 적용하여 QT강 대비 원가 경쟁력을 확보하였다.
8에 나타내었다. 30T가 넘는 후판에 대해서는 두께별로 t/2, t/4 지점에 대해 총 12개의 성분(C, Si, Mn, P, S, Cr, Ni, Cu, Mo, Nb, V, B)을 분석하고 결과를 토대로 탄소당량(Ceq) 및 용접균열감수성조성(Pcm) 값을 도출한다.
. 강재 두께에 따라 4호/5호 인장시편을 제작하여 100톤 혹은 300톤 만능시험기를 이용하여 인장시험이 수행되었으며 인장시험편은 압연방향(L-dir) 혹은 압연수직방향(C-dir)에 대해 각각 3개씩 시편을 제작하는 것을 기본으로 하였다. 시제품의 후물재(60t, 80t, 100t)에 대해서는 두께방향에 따라 (t/4, t/2, 3t/4) 각각 시편을 3개씩 추가하였다.
고강도 강재 시험편의 화학 성분 분석을 통해 강재의 용접성에 큰 영향을 미치는 탄소당량(Ceq) 및 용접균열강수성조성(Pcm)을 계산하여 KS규격 만족여부를 평가하였다.
01% 정도로 감소시켰으며, Nb와 B 등의 경화능력 증대 합금을 활용하여 성분계를 도출하였다. 또한 불순물로 분류되는 P와 S의 양을 최소화함으로써 내부 청정도를 향상시켰다. 그 결과, 탄소당량 및 용접균열감수성조성의 KS규격인 0.
본 구조물에서 사용된 콘크리트 강도는 4개의 그룹핑(grouping)을 통하여 층마다 강도를 달리 적용하였고, 항복강도를 변수로 하여 두 가지 강종 - SM490TMC (Fy =325MPa)[16] & HSA800 (Fy = 650MPa)[3] - 을 적용한 구조해석 모델을 각각 모델링하여 MIDAS 구조해석 프로그램을 이용하여 기둥 부재를 설계하여 횡변위를 지표로 하여 사용성에 대하여 검토 분석하였다.
강재 두께에 따라 4호/5호 인장시편을 제작하여 100톤 혹은 300톤 만능시험기를 이용하여 인장시험이 수행되었으며 인장시험편은 압연방향(L-dir) 혹은 압연수직방향(C-dir)에 대해 각각 3개씩 시편을 제작하는 것을 기본으로 하였다. 시제품의 후물재(60t, 80t, 100t)에 대해서는 두께방향에 따라 (t/4, t/2, 3t/4) 각각 시편을 3개씩 추가하였다. 일반적인 인장시험 시험편 형상을 Fig.
10은 기준층 평면도와 측면도이고, 구조물에 적용된 고정하중과 활하중, 풍하중, 지진하중은 국내 기준에 근거하여 각각 Tables 2와 3에 도시하였다[14],[15]. 여기서 활하중은 칸막이 하중을 포함하며, 적재하중 저감 70%를 고려하여 부재를 설계하였다.
지금까지 고강도 강재의 재료적 특징을 개발 단계부터 알아보았으며 건축구조용 고강도 강재가 어느 정도의 신뢰성을 가지고 KS규격을 만족하는지를 평가하였다. 또한 기존 일반강도 강재로 설계된 구조부재와 고강도 강재로 설계된 구조부재의 경제성을 비교함으로써 다양한 강도를 가진 강재의 효율적인 사용을 위한 초고층 실무적용에 대하여 검토하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
대상 데이터
SM490TMC강재 모델은 부재사이즈를 아웃리거는 H-200×200×10×10, 벨트 트러스는 H-500×500×40×40으로 하였고, 고강도 강재는 아웃리거를 H-800×800×50×50, 벨트 트러스는 H-1200×1200×10×10으로 SM490TMC강재를 고강도강재보다 작게 선정하였다.
초고층 구조물인 만큼 중력저항 시스템인 벨트 트러스 (Belt truss)와 횡력저항 시스템인 아웃리거 (Outrigger)가 적용되었다. 구조물의 층고는 기준층 4.2m로 총 61층이며, 1/3과 2/3지점에 적용된 아웃리거 (Outrigger)와 벨트 트러스 (Belt truss)는 층고는 6.8m로 24층과 45층에 설치하였다.
이는 두 부재의 횡변위를 비슷한 조건에서 비교하기 위함이다. 또한 기둥의 부재는 90%이상의 응력을 받는 Built-up부재로 선정하였고 고층으로 갈수록 부재를 작게 하여 Table 5와 같이 정리하였다.
초고층건물 시스템인 아웃리거와 벨트 트러스는 SM490TMC 강재와 HSA800강재에 따라서 사이즈를 다르게 적용시켜 해석을 수행하였고 아웃리거와 벨트 트러스 시스템의 해석모델은 Fig. 11과 같다. SM490TMC강재 모델은 부재사이즈를 아웃리거는 H-200×200×10×10, 벨트 트러스는 H-500×500×40×40으로 하였고, 고강도 강재는 아웃리거를 H-800×800×50×50, 벨트 트러스는 H-1200×1200×10×10으로 SM490TMC강재를 고강도강재보다 작게 선정하였다.
데이터처리
각 시험 강재의 인장시험 결과는 Fig. 5에 보여진 것처럼 항복강도, 인장강도, 항복비, 연신율에 대하여 통계분석을 통하여 신뢰성 평가를 수행하였다. 인장강도에 대한 통계 데이터(Fig.
이론/모형
또한 종래 800MPa급 고강도강 생산을 위해 사용된 QT 제조방식은 생산공정 부하에 따른 제조 공기가 길어 주문 및 생산이 원활하지 못한 단점이 있었다. 따라서, HSA800 강재는 QT 방식이 아닌 TMCP 방식으로 제조되었다.
본 논문에서는 러시아 모스크바에서 건설 예정인 구조물로 그 중 오피스 동을 선정하여, 철골 구조로 설계할 경우 강도에 따른 구조물의 경제성을 비교하고자 한다. 초고층 구조물인 만큼 중력저항 시스템인 벨트 트러스 (Belt truss)와 횡력저항 시스템인 아웃리거 (Outrigger)가 적용되었다. 구조물의 층고는 기준층 4.
성능/효과
(2) 고강도 강재의 KS규격에 대한 기계적 성질 만족도(Acceptance)는 양산품의 경우 100% 만족하였다.
(3) 소재의 화학적 특징으로는 Mn, Nb, B 등의 경화능력 증대 합금을 활용하여 성분계를 도출하였으며 불순물로 분류는 P와 S의 양을 최소화함으로써 내부 청정도를 향상시켰다.
(4) 60층 규모의 구조물에 대한 실무적용성 평가 결과, 기둥 부재는 고강도 강재 적용시 항복강도의 증가비와 유사한 비율로 강재량이 감소하였고, 항복강도가 높아질수록 경제성이 높아지는 것으로 검토되었다.
HSA800은 합금원소 중에서 항복비 제어를 위해 Mn의 함량을 최대 2.55%로 증가시켰으며, 강도 확보를 위해 사용하던 V의 함량을 기존 0.04%에서 0.01% 정도로 감소시켰으며, Nb와 B 등의 경화능력 증대 합금을 활용하여 성분계를 도출하였다. 또한 불순물로 분류되는 P와 S의 양을 최소화함으로써 내부 청정도를 향상시켰다.
SM490TMC 모델이 HSA800강재 모델보다 주기가 미소하게 크게 나타났으며, SM490TMC강재의 1차 모드는 y방향으로 거동하며 2차 모드는 x방향, 3차 모드는 비틀림 모드이며, 그에 반에 HSA800강재의 1차 모드는 x방향, 2차 모드는 y방향, 3차 모드는 마찬가지로 비틀림 모드로 나타났다.
또한 불순물로 분류되는 P와 S의 양을 최소화함으로써 내부 청정도를 향상시켰다. 그 결과, 탄소당량 및 용접균열감수성조성의 KS규격인 0.60%이하 및 0.30%이하를 모두 만족하였으며 기계적 성질 또한 개선되는 결과를 얻을 수 있었다. 양산품(Final product)에 대한 5대 원소, 탄소당량 및 용접균열감수성조성 분석 결과를 Table 1에 나타내었다.
기둥의 철골 물량과 아웃리거와 벨트 트러스의 철골 물량을 산출한 결과를 Table 9와 10에 나타내었다. 기둥은 항복강도의 증가비와 유사한 비율로 강재량이 감소하였고 항복강도가 커질수록 경제성이 높아지는 것을 알 수 있다.
이를 살펴보면, 인장강도 최대점 이후 강도 저하가 급격히 발생하지 않는다는 것을 알 수 있다. 또한, 합금강 특성상 SM490과 달리 항복이후 항복참이 존재하지 않고 비선형 곡선으로 인장강도에 도달하는 것을 알 수 있다.
여기서 RM은 조압연(오스테나이트의 재결정제어), FM은 사상압연(오스테나이트의 pancake화)를 의미하며 ACC는 가속냉각(상변태에 의한 재질확보)을 나타낸다. 이를 보면 TMCP강재의 입자크기가 현저히 작고 치밀하다는 것을 알 수 있으며 40mm 이상의 후판에서도 강도 저감이 없고 탄소당량(Ceq)가 낮아 용접시 예열온도 저감이 가능하다.
7에 나타내었다. 이를 살펴보면 모든 시험 결과가 기계적 성질의 요구성능을 만족하는 것을 알 수 있다.
6에 나타내었다. 총 119개의 쿠폰시험편 중 약 10% 정도인 12개의 시험편만이 요구 성능을 만족하지 못하였으며 이중 약 40%가 100T 시험편에서 발생하였다. 이는 두꺼워진 두께로 인해 압연시 판재 중앙부위의 경도가 다소 떨어지기 때문이며 이러한 단점을 극복하기 위해 후판 슬래브 두께를 증가시킴으로서 불량률을 저감할 수 있었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
HSA800의 사용성은 SM490과 비교하여 어떤 이점이 있는가?
또한 HSA800의 고층건물의 적용성 및 경제성 평가를 위해 SM490강재 모델과 사용성에 초점을 두고 비교 평가를 수행하였다. 그 결과 SM490대비 약 30% 물량절감이 가능하였다. HSA800의 사용은 추후 건축구조의 제작, 시공 뿐만아니라 공사비 절감에도 기여할 것으로 기대되어진다.
강재에 대한 고강도화 및는 고성능화에 의한 장점은?
건축물이 초고층화 및 장스판화 됨에 따라 구조재료의 성능 증대에 대한 요구가 지속되고 있고, 이에 따라 현대 건축물에서 가장 널리 사용되는 구조 재료의 하나인 강재에 대한 고강도화 및는 고성능화가 활발하게 진행되고 있다. 고성능 강재를 건축물에 적용함으로써 구조부재의 콤팩트화, 부재 크기의 축소, 건축물의 자중감소 등의 구조적 측면의 장점과 더불어 부재 크기 감소에 의한 자재의 비용절감, 운송, 양중 및 유효 공간 확보 등의 여러 측면에서 다양한 이점이 있다.
HSA800의 특징은?
본 연구에서는 개발된 건축구조용 고성능 강재의 기계적, 화학적 소재 특성을 평가하고, 실제 Project를 대상으로 대안설계를 수행하여 고강도 강재의 경제성을 평가하였다. HSA800은 고강도와 좋은 용접성을 갖추기 위해 TMCP 방식으로 제조되었으며, 기계적, 화학적 성질 모두 KS규격을 만족하였다. 또한 HSA800의 고층건물의 적용성 및 경제성 평가를 위해 SM490강재 모델과 사용성에 초점을 두고 비교 평가를 수행하였다.
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