철근 콘크리트 구조에서 철근의 이음은 불가피하게 사용된다. 최근 들어 철근 콘크리트 구조물에 가장 많이 사용되고 있는 철근 이음에는 겹침 이음, 기계 이음, 그리고 용접 접합 등이 있다. 이중에서 저비용, 건설 현장에서의 실용성, 공사 기간 단축 및 고성능 등의 장점으로 인하여 가스 압접 이음의 효용성이 대두되고 있다. 그러나 가스 압접 이음 과정동안 철근이 열을 받게 되고 이는 접합부 주위에 잔류 응력으로 남아 철근의 피로수명에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 가스 압접 접합부의 명확한 잔류 응력 분석과 가스 압접 후 철근의 하중지지 능력을 확인하기 위한 인장 시험이 수행되어야 한다. 이 연구에서는 공용중인 철근(KS D3504 SD400)에 대하여 3차원 해석을 수행하여 연구 결과 잔류 응력은 상대적으로 작기 때문에 철근의 피로 수명에 영향을 미치지 않으며 인장 실험 결과에서도 가스 압접된 철근의 항복강도가 기준항복강도보다 높게 측정되어 하중 저항 능력도 가스 압접 이음부가 연속된 철근으로서의 거동에 충분히 그 성능을 발휘하는 것으로 나타났다.
철근 콘크리트 구조에서 철근의 이음은 불가피하게 사용된다. 최근 들어 철근 콘크리트 구조물에 가장 많이 사용되고 있는 철근 이음에는 겹침 이음, 기계 이음, 그리고 용접 접합 등이 있다. 이중에서 저비용, 건설 현장에서의 실용성, 공사 기간 단축 및 고성능 등의 장점으로 인하여 가스 압접 이음의 효용성이 대두되고 있다. 그러나 가스 압접 이음 과정동안 철근이 열을 받게 되고 이는 접합부 주위에 잔류 응력으로 남아 철근의 피로수명에 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 가스 압접 접합부의 명확한 잔류 응력 분석과 가스 압접 후 철근의 하중지지 능력을 확인하기 위한 인장 시험이 수행되어야 한다. 이 연구에서는 공용중인 철근(KS D3504 SD400)에 대하여 3차원 해석을 수행하여 연구 결과 잔류 응력은 상대적으로 작기 때문에 철근의 피로 수명에 영향을 미치지 않으며 인장 실험 결과에서도 가스 압접된 철근의 항복강도가 기준항복강도보다 높게 측정되어 하중 저항 능력도 가스 압접 이음부가 연속된 철근으로서의 거동에 충분히 그 성능을 발휘하는 것으로 나타났다.
Reinforcing bar splices are inevitable in reinforced concrete structure. In these days, there are three main types of splices used in reinforced concrete construction site - lapped splice, mechanical splice and welded splice. Low cost, practicality in construction site, less time consuming and high ...
Reinforcing bar splices are inevitable in reinforced concrete structure. In these days, there are three main types of splices used in reinforced concrete construction site - lapped splice, mechanical splice and welded splice. Low cost, practicality in construction site, less time consuming and high performance make gas pressure welding become a favorable splice method. However, reinforcing bar splice experiences thermal loading history during the welding procedure. This may lead to the presence of residual stress in the vicinity of the splice which affects the fatigue life of the reinforcing bar. Therefore, residual stress analysis and tensile test of the gas pressure welded splice are carried out in order to verify the load bearing capacity of the gas pressure welded splice. The reinforcing bar used in this work is SD400, which is manufactured in accordance with KS D 3504. The results show that the residual stresses in welded splice is relatively small, thus not affecting the performance of the reinforcing bar. Moreover, the strength of the gas pressure welded splice is high enough for the development of yielding in the bar. As such, the reinforcing bar with gas pressure welded splice has enough capacity to behave as continuous bar.
Reinforcing bar splices are inevitable in reinforced concrete structure. In these days, there are three main types of splices used in reinforced concrete construction site - lapped splice, mechanical splice and welded splice. Low cost, practicality in construction site, less time consuming and high performance make gas pressure welding become a favorable splice method. However, reinforcing bar splice experiences thermal loading history during the welding procedure. This may lead to the presence of residual stress in the vicinity of the splice which affects the fatigue life of the reinforcing bar. Therefore, residual stress analysis and tensile test of the gas pressure welded splice are carried out in order to verify the load bearing capacity of the gas pressure welded splice. The reinforcing bar used in this work is SD400, which is manufactured in accordance with KS D 3504. The results show that the residual stresses in welded splice is relatively small, thus not affecting the performance of the reinforcing bar. Moreover, the strength of the gas pressure welded splice is high enough for the development of yielding in the bar. As such, the reinforcing bar with gas pressure welded splice has enough capacity to behave as continuous bar.
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문제 정의
가스 압접된 철근의 경우 이러한 잔류응력에 대한 연구는 미미하다. 따라서 이 연구에서는 3차원 열탄소성 해석을 수행하여 가스 압접된 철근 접합부의 잔류응력과 대변형 변위 분석을 수행하고 철근의 인장강도실험을 통하여 가스 압접된 철근이음부의 역학적 거동을 평가하였다.
이 연구에서는 가스압접으로 접합된 철근의 역학적 거동 특성을 파악하기 위하여 잔류응력 해석을 수행하였다. 또한 가스압접된 철근 접합부의 하중저항 능력을 인장시험을 통하여 확인하였다.
제안 방법
가스 압접 전·후의 철근의 하중 저항 능력을 비교하기 위해 용접된 철근과 용접되지 않은 철근에 대하여 인장실험을 수행하였다.
가스압접 시 철근에 발생하는 잔류응력을 Fig. 5와 같이 철근의 축방향, 반경 방향, 그리고 원주방향에 대해서 해석하였다. 직경이 16mm인 철근에 대하여 각 방향의 잔류응력 중에서 철근의 중심으로 부터 거리가 직경의 0.
2에 나타내었다. 가스압접 시 철근에 열과 압축력(10 MPa)을 동시에 가하였으며, 열전달해석과 온도에 의존하는 철근의 재료 물성치에 따른 잔류응력 해석을 수행하였다. 열 해석에 있어서 용접 시 가해지는 열은 접합부 주위의 외측 표면에 적용된다.
2 참조) 그리고 잔류응력 해석은 이전 단계의 온도해석으로 부터 생성된 절점 온도를 온도하중으로 사용하였다. 가스압접 시 철근의 정확한 잔류응력 현상을 이해하기 위하여 온도에 따른 철근의 축방향, 반경방향, 원주방향의 응력을 해석하였다.
열 해석에 있어서 용접 시 가해지는 열은 접합부 주위의 외측 표면에 적용된다. 그리고 가열되는 표면의 길이는 철근 직경의 0.8배이며(Fig 1. 참조), 가열온도는 실제 가스압접시의 온도인 1,200℃에서 1,300℃로 정하였다. 용접면의 경계조건은 x방향의 변위는 고정이며, y방향과 z방향은 회전을 방지하기 위해 두개의 노드를 고정하였다.
온도 영역은 응력장에 큰 영향을 미치지만 응력장은 온도 이력에 미미한 영향을 주므로 순차적인 연계해석이 이용된다. 따라서 이 연구에서는 열 해석에서 응력 해석으로 순차적으로 연계된 3차원 열탄소성 유한요소 해석을 수행하여 가스 압접된 철근의 잔류응력을 모사하였다.
이 연구에서는 가스압접으로 접합된 철근의 역학적 거동 특성을 파악하기 위하여 잔류응력 해석을 수행하였다. 또한 가스압접된 철근 접합부의 하중저항 능력을 인장시험을 통하여 확인하였다. 연구 수행 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
탄성 변형률 증분은 후크의 법칙을 이용하여 구하였으며, 열 변형률 증분은 선팽창 계수를 이용하여 계산하였다. 소성 변형률 증분 계산을 위해서 미세스 항복 이론 및 온도 의존성을 가지는 기계적 제성질과 선형 변형률 경화를 이용하여 구성식을 마련하였다. 응력-변형률 관계식은 증분형으로 다음 식처럼 쓸 수 있다.
열전달 해석으로부터 계산된 온도이력을 온도하중으로 도입하여 탄소성 유한요소 해석을 수행하여 잔류응력을 구하였다. 이 연구에서 3차원 해석시 요소의 변위-변형률 관계는 다음과 같이 대변형을 포함하여 표현하였다(Lee et al.
참조), 가열온도는 실제 가스압접시의 온도인 1,200℃에서 1,300℃로 정하였다. 용접면의 경계조건은 x방향의 변위는 고정이며, y방향과 z방향은 회전을 방지하기 위해 두개의 노드를 고정하였다. 반대쪽 표면은 10Mpa의 압력으로 가압하였다.
1배 이상일 것이라는 네 가지의 가스 압접의 요구 조건을 충족 시켜야 한다. 철근 중심으로부터 철근 직경의 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 그리고 0.5배의 거리에서의 변위를 철근 길이에 따라 정리하였다. Fig.
대상 데이터
본 연구에서 사용된 철근은 직경이 16mm 부터 51mm 까지 11개의 크기를 선택하였다. 해석모델은 Fig.
가스 압접 전·후의 철근의 하중 저항 능력을 비교하기 위해 용접된 철근과 용접되지 않은 철근에 대하여 인장실험을 수행하였다. 실험에 사용된 철근은 D25와 D32 철근을 이용하였다. Fig.
해석 시 사용된 재료는 KS 기준을 따르는 철근(KS D3504 SD400)이며 이 재료의 물리정수 및 기계적 제성질의 온도 의존성을 Fig. 4에 나타내었다. 팽창계수는 α = 1.
이론/모형
탄성 변형률 증분은 후크의 법칙을 이용하여 구하였으며, 열 변형률 증분은 선팽창 계수를 이용하여 계산하였다. 소성 변형률 증분 계산을 위해서 미세스 항복 이론 및 온도 의존성을 가지는 기계적 제성질과 선형 변형률 경화를 이용하여 구성식을 마련하였다.
성능/효과
(1) 잔류응력 해석 결과에 따르면 온도구배와 가열시간에 따라 각 직경마다 잔류응력의 크기가 약간씩 다르게 나타났지만 최대 잔류응력의 크기는 3MPa 보다 작게 나타났다. 축방향에 대한 잔류응력은 내측에서 인장 잔류응력, 외측에서 압축 잔류응력을 보이고 있으며, 반경 방향과 원주 방향의 잔류 응력 특성은 축방향 잔류응력 현상과 비교하여 크게 다르지 않았고 용접부에 인접한 곳은 높은 온도로 인하여 인장 잔류응력이 발생하였고 용접부에서 떨어진 곳에서는 힘의 평형에 의하여 압축 잔류응력이 발생하였다.
(2) 잔류변형 해석의 결과를 살펴보면 결과를 보면 축방향 및 반경 방향의 변위 모두 열하중의 영향으로 인하여 접합부에서 크게 발생하였다. 따라서 철근의 수축 또한 접합부에 가까운 가열 영역에서 발생하였다.
(3) 가스 압접된 철근의 인장 실험 결과에서는 철근의 극한응력과 항복응력 모두 용접 후 약간 감소하였으나 기준항복응력인 400MPa보다는 높은 값을 가지는 것으로 나타났다. 따라서 가스 압접된 철근의 하중 저항 능력은 가스 압접이음부가 연속된 철근으로서 거동하는데 문제가 없도록 충분히 그 성능을 발휘하는 것으로 나타났다.
(3) 가스 압접된 철근의 인장 실험 결과에서는 철근의 극한응력과 항복응력 모두 용접 후 약간 감소하였으나 기준항복응력인 400MPa보다는 높은 값을 가지는 것으로 나타났다. 따라서 가스 압접된 철근의 하중 저항 능력은 가스 압접이음부가 연속된 철근으로서 거동하는데 문제가 없도록 충분히 그 성능을 발휘하는 것으로 나타났다.
2에 정리하였다. 인장 실험 결과를 살펴보면 철근의 극한응력과 항복응력 모두 용접 후 감소하였으나 사용된 철근의 기준항복응력인 400MPa보다는 여전히 높은 값을 가지고 있으므로 소요강도 확보에는 문제가 없는 것으로 나타났다.
8에 나타내었다. 잔류응력 해석 결과에 따르면 온도구배와 가열시간에 따라 각 직경마다 잔류응력의 크기가 약간씩 다르게 나타났으나 최대 잔류응력의 크기는 3MPa 보다 작게 나타났다. 용접부 인근에서 축 방향에 대한 잔류응력은 내측에서 인장 잔류응력, 외측에서 압축 잔류응력을 보임을 알 수 있다.
(1) 잔류응력 해석 결과에 따르면 온도구배와 가열시간에 따라 각 직경마다 잔류응력의 크기가 약간씩 다르게 나타났지만 최대 잔류응력의 크기는 3MPa 보다 작게 나타났다. 축방향에 대한 잔류응력은 내측에서 인장 잔류응력, 외측에서 압축 잔류응력을 보이고 있으며, 반경 방향과 원주 방향의 잔류 응력 특성은 축방향 잔류응력 현상과 비교하여 크게 다르지 않았고 용접부에 인접한 곳은 높은 온도로 인하여 인장 잔류응력이 발생하였고 용접부에서 떨어진 곳에서는 힘의 평형에 의하여 압축 잔류응력이 발생하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
유한요소법이 잔류응력의 크기 및 분포 특성 그리고 생성 메카니즘을 규명하는데 많이 사용된 이유는 무엇인가?
철근의 가스압접 및 용접이음 시에는 필연적으로 잔류응력이 발생하게 된다. 이러한 잔류응력은 구조물의 거동에 악영향을 미칠 수 있는데, 특히 용접부 인근에 발생하는 인장 잔류응력은 응력집중, 피로손상 및 취성파괴 등을 야기 시킬 수 있으므로 (Withers, 2007) 잔류응력의 거동을 파악하는 것은 대단히 중요하지만 용접 공정 중에 수반되는 국부 가열, 조직 변화 등과 같은 복잡성으로 인해 용접부의 잔류응력을 정확하기 예측하기는 매우 힘들다. 따라서 유한요소법과 같은 수치해석 방법이 잔류응력의 크기 및 분포 특성 그리고 생성 메카니즘을 규명하는데 많이 사용되어 왔다 (Goldaket al.
철근콘크리트 구조물의 특징은 무엇인가?
철근콘크리트 구조물은 공학적인 면과 경제적인 면에서 많은 장점을 가진 건설재료로서 (Jack et al. 1993) 최근에는 국내외적으로 사장교 및 현수교 등의 장경간 교량과 초고층 건축물의 건설이 지속적으로 이루어지고 있고 이에 따라 고강도 콘크리트 및 고강도 철근과 대직경 철근의 사용이 보편화되고 있다. 그리고 철근의 배근방법과 배근량 등이 구조물의 안전성과 시공성, 경제성에 큰 영향을 미치고 있는데 공용중인 철근은 길이가 한정되어 이음이 필수적으로 필요하며 철근이 음의 종류로는 겹침 이음, 기계 이음, 용접 접합이 대표적이다.
겹침 이음의 단점은 무엇인가?
그리고 철근의 배근방법과 배근량 등이 구조물의 안전성과 시공성, 경제성에 큰 영향을 미치고 있는데 공용중인 철근은 길이가 한정되어 이음이 필수적으로 필요하며 철근이 음의 종류로는 겹침 이음, 기계 이음, 용접 접합이 대표적이다. 겹침 이음은 철근지름이 커질수록 겹침 부분의 철근량이많아져 보와 기둥의 접합부는 철근배근이 매우 복잡하여 시공이 어렵고 경제성이 떨어진다. 용접이음은 현장작업과 수직 방향 철근의 이음이 불편하며 기계적 이음은 시공 단가가 비싸다는 단점이 있다.
참고문헌 (11)
Cho, B.H., Yoon, Y.H., Yang, J.S., Park, B.K., Yang, Y.S. (1995). "An experimental study on the mechanical properties of gas pressure welded joints of deformed reinforcing steel bars." Proceedings of the Architectural Institute of Korea, Vol. 15, No. 2, pp.643-650
Deng, D., Liang, W. and Murakawa, H. (2007). "Determination of welding deformation in fillet-welded joint by means of numerical simulation and comparison with experimental measurements." Journal of Materials Processing Technology, Vol. 183, pp.219-225.
Goldak, J. and Akhlagi, M. Computational welding mechanics, Springer, 2005.
Jack C. McCormac and James K. Nelson. Design of reinforced concrete ACI 318-05 Code Edition, 7thed., HarperCollinsCollegePublishers, 1993
Kang, K.W., Lee, J.S., Choi. L., Kim, J.K. (1999). "The behavior of fatigue crack growth in welded rail by gas pressure welding." Proceedings of the Korean Society of Mechanical Engineers, pp.697-702
Kim, K.S. (2012). "An Experimental Study on Strength Safety of Rail Steel using Gas Pressure Welding." Journal of the Korean society for railway, Vol. 15, No. 3, pp.266-271.
Lee, C. H. and Chang, K. H. (2007). "Numerical analysis of residual stresses in welds of similar or dissimilar steel weldments under superimposed tensile loads." Computational Material Science, Vol. 40, pp. 548-556
Lindgren, L-E. (2001). "Finite element modelling and simulation of welding, Part 2 Improved material modeling." Journal of Thermal Stresses, Vol. 24, pp.195-231.
Seo, D.S., Song, K.J., Hwang, K.T., You, B.T. (2005). "The developing direction of korean gas pressure welding machine." The Korea Institute of Building Construction, Vol. 5, No. 3, pp.131-138
Withers, P.J. (2007). "Residual stress and its role in failure." Reports on Progress in Physics, Vol. 70, pp. 2211-2264.
Jeon, J. T., Lee, C. H., Chang, K.H. (2015). "Behavior of girth-welded buried steel pipes under external pressure" Journal of The Korean Society of Disaster Information, Vol. 11, No. 1 pp.1-8
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