본 연구에서는 시험기준에 따른 차이를 해소하기 위한 기초자료를 제시하기 위하여, 철근의 1축 인장 시험을 수행하고, 이에 대한 변형률 분포 및 넥킹구간에 대한 평가를 수행하였다. 기존의 계측방법이 갖는 제약사항 때문에 본 연구에서는 비교적 계측범위의 제한이 없고, 계측 구간의 구분이 수월한 이미지 프로세싱방법을 이용하여 넥킹구간의 변형률과 철근의 구간별 변형률을 상세하게 평가하였다. 마지막으로 본 연구를 통하여 얻어진 결과를 이용하여, 철근의 1축인장시험에서 한계상태변형률을 합리적으로 정의하기 위한 평가방법을 제시하고자 하였다. 철근의 극한거동 시 발생되는 넥킹구간에 대해서 평가한 결과, 넥킹구간의 길이에 대하여 철근의 직경과의 연관성을 분석할 수 있었으며, 이에 대한 상관식을 도출하였다. 본 연구를 통해서 철근의 표점구간 내 평균변형률 평가 시 넥킹구간의 변형률을 제외한 후 평가하는 것이 결과의 신뢰도가 가장 높게 나타남을 알 수 있었다. 또한 이미지 프로세싱 방법을 이용하여 철근의 변형률을 측정함으로써 기존 시험방법에서 재시험으로 규정하는 넥킹구간 위치가 표점구간의 바깥쪽에 위치한 경우에 대해서도 표점구간 내에 일부 존재하는 넥킹구간을 제외하는 것이 가능하여, 넥킹구간 발생 위치의 불확실성에 따른 실험의 불확실성을 해소할 수 있었다.
본 연구에서는 시험기준에 따른 차이를 해소하기 위한 기초자료를 제시하기 위하여, 철근의 1축 인장 시험을 수행하고, 이에 대한 변형률 분포 및 넥킹구간에 대한 평가를 수행하였다. 기존의 계측방법이 갖는 제약사항 때문에 본 연구에서는 비교적 계측범위의 제한이 없고, 계측 구간의 구분이 수월한 이미지 프로세싱방법을 이용하여 넥킹구간의 변형률과 철근의 구간별 변형률을 상세하게 평가하였다. 마지막으로 본 연구를 통하여 얻어진 결과를 이용하여, 철근의 1축인장시험에서 한계상태변형률을 합리적으로 정의하기 위한 평가방법을 제시하고자 하였다. 철근의 극한거동 시 발생되는 넥킹구간에 대해서 평가한 결과, 넥킹구간의 길이에 대하여 철근의 직경과의 연관성을 분석할 수 있었으며, 이에 대한 상관식을 도출하였다. 본 연구를 통해서 철근의 표점구간 내 평균변형률 평가 시 넥킹구간의 변형률을 제외한 후 평가하는 것이 결과의 신뢰도가 가장 높게 나타남을 알 수 있었다. 또한 이미지 프로세싱 방법을 이용하여 철근의 변형률을 측정함으로써 기존 시험방법에서 재시험으로 규정하는 넥킹구간 위치가 표점구간의 바깥쪽에 위치한 경우에 대해서도 표점구간 내에 일부 존재하는 넥킹구간을 제외하는 것이 가능하여, 넥킹구간 발생 위치의 불확실성에 따른 실험의 불확실성을 해소할 수 있었다.
This study conducted uniaxial tension tests on D10, D19, D29, and D35 SD400 steel-grade rebar and evaluated the strain distributions and necking regions to provide basic data for resolving differences between evaluation methods. Owing to the limitations of the existing measurement methods, this stud...
This study conducted uniaxial tension tests on D10, D19, D29, and D35 SD400 steel-grade rebar and evaluated the strain distributions and necking regions to provide basic data for resolving differences between evaluation methods. Owing to the limitations of the existing measurement methods, this study conducted detailed evaluations of the strain of the rebar and necking regions using image processing, which is almost limitless on the measurement range and can easily distinguish measurement regions. The strain was concentrated at the region where necking occurred when the rebar approached its ultimate strength, which was successfully confirmed through image processing. The correlation between the length of the necking region and the diameter of the rebar could be analyzed by evaluating the necking region that occurs during the ultimate behavior of the rebar. According to the results, the length of the necking region is around 1.5~2.5 times the diameter of the rebar.
This study conducted uniaxial tension tests on D10, D19, D29, and D35 SD400 steel-grade rebar and evaluated the strain distributions and necking regions to provide basic data for resolving differences between evaluation methods. Owing to the limitations of the existing measurement methods, this study conducted detailed evaluations of the strain of the rebar and necking regions using image processing, which is almost limitless on the measurement range and can easily distinguish measurement regions. The strain was concentrated at the region where necking occurred when the rebar approached its ultimate strength, which was successfully confirmed through image processing. The correlation between the length of the necking region and the diameter of the rebar could be analyzed by evaluating the necking region that occurs during the ultimate behavior of the rebar. According to the results, the length of the necking region is around 1.5~2.5 times the diameter of the rebar.
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문제 정의
또한 변형률게이지의 경우 측정범위가 최대 20% 정도이기 때문에 항복 이후의 변형률 측정에는 제한적일 수 밖에 없다. 기존의 계측방법이 갖는 제약사항 때문에 본 연구에서는 비교적 계측범위의 제한이 없고, 계측 구간의 구분이 수월한 이미지 프로세싱방법을 이용하여 넥킹구간의 변형률과 철근의 구간별 변형률을 상세하게 평가하고자 한다. 마지막으로 본 연구를 통하여 얻어진 결과를 이용하여, 철근의 1축인장시험에서 한계상태변형률을 합리적으로 정의하기 위한 평가방법을 제시하고자 한다.
넥킹구간 길이의 측정은 자 또는 버니어켈리퍼스를 이용하여 물리적으로 측정이 가능하나, 파단된 철근의 표면 상태 및 마디의 영향으로 넥킹구간의 시점과 종점을 객관적으로 규정하기에 어려움이 있다. 따라서 본 연구에서는 철근의 파단 시점에서의 변형률 분포를 이용하여 철근별 넥킹구간의 길이를 평가하였다. 변형률 분포는 동일한 하중에 대해서 각 지점의 단면변화를 반영한 결과물이다.
기존의 계측방법이 갖는 제한사항 때문에 본 연구에서는 비교적 계측범위의 제한이 없고 계측 구간의 구분이 수월한 이미지 프로세싱 방법을 이용하여 넥킹구간의 변형률과 철근의 구간별 변형률을 상세하게 평가하였다. 마지막으로 본 연구를 통하여 얻어진 결과를 이용하여, 철근의 1축인장시험에서 평균변형률을 합리적으로 정의하기 위한 목적으로 최소 변형률 구간에서의 응력-변형률 관계를 바탕으로 변형률을 평가하였다. 본 연구에서 얻어진 결론은 다음과 같다.
기존의 계측방법이 갖는 제약사항 때문에 본 연구에서는 비교적 계측범위의 제한이 없고, 계측 구간의 구분이 수월한 이미지 프로세싱방법을 이용하여 넥킹구간의 변형률과 철근의 구간별 변형률을 상세하게 평가하고자 한다. 마지막으로 본 연구를 통하여 얻어진 결과를 이용하여, 철근의 1축인장시험에서 한계상태변형률을 합리적으로 정의하기 위한 평가방법을 제시하고자 한다.
본 연구에서는 1축인장 상태에서의 철근의 극한거동과 변형률 분포 및 넥킹구간의 거동에 대한 평가를 위하여 인장시험을 수행하였다. 인장시험은 KS D 3504 기준에 따라 생산된 SD400의 D10, D19, D29와 D35 철근을 대상으로 하였다.
본 연구에서는 시험기준에 따른 차이를 해소하기 위한 기초자료를 제시하기 위하여, 철근의 1축 인장 시험을 수행하고, 이에 대한 변형률 분포 및 넥킹구간에 대한 적절한 평가를 수행하고자 한다. 기존의 변형률계를 이용한 표점구간 내의 평균변형률 평가방법은 철근의 변형률 분포를 파악하기에는 부적합하다.
이러한 필요성을 충족하기 위해서는, 먼저 철근의 변형률 분포 및 넥킹구간의 연관성에 대한 평가가 이루어져야 하며, 이에 대한 적절한 평가방법이 제시되어야 한다. 본 연구에서는 이에 대한 방법으로 등 간격으로 부착된 타겟을 촬영하여, 타겟들의 간격 변화량을 이미지 프로세싱을 이용하여 변형률로 환산하는 방법을 사용하고자 한다.
본 연구에서는 평가방법에 따른 차이를 해소하기 위한 기초자료를 제시하기 위하여, SD400 강종의 D10, D19, D29, D35 철근의 1축 인장 시험을 수행하고 이에 대한 변형률 분포 및 넥킹구간에 대한 평가를 수행하였다. 기존의 계측방법이 갖는 제한사항 때문에 본 연구에서는 비교적 계측범위의 제한이 없고 계측 구간의 구분이 수월한 이미지 프로세싱 방법을 이용하여 넥킹구간의 변형률과 철근의 구간별 변형률을 상세하게 평가하였다.
철근의 응력상태에 따른 종방향 변형률 분포 및 이에 대한 변화를 비교하기 위하여 본 연구에서 수행한 철근의 극한상태와 파단시의 종방향 변형률 분포를 비교하였다. Fig.
제안 방법
모든 시편의 표점거리 기준을 200 mm로 설정하였고, 표점거리의 기준점에서 인장그립까지의 여유거리는 철근 공칭직경의 1배로 하였다. 1축 인장상태에서의 철근의 변형률 계측은 철근 표면에 부착된 타겟을 이용한 이미지 프로세싱 방법을 활용하였다. 이미지 프로세싱 방법을 위한 타겟은 표점구간 내에 10 mm 간격으로 총 21개가 부착되었다.
인장시험은 1,000 kN 용량의 UTM을 이용하여 수행하였다. 가력방법은 ASTM에서 제시하는 바와 같이 응력증가 속도가 3~30 MPa/min의 속도를 유지하도록 하였다. 가력은 철근이 파단되는 시점까지 수행하였다.
13) 해당 방법은 먼저 인장시험 중 디지털 카메라를 이용하여 색상 타겟이 부착된 철근을 변형과정을 촬영한다. 그 다음 이미지 분석을 통하여 촬영된 영상을 이진영상으로 변환한 후, 촬영된 사진마다 타겟의 좌표값을 추출한 후, 변형량을 산출하고 변형률로 변환한다. 또한 철근뿐만 아니라 만능재료실험기(UTM)의 하중이 하중표시계를 통하여 영상 안에 표시되도록 하고, 영상처리 과정에서 영상 내에 촬영된 현재 하중 값을 광학문자인식 (Optical Character Recognition: OCR) 알고리즘을 이용하여 수치화한다.
본 연구에서는 평가방법에 따른 차이를 해소하기 위한 기초자료를 제시하기 위하여, SD400 강종의 D10, D19, D29, D35 철근의 1축 인장 시험을 수행하고 이에 대한 변형률 분포 및 넥킹구간에 대한 평가를 수행하였다. 기존의 계측방법이 갖는 제한사항 때문에 본 연구에서는 비교적 계측범위의 제한이 없고 계측 구간의 구분이 수월한 이미지 프로세싱 방법을 이용하여 넥킹구간의 변형률과 철근의 구간별 변형률을 상세하게 평가하였다. 마지막으로 본 연구를 통하여 얻어진 결과를 이용하여, 철근의 1축인장시험에서 평균변형률을 합리적으로 정의하기 위한 목적으로 최소 변형률 구간에서의 응력-변형률 관계를 바탕으로 변형률을 평가하였다.
따라서 철근의 변형률 평가 시에 넥킹구간을 제외하고 평균변형률을 산출한다면 넥킹발생의 불확실성에서 기인한 시험오차를 최소화할 수 있다는 것을 생각해볼 수 있다.따라서 본 절에서는 넥킹구간에 의한 철근 변형률의 불확실성을 비교하기 위하여 세 가지 방법을 사용한 철근의 응력변형률 곡선을 Fig. 11에 도시하고 이에 대한 한계상태변형률과 파단변형률을 비교하였다. 평가방법은 1)기존의 표점거리내의 평균변형률을 산출하는 방법(GL)과 2)넥킹 구간의 평균변형률을 산출하는 방법(NR), 그리고 3)전체 표점거리 내에서 넥킹 구간을 제외한 구간의 변형률을 산출하는 방법(Ex.
14) 인장시험은 ASTM A370 기준에 따라 수행되었다. 모든 시편의 표점거리 기준을 200 mm로 설정하였고, 표점거리의 기준점에서 인장그립까지의 여유거리는 철근 공칭직경의 1배로 하였다. 1축 인장상태에서의 철근의 변형률 계측은 철근 표면에 부착된 타겟을 이용한 이미지 프로세싱 방법을 활용하였다.
변형률 분포를 이용하여 산출한 넥킹구간은 파단 시 변형률분포에서 각 구간별 증가비를 그래프로 도시한 후 증가비가 작은 구간과 증가비가 큰 구간을 구분하고, 각 구간의 추세선의 교차점을 이용하여 산출하였다. 본 연구에서는 변형률 분포 그래프에서 각 구간별 추세선을 산출하고 추세의 변화가 생긴 구간을 넥킹구간으로 정의하였다.
본 연구에서 수행한 인장시험 결과를 이용하여 철근의 직경과 넥킹구간 길이의 상관관계를 분석하였다. 넥킹구간 길이의 측정은 자 또는 버니어켈리퍼스를 이용하여 물리적으로 측정이 가능하나, 파단된 철근의 표면 상태 및 마디의 영향으로 넥킹구간의 시점과 종점을 객관적으로 규정하기에 어려움이 있다.
이미지 프로세싱 방법을 위한 타겟은 표점구간 내에 10 mm 간격으로 총 21개가 부착되었다. 시험 중 로드셀에서 얻어진 현재 하중을 작은 모니터에 표시하여, 타겟의 변화뿐만 아니라 현재 하중값도 한 화면에 촬영되도록 하였다. 촬영영상에 현재 하중을 표시함으로써, 이미지 프로세싱으로 얻어진 변형률결과를 하중 및 응력결과와 보다 정확하게 비교가 가능하도록 하였다.
7은 D10, D19, D29, D35 철근의 응력-변형률 곡선을 나타낸 것이다. 시험체의 응력은 계측된 하중과 철근의 공칭단면적을 이용하여 산출하였다. 각 시험체의 응력-변형률곡선에서 평균값(average)은 전체 타겟 구간의 평균값을 의미하는 것으로 산술적으로 표점구간 내의 평균 변형률을 의미하게 된다.
12와 Table 5는 본 연구에서 시험한 전체 철근의 한계상태변형률과 파단변형률에 대해서 평가방법에 따라 평균값과 최댓값, 최솟값, 그리고 1 사분위와 3 사분위 값을 표시한 것이다. 이를 통하여 동일 강종의 철근에 대해서 평가방법에 따른 차이를 분석하였다. 앞서 설명한 바와 같이 한계상태 변형률의 경우에는 모든 평가방법이 분산이 적게 나타났다.
시험 중 로드셀에서 얻어진 현재 하중을 작은 모니터에 표시하여, 타겟의 변화뿐만 아니라 현재 하중값도 한 화면에 촬영되도록 하였다. 촬영영상에 현재 하중을 표시함으로써, 이미지 프로세싱으로 얻어진 변형률결과를 하중 및 응력결과와 보다 정확하게 비교가 가능하도록 하였다. 영상촬영은 SONY Alpha 7R 기종을 사용하였고, 해상도는 7360⨉4912 픽셀(36백만화소)로 촬영하였다.
11에 도시하고 이에 대한 한계상태변형률과 파단변형률을 비교하였다. 평가방법은 1)기존의 표점거리내의 평균변형률을 산출하는 방법(GL)과 2)넥킹 구간의 평균변형률을 산출하는 방법(NR), 그리고 3)전체 표점거리 내에서 넥킹 구간을 제외한 구간의 변형률을 산출하는 방법(Ex.NR)을 적용하였다. Table 4는 평가결과를 정량적으로 비교한 것이다.
이재훈 등(2011)3)은 철근의 연신율 평가기준 비교에 관한 실험적인 연구를 수행하였다. 해당 연구에서 ASTM, ISO, JIS, 그리고 KS 기준에 따라 직경 10~29 mm 의 철근에 대해서 인장실험을 실시하고, 각 기준별 연신율 및 시험성공률에 대한 평가를 수행하였다. 연구에 따르면, 철근의 연신율은 동일한 지름의 철근이라도 적용하는 기준의 시험방법에 따라 상이한 결과를 나타낼 수 있고, 또한 표점거리 내부에서 파단된 시험편의 연신율이 표점거리 외부에서 파단된 시험편보다 높은 연신율을 나타낸다는 연구결과를 발표하였다.
대상 데이터
촬영영상에 현재 하중을 표시함으로써, 이미지 프로세싱으로 얻어진 변형률결과를 하중 및 응력결과와 보다 정확하게 비교가 가능하도록 하였다. 영상촬영은 SONY Alpha 7R 기종을 사용하였고, 해상도는 7360⨉4912 픽셀(36백만화소)로 촬영하였다. 촬영에 사용한 기종의 경우 렌즈에 대한 왜곡보정을 자동으로 수행하도록 되어있다.
1축 인장상태에서의 철근의 변형률 계측은 철근 표면에 부착된 타겟을 이용한 이미지 프로세싱 방법을 활용하였다. 이미지 프로세싱 방법을 위한 타겟은 표점구간 내에 10 mm 간격으로 총 21개가 부착되었다. 시험 중 로드셀에서 얻어진 현재 하중을 작은 모니터에 표시하여, 타겟의 변화뿐만 아니라 현재 하중값도 한 화면에 촬영되도록 하였다.
본 연구에서는 1축인장 상태에서의 철근의 극한거동과 변형률 분포 및 넥킹구간의 거동에 대한 평가를 위하여 인장시험을 수행하였다. 인장시험은 KS D 3504 기준에 따라 생산된 SD400의 D10, D19, D29와 D35 철근을 대상으로 하였다.14) 인장시험은 ASTM A370 기준에 따라 수행되었다.
이론/모형
인장시험은 KS D 3504 기준에 따라 생산된 SD400의 D10, D19, D29와 D35 철근을 대상으로 하였다.14) 인장시험은 ASTM A370 기준에 따라 수행되었다. 모든 시편의 표점거리 기준을 200 mm로 설정하였고, 표점거리의 기준점에서 인장그립까지의 여유거리는 철근 공칭직경의 1배로 하였다.
그 다음 이미지 분석을 통하여 촬영된 영상을 이진영상으로 변환한 후, 촬영된 사진마다 타겟의 좌표값을 추출한 후, 변형량을 산출하고 변형률로 변환한다. 또한 철근뿐만 아니라 만능재료실험기(UTM)의 하중이 하중표시계를 통하여 영상 안에 표시되도록 하고, 영상처리 과정에서 영상 내에 촬영된 현재 하중 값을 광학문자인식 (Optical Character Recognition: OCR) 알고리즘을 이용하여 수치화한다. 이러한 과정을 통하여 최종적으로 철근의 응력-변형률 관계를 산출한다.
성능/효과
1) 철근의 극한거동 시 발생되는 넥킹구간에 대해서 평가한 결과, 넥킹이 발생되는 구간의 길이에 대하여 철근의 직경과의 연관성을 분석할 수 있었다. 평가결과에 따르면 넥킹구간의 길이는 식 (1)과 같음을 확인할 수 있었다.
2) 본 연구를 통해서 철근 표점구간 내 평균변형률 평가시 넥킹구간의 변형률을 제외한 후 평가하는 것이 결과의 분산이 가장 작게 나타남을 알 수 있었다. 이는 이미지 프로세싱 방법을 이용하여 철근의 변형률을 측정함으로써 비교적 변형률의 편차가 큰 넥킹구간의 결과를 제외하는 것이 가능하여, 실험결과의 불확실성을 해소되기 때문인 것으로 판단된다.
Ex.NR방법에서는 극한상태 이후 발생한 넥킹구간에서의 변형률을 결과에서 제외하였기 때문에, 극한상태에서 응력의 감소만이 발생하고, 변형률의 증가는 미소하게 평가되었다.
Table 4는 평가결과를 정량적으로 비교한 것이다. 결과에서 확인할 수 있는 바와 같이 평가방법에 따라 동일한 철근에서의 응력-변형률 곡선이 상이하게 평가됨을 알 수 있다. GL방법과 NR방법의 경우에는 극한상태 이후부터 파단시까지 넥킹구간에서 발생한 변형률의 크기에 따라 극한 이후의 거동이 다르게 분석되었다.
따라서 1축 인장상태의 철근에서 철근의 거동이 극한상태에 도달하게 되면 재료적 결함이 가장 큰 곳 혹은 가장 취약한 부분에서 넥킹이 발생하고, 철근은 더 큰 하중에 저항할 수 없으며, 넥킹구간에서 대부분의 변형이 일어나게 된다. 그러므로 1축 인장 상태에서 철근의 넥킹 이후에는 넥킹구간을 제외한 구간에서는 추가적인 하중 분담이 발생하지 않는 것을 알 수 있었다. 따라서 향후 철근의 한계상태변형률을 정의함에 있어 1축 인장 시험에서 얻어진 구간별 변형률을 활용한다면 좀 더 합리적인 평가가 가능할 것으로 판단된다.
극한상태에서의 변형률 분포와 파단시점에서의 변형률 분포 차이를 통하여, 넥킹구간의 길이는 직경에 비례하다는 것을 가늠해볼 수 있었다. 그리고 극한상태에서 파단으로 넘어가는 과정에서 대부분의 변형은 넥킹구간에서 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 1축 인장시험으로 평가되는 철근의 극한변형률 및 파단변형률은 표점구간 내에서 넥킹구간의 위치와 넥킹구간이 표점구간에서 차지하는 비중, 그리고 넥킹구간에서의 최대 변형률에 큰 영향을 받을 것으로 판단된다.
초기 탄성구간에서의 응력상태에서부터 극한상태까지의 변형률 분포를 살펴보면 철근마디의 영향에 따라 변형률의 분포가 종방향 위치에 따라 증감을 반복하는 형태를 보였다. 극한상태에서의 변형률 분포와 파단시점에서의 변형률 분포 차이를 통하여, 넥킹구간의 길이는 직경에 비례하다는 것을 가늠해볼 수 있었다. 그리고 극한상태에서 파단으로 넘어가는 과정에서 대부분의 변형은 넥킹구간에서 발생하는 것을 확인할 수 있었다.
그리고 극한상태에서 파단으로 넘어가는 과정에서 대부분의 변형은 넥킹구간에서 발생하는 것을 확인할 수 있었다. 따라서 1축 인장시험으로 평가되는 철근의 극한변형률 및 파단변형률은 표점구간 내에서 넥킹구간의 위치와 넥킹구간이 표점구간에서 차지하는 비중, 그리고 넥킹구간에서의 최대 변형률에 큰 영향을 받을 것으로 판단된다.
철근의 일부구간에 넥킹현상이 발생한 이후에는 넥킹구간을 제외한 다른 구간에서의 변형률 증가는 미소함을 확인하였다. 따라서 넥킹이 발생하기 이전까지는 철근의 종방향으로 비교적 균등한 변형률 분포를 나타내고, 하중이 증가함에 따라 각 구간별 변형률이 비례하게 증가함을 알 수 있었다. 그러나 넥킹이 발생한 이후에는 넥킹구간 및 인접구간을 제외한 영역에서는 변형률의 증가는 더 이상 나타나지 않았다.
또한 기존 시험방법에서 재시험으로 규정하는 넥킹구간 위치가 표점구간의 바깥쪽에 위치한 경우에 대해서도 표점구간 내에 일부 존재하는 넥킹구간을 제외하는 것이 가능하여, 넥킹구간 발생위치의 불확실성에 따른 실험의 불확실성을 해소할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통하여 철근의 1축 인장시험에서 합리적인 평균변형률 평가는 표점구간에서 넥킹구간의 변형률을 제외한 평균변형률을 산출하는 것이 바람직하다고 판단된다.
NR의 경우 신뢰도가 가장 높은 것으로 나타났다. 또한 기존 시험방법에서 재시험으로 규정하는 넥킹구간 위치가 표점구간의 바깥쪽에 위치한 경우에 대해서도 표점구간 내에 일부 존재하는 넥킹구간을 제외하는 것이 가능하여, 넥킹구간 발생위치의 불확실성에 따른 실험의 불확실성을 해소할 수 있었다. 따라서 본 연구를 통하여 철근의 1축 인장시험에서 합리적인 평균변형률 평가는 표점구간에서 넥킹구간의 변형률을 제외한 평균변형률을 산출하는 것이 바람직하다고 판단된다.
본 연구에서 얻어진 결과를 바탕으로 철근의 1축 인장상태에서 넥킹구간의 변형은 철근의 직경에 비례하게 증감한다는 것을 알 수 있었다. 넥킹 발생시 넥킹구간의 변형률은 다른 구간에 비해서 매우 높은 변형률을 나타내는데, 표점거리를 이용한 평가 방법은 넥킹구간이 표점구간 내에서 위치하는 곳이 어딘가에 따라 넥킹구간이 차지하는 비중이 달라지기 때문에 최종 평가된 변형률 결과 역시 달라질 수 있다.
해당 연구에서 ASTM, ISO, JIS, 그리고 KS 기준에 따라 직경 10~29 mm 의 철근에 대해서 인장실험을 실시하고, 각 기준별 연신율 및 시험성공률에 대한 평가를 수행하였다. 연구에 따르면, 철근의 연신율은 동일한 지름의 철근이라도 적용하는 기준의 시험방법에 따라 상이한 결과를 나타낼 수 있고, 또한 표점거리 내부에서 파단된 시험편의 연신율이 표점거리 외부에서 파단된 시험편보다 높은 연신율을 나타낸다는 연구결과를 발표하였다.
철근의 일부구간에 넥킹현상이 발생한 이후에는 넥킹구간을 제외한 다른 구간에서의 변형률 증가는 미소함을 확인하였다. 따라서 넥킹이 발생하기 이전까지는 철근의 종방향으로 비교적 균등한 변형률 분포를 나타내고, 하중이 증가함에 따라 각 구간별 변형률이 비례하게 증가함을 알 수 있었다.
앞서 설명한 바와 같이 한계상태 변형률의 경우에는 모든 평가방법이 분산이 적게 나타났다. 파단 변형률의 경우, 넥킹구간만을 기준으로 평가할 경우(NR) 결과의 분산이 매우 커지는 것을 확인할 수 있고,기존 표점구간 내 평균변형률의 경우(GL)과 표점구간에서 넥킹구간을 제외하고 평가한 경우(Ex.NR)에는 넥킹구만을 대상으로 하는 것보다 시험결과 분산이 크게 감소하는 것을 확인할 수 있었고, 넥킹구간의 영향을 배제함에 따라 Ex.NR의 경우 신뢰도가 가장 높은 것으로 나타났다.
후속연구
따라서 D35 철근의 경우 표점구간 내에서 넥킹구간의 영향을 줄이기 위해서는 ISO (175 mm)와 ASTM (200 mm) 기준 보다 더 큰 표점거리 값을 취해야할 것으로 판단된다. 그러나 본 연구내용에서 알 수 있는 바와 같이 표점거리와 넥킹구간의 분포는 최종 평가되는 철근의 한계상태변형률 및 파단변형률에 영향을 미칠 수 있기 때문에, 추후 많은 연구를 통하여 객관성 있는 기준이 제시되어야 할 것으로 판단된다.
그러나 D35-2 철근의 경우 대부분의 구간에서 변형률이 증가하여 표점구간의 대부분이 넥킹의 영향을 받고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 철근의 한계상태 변형률 및 파단변형률을 평가할 때 넥킹부의 영향을 줄이기 위해서는 철근 직경과 넥킹구간의 상관관계를 평가한 후 넥킹의 영향을 최소화할 수 있는 표점거리를 산출해야 할 것으로 판단된다. 현재 철근 인장시험법은 크게 ISO 15630과 ASTM A 370으로 구분되는데, ISO의 경우 표점거리는 직경의 5배로 정의하고 있으며, ASTM은 직경에 상관없이 200 mm를 적용하도록 되어 있다.
그러므로 1축 인장 상태에서 철근의 넥킹 이후에는 넥킹구간을 제외한 구간에서는 추가적인 하중 분담이 발생하지 않는 것을 알 수 있었다. 따라서 향후 철근의 한계상태변형률을 정의함에 있어 1축 인장 시험에서 얻어진 구간별 변형률을 활용한다면 좀 더 합리적인 평가가 가능할 것으로 판단된다.
추후 더 많은 표본을 대상으로 한 인장시험을 통하여 철근 직경과 넥킹구간 길이의 상관관계에 대한 신뢰도 향상을 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 철근의 1축 인장시험 방법 및 한계상태변형률 평가방법에 따른 평가결과의 차이를 해소할 수 있는 다양한 평가방법론에 대한 연구가 수행되어야 할 것으로 생각된다.
추후 더 많은 표본을 대상으로 한 인장시험을 통하여 철근 직경과 넥킹구간 길이의 상관관계에 대한 신뢰도 향상을 위한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 철근의 1축 인장시험 방법 및 한계상태변형률 평가방법에 따른 평가결과의 차이를 해소할 수 있는 다양한 평가방법론에 대한 연구가 수행되어야 할 것으로 생각된다.
평가결과에 따르면 넥킹구간의 길이는 식 (1)과 같음을 확인할 수 있었다. 향후 더 많은 표본을 이용한 정확한 평가가 요구되나, 본 연구에서 얻어진 철근 직경과 넥킹구간 길이의 관계를 이용하여 콘크리트에 매립된 철근의 넥킹에 의한 부착강도의 저하 및 균열양상 분석의 기초연구자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
10은 실험값과 식 (1)의 예측값을 비교한 것으로 비교적 잘 일치함을 확인할 수 있다. 향후 좀 더 많은 표본을 이용한 정확한 평가가 요구되나, 본 연구에서 얻어진 철근 직경과 넥킹구간 길이의 관계를 이용하여 콘크리트에 매립된 철근의 넥킹에 의한 부착강도 저하 및 균열양상 분석의 기초연구자료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
강도설계법이란?
각 설계법은 재료 및 하중 특성 등에 관한 연구를 반영하여 발전되어 왔다. 작용하는 사용하중에 의해 단면에 발생하는 최대 응력이 각 구성 재료의 허용응력을 초과하지 않도록 하는 허용응력설계법(ASD 혹은 WSD), 단면을 구성하는 재료의 최대 저항능력에 단면력의 종류에 따른 강도감소계수를 적용하고 작용하는 하중의 특성에 따라 하중계수를 적용하여 적절한 안전수준을 결정하는 강도설계법(Strength Design Method, SD)이 대표적인 기존의 설계법이다. 그러나 이들 설계법은 구조물에 작용하는 하중과 재료 강도의 불확실성과 변동성을 적절하게 반영하는데 한계를 갖고 있어, 확률론에 근거한 신뢰도기반의 한계상태설계법이 대안으로 제시되고 있다.
한계상태설계법은 철근콘크리트 구조물의 연성능력에 따라 무엇을 달리하여 합리적인 설계를 가능케 하는가?
ASD의 경우, 철근의 항복강도에 안전률을 고려하여 허용응력을 산정하도록 하고 있으며, SD의 경우에는 철근콘크리트 단면이 가질 수 있는 이론적인 최대 저항능력, 즉 공칭강도의 산정에서 철근의 항복강도를 사용하고 있어, 두 설계법 모두에서 철근의 변형능력에 대한 고려가 부족한 것으로 판단된다. 그러나 성능기반설계법인 철근 콘크리트 구조물의 한계상태설계법에서는 철근의 항복강도에 대한 인장강도의 비와 최대하중에서의 극한변형률 규정을 철근콘크리트 구조물의 요구 연성능력에 따라 달리하여 합리적인 설계가 가능하도록 하였다. 이러한 철근의 재료특성은 철근의 1축인장시험을 통하여 평가할 수 있다.
철근의 연신율이 표점거리에 따라 달라지는 이유는?
이와 같이 철근의 연신율은 표점거리에 따라 달라질 수 있다. 이는 철근의 극한거동에서 발생할 수 있는 넥킹현상과 연관이 있으며, 시험방법에 따라 철근의 1축 인장거동에서 넥킹부가 차지하는 비중이 달라지기 때문인 것으로 추정된다. 동일한 철근에 대해서 시험방법에 따라 평가결과가 달라진다면, 구조물을 설계하거나 해석을 수행할 때 어떤 시험법에 따라 얻어진 결과를 적용해야 하는지 혼란이 발생할 수 있다.
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