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문제 정의
- 본 연구에서는 동일 강도의 일반 철근콘크리트 보강용 철근 (SD500)과 내진성능이 강화된 특수 내진용 철근(SD500S)을 각각 시험 변수로 선정하여 굽힘성능을 실험적으로 평가해보았다. 이 두 철근은 강종의 차이 뿐아니라 생산방식에 따른 차이도 가지고 있다.
- 이에 본 연구에서는 특수 내진용 철근을 포함한 고강도 철근을 대상으로 굽힘성능에 대한 시험을 수행하여 굽힘가공 후 표면 건전성, 재굽힘에 따른 기계적 물성치변화 등을 평가하여 상기의 문제들에 대한 기본적인 데이터를 제공하고자 한다.
제안 방법
- 각 변수별 철근의 굽힘가공성을 평가하기 위해 철근굽힘가공 시험을 시행하였다. 굽힘가공 시험은 KS B0804에 준하여 각 변수별로 규정된 내면 반지름 및 굽힘각도로 굽힘가공을 수행한 이후 인장면에 육안으로 균열등의 이상 유무를 확인 하는 방식으로 진행하였다.
- 굽힘각도는 소재 특성 파악을 위한 소재 시험체와 굽힘각도 90°와 135°를 적용한 시험체를 선택하여 고강도철근의 KS 규정 굽힘각도(90°)을 초과하는 경우에 대한 평가를 가능하도록 하였으며, 내면 반지름의 경우 스터럽 및 띠철근으로 사용이 가능한 D10 및 D13의 경우 콘크리트구조기준에서 허용하는 2.0db를 적용하였고, D19의 경우 KS에 규정된 2.5db를 적용하였다.
- 시험체 제작에 사용된 철근의 생산업체 현황을 파악한 결과 일반구조용 철근은 400급 강도 이상의 경우 수냉설비(Tempcore)를이용하여 생산을 하나 S 강종의 경우 합금처리를 통하여 생산을 하므로 강종을 변수로 하여 생산방식 차이에 따른 영향까지 간접적으로 고려할 수 있도록 하였다. 다만, 강도, 직경, 강종의 경우 KS에는 규정되어 있으나 상업생산이 현실적으로 거의 이루어지지 않는 규격들이 발생하여 시험을 수행하는 시점에서 수급이 가능한 규격을 대상으로 시험체를 계획하였다.
- 시험체의 길이는 소재 시험체의 경우는 인장시험체 제작규정에 맞추어 시험체를 제작하였으며, 굽힘가공 시험체의 경우 굽힘가공 및 추후 인장시험 물림부의 영향을 고려하여 450 mm로 제작하였다. 이상의 시험변수를 Table 2에 정리하였다.
- 이에 본 연구에서는 90°로 가공된 철근(모두 SD600이하)을 재굽힘(펴기)하여 철근의 표면상태를 육안으로 확인하였다.
- 이형철근의 굽힘성능을 실험적으로 평가하기 위해 강도, 직경, 강종, 굽힘각도, 내면 반지름을 주요 변수로 시험을 계획하였다.
- 5 참조). 인장시험은 원 소재 인장시험과 동일한 조건으로 실시하였으며, 시험을 통하여 항복강도, 인장도, 연신율 등의 기계적 물성치를 측정하였다.
- 재굽힘 이후 심각한 결함 및 파단이 발생하여 인장시험이 불가능한 시험체와 재굽힘 과정에서 철근의 소성변형이 크게 남아 만능재료시험기에서 인장시험이 불가한 경우를 제외한 시험체에 대하여 인장시험을 실시하였다(Fig. 5 참조). 인장시험은 원 소재 인장시험과 동일한 조건으로 실시하였으며, 시험을 통하여 항복강도, 인장도, 연신율 등의 기계적 물성치를 측정하였다.
- 이에 본 연구에서는 90°로 가공된 철근(모두 SD600이하)을 재굽힘(펴기)하여 철근의 표면상태를 육안으로 확인하였다. 재굽힘은 1차 굽힘가공 이후 변형 시효에의한 영향을 고려하여 2주 이상의 시간이 지난 이후에 1차 굽힘가공과 가공속도를 제외하고 동일한 조건으로 기계가공을 이용하여 재굽힘을 시행하였다. 재굽힘 속도는 콘크리트구조기준의 권고사항을 고려 1차 굽힘속도의 절반으로 하였다.
- 철근의 굽힘가공 직후 가공표면에 대한 이상 유무를 육안으로 확인하였으며, 가공 이후 7일이 지난 이후에 다시 가공표면을 육안으로 검사하여 가공 이후 변형시효에 따른 변화 여부를 확인하였다.
대상 데이터
- 강도는 건축구조물에 주로 사용되는 항복강도(fy) 400, 500 및 600 MPa급을 대상으로 하였다.
- 강종은 일반구조용 철근과 최근 특수 내진용으로 개발, 사용되고 있는 S 강종을 선택하였다. 시험체 제작에 사용된 철근의 생산업체 현황을 파악한 결과 일반구조용 철근은 400급 강도 이상의 경우 수냉설비(Tempcore)를이용하여 생산을 하나 S 강종의 경우 합금처리를 통하여 생산을 하므로 강종을 변수로 하여 생산방식 차이에 따른 영향까지 간접적으로 고려할 수 있도록 하였다.
- 5db를 적용하였다. 굽힘가공 시험체는 각 2개씩 제작하였다.
- 직경은 90° 이상의 굽힘가공을 자주 경험하게 되는 스터럽이나 띠철근 등으로 주로 사용되는 D10, D13과 일반적으로 90° 이하의 가공을 주로 경험하게 되는 D19를 선정하였다.
이론/모형
- 각 변수별 철근의 굽힘가공성을 평가하기 위해 철근굽힘가공 시험을 시행하였다. 굽힘가공 시험은 KS B0804에 준하여 각 변수별로 규정된 내면 반지름 및 굽힘각도로 굽힘가공을 수행한 이후 인장면에 육안으로 균열등의 이상 유무를 확인 하는 방식으로 진행하였다.
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1) 시험방법
시험체에 사용된 철근의 기계적 물성을 파악하기 위해 KS B 0802에 따라 인장강도 시험을 수행하였다. 가력은 15 N/mm2ㆍs 의 속도로 진행하였다.
성능/효과
- 1) 항복강도 500 MPa, 직경 D13 이하의 시험체에서는 굽힘각도 135°, 내면 반지름 2db의 경우에도 1차 굽힘가공 후 결함은 나타나지 않았다.
- 1차 굽힘시험 결과에서는 시험 대상 철근 중 강도가 가장 높은 SD600 철근에서만 표면결함이 발견되었으나, 2차 굽힘시험 결과에서는 강도가 낮은 SD400 철근의 경우 일부 표면결함만 발견이 되었으나 항복강도 500MPa를 넘는 경우에는 인장측 균열 또는 파단 등과 같은 매우 심각한 문제가 발생하였다.
- 2) 철근의 강도와 직경이 증가할수록 굽힘성능은 저하하는 것으로 나타났다.
- 3) D19 이상 철근의 경우 재굽힘시 심각한 결함의 발생 위험이 증가하였다.
- 4) 본 연구에서 수행된 일반용 철근과 특수 내진용 철근의 결과 비교에서 굽힘성능에 대한 두 철근 간에 유의미한 차이는 나타나지 않았다.
- 가공 전 대상 철근의 굽힘가공 예정 부위 이상 유무를 전수 육안조사를 시행하였으며, 가공에 영향을 줄 수 있는 균열 또는 기타 이상이 없음을 확인하였다. 현재 대부분의 건축공사에서 철근가공은 가공공장에서 수행되는 것을 고려하여 상온에서 굽힘가공 장비를 이용하여 공장기계가공을 진행하였으며, 굽힘가공 속도 및 기타 모든 조건은 현재 철근가공 업체에서 수행되는 조건과 동일하게 진행하였다(Fig.
- 굽힘가공 시험 결과 SD600 D19 시험체 중 90° 가공시험체와 135° 시험체 일부에서 Fig. 2와 같이 인장측에 육안으로 판별이 가능한 결함이 발견되었다.
- 그리고 직경이 증가할수록 강재의 항복 및 인장강도 상승 현상이 크게 나타나는 것으로 확인되었으며 이는 강재의 냉간 소성가공에 따른 가공경화의 영향으로 판단된다. 이는 비교적 재굽힘 후 철근의 손상이 덜하였던 SD400 강종의 결과에서 확인할 수 있으며, D19의 경우 원 소재 강도보다 항복강도가 다소 상승한 결과를 나타내었다.
- 0db로 하여 가공을 진행하였으나 특별한 결함은 발견되지 않았다. 따라서 SD500 이하의 철근의 경우 KS 또는 콘크리트구조기준의 규정에 따른 문제는 없는 것으로 확인되었다. 다만 SD600 철근의 경우 KS 규정된 90° 가공 시에도 표면결함이 확인되었다.
- 또한 2차 굽힘시험 이후 인장시험 결과에서도 D10평균 연신율 감소율 86 % 대비 D19의 경우 66 %의 감소율을 나타내어 철근의 직경이 증가할수록 연신율의 저하가 크게 나타나고 있다. 따라서 철근의 직경이 증가할수록 굽힘성능의 저하는 크게 나타나며, D19 이상의 경우 재굽힘시 심각한 결함이 발생할 위험이 증가하는 것으로 파악되었다.
- 본 연구에 적용된 철근의 원 소재 시험결과에서는 특수 내진용 철근(SD500S)의 연신율이 일반용 철근(SD500)에 비하여 다소 향상된 결과를 나타내었으며, 소재의 소성변형능력과 관련된 항복비(yield ratio)는 일반 철근이 0.83, 0.80인 반면, 특수 내진용 철근은 0.72, 0.77로 비교적 우수한 결과를 나타내었다. 1차 굽힘 시험에서는 일반용 및 특수 내진용 철근에서 모두 별도의 표면 결함은 발견되지 않았다.
- 강종은 일반구조용 철근과 최근 특수 내진용으로 개발, 사용되고 있는 S 강종을 선택하였다. 시험체 제작에 사용된 철근의 생산업체 현황을 파악한 결과 일반구조용 철근은 400급 강도 이상의 경우 수냉설비(Tempcore)를이용하여 생산을 하나 S 강종의 경우 합금처리를 통하여 생산을 하므로 강종을 변수로 하여 생산방식 차이에 따른 영향까지 간접적으로 고려할 수 있도록 하였다. 다만, 강도, 직경, 강종의 경우 KS에는 규정되어 있으나 상업생산이 현실적으로 거의 이루어지지 않는 규격들이 발생하여 시험을 수행하는 시점에서 수급이 가능한 규격을 대상으로 시험체를 계획하였다.
- 원 소재 시험에서는 철근직경 변화에 따른 연신율 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 하지만 2차 굽힘시험 결과를 보면 철근의 각 강종별로 철근의 직경이 증가할 수록 2차 굽힘에 따른 손상이 더욱 심각하게 발생하는 것으로 나타났다.
- 제한된 시험결과로 일반화된 결론의 도출이 어려울 수 있으나 금번 시험결과에서는 원 소재시험에서 좋은 소성변형 능력을 보여주었던 내진용 철근이 1, 2차 굽힘가공이 진행되면서 일반 철근과 비교하여 우수성을 확인하기는 어려운 결과를 나타내었다. 이에 내진용 철근의 소성가공성에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 하지만 2차 굽힘시험 결과를 보면 철근의 각 강종별로 철근의 직경이 증가할 수록 2차 굽힘에 따른 손상이 더욱 심각하게 발생하는 것으로 나타났다. 특히 심각한 손상 또는 완전파단이 발생한 모든 시험체는 D19 철근으로 직경별 관련 철근의 비율이 30 %로 확인되었다.
- 원 소재 시험에서는 철근직경 변화에 따른 연신율 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 하지만 2차 굽힘시험 결과를 보면 철근의 각 강종별로 철근의 직경이 증가할 수록 2차 굽힘에 따른 손상이 더욱 심각하게 발생하는 것으로 나타났다. 특히 심각한 손상 또는 완전파단이 발생한 모든 시험체는 D19 철근으로 직경별 관련 철근의 비율이 30 %로 확인되었다.
후속연구
- 제한된 시험결과로 일반화된 결론의 도출이 어려울 수 있으나 금번 시험결과에서는 원 소재시험에서 좋은 소성변형 능력을 보여주었던 내진용 철근이 1, 2차 굽힘가공이 진행되면서 일반 철근과 비교하여 우수성을 확인하기는 어려운 결과를 나타내었다. 이에 내진용 철근의 소성가공성에 대해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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