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문제 정의
- 본 연구에서는 건축산업에서 활용하고 있는 SM490, SM520 강재의 소재특성을 파악하고, BH 공시체를 제작하여 BH의 용접성능을 확인하고자 한다.
- 이에 본 연구는 BH의 규격화를 위한 기초연구로, 보부재와 기둥부재에 대한 부재실험을 실시하기 이전에 BH에 사용가능한 강재의 소재특성을 파악하고 BH의 용접부에 대한 특성을 연구하고자 한다.
제안 방법
- BH 공시체를 제작한 후 강재의 샤르피 흡수에너지를 확인하기 위하여 충격시험을 실시하였다. 충격시험편은 KS D 3866(2014) ｢건축구조용 열간압연 H형강｣[12]에 준하여 충격시험편의 중심이 플랜지의 표면으로부터 두께의 1/4 위치, 또 나비의 끝에서 나비의 1/4 위치가 되도록 채취하였으며, KS B 0809(2011) ｢금속재료 충격시험편｣[13]에 따라 V노치시험편으로 제작하였다.
- BH에 적용하기 위한 SM490, SM520 강재의 기계적 성질을 확인하여 기초적인 자료를 조사하기 위하여 판두께별로 소재인장시험을 실시하였다. 소재인장시험은 Table 4와 같이 국내산 SM490(9~26mm), SM520(9~23mm) 강재와 중국산 SM490(9mm, 12mm, 20mm) 강재를 대상으로 하였다.
- BH의 규격화를 위한 기초연구로 SM490, SM520 강재의 소재특성을 확인하고, single-SAW 및 tandem-SAW를 활용하여 6개의 BH 공시체를 제작하여 용접성능을 확인하였다. BH의 규격화를 위해서는 본 연구를 기초로 용접방법, 용접재료, 입열량 등 다양한 용접조건 등을 변수로 추가연구가 필요하다고 판단된다.
- BH의 용접부가 소요성능을 발휘하는지 확인하기 위하여 T바 인장실험을 실시하였다. T바 인장실험체는 BH 공시체에서 길이방향으로 30mm가 되도록 채취하여 Fig.
- BH의 용접부의 건전성을 육안으로 확인하기 위하여 용접부에 대하여 매크로시험을 실시하였다. 매크로시험편은 BH 공시체에서 길이방향으로 30mm가 되도록 채취하여 제작하였다.
- BH의 용접성능을 확인하기 위하여 BH 공시체를 제작하였다. 본 연구에서 실험대상이 되는 BH 공시체는 Table 1과 같다.
- 본 연구에서 웨브의 두께가 11mm 이하인 BH 공시체는 1pass 용접으로도 충분한 필릿사이즈와 유효목두께를 확보할 수 있어 single-SAW로 용접하였으며, 웨브의 두께가 12mm 이상인 BH 공시체는 충분한 필릿사이즈와 유효목두께 확보를 위해 tandem-SAW로 용접하였다. 입열량은 2,200~4,000J/mm의 범위로 강구조공사 표준시방서[8]에서 정하고 있는 SM490, SM520 강재에 대한 SAW 1pass의 최대 입열량인 7,000J/mm보다 낮은 값이다.
- 13~24와 같이 나타났다. 여기서, 인장강도(tensile strength)는 실험 최대하중을 웨브의 단면적으로 나누어 구하였다.
- 본 연구에서 실험대상이 되는 BH 공시체는 Table 1과 같다. 휨재와 압축재의 단면형상으로 구분하여 단면사이즈를 정하였으며, 강종 및 제조국을 변수로 하였다. 변수에 따라 Fig.
대상 데이터
- 매크로시험편은 BH 공시체에서 길이방향으로 30mm가 되도록 채취하여 제작하였다. 1개의 BH 공시체에서 1개씩 제작하였으며, 총 6개의 매크로시험편을 제작하였다. 매크로시험편의 명칭은 Fig.
- 5와 같이 플랜지 폭 200mm, 웨브 길이 400mm가 되도록 제작하였다. 1개의 BH 공시체에서 2개씩 제작하였으며, 총 12개의 T바 인장실험체를 제작하였다. T바 인장실험체의 명칭은 Fig.
- 충격시험편은 KS D 3866(2014) ｢건축구조용 열간압연 H형강｣[12]에 준하여 충격시험편의 중심이 플랜지의 표면으로부터 두께의 1/4 위치, 또 나비의 끝에서 나비의 1/4 위치가 되도록 채취하였으며, KS B 0809(2011) ｢금속재료 충격시험편｣[13]에 따라 V노치시험편으로 제작하였다. 1개의 BH 공시체에서 3개씩 총 18개의 충격시험편을 제작하였다. 충격시험편의 명칭은 Fig.
- BH 공시체를 제작하기 위하여 현대종합금속의 S-777 MX × H-14를 사용하여 플랜지와 웨브의 판재를 Fig. 2의 순서로 1pass single-SAW 및 tandem-SAW로 용접하였다.
- BH 공시체의 제작은 웨브두께가 9mm인 경우는 필릿사이즈 6.5mm, 유효목두께 4.6mm, 웨브두께가 12mm인 경우는 필릿사이즈 8.5mm, 유효목두께 6.1mm, 웨브두께가 13mm인 경우는 필릿사이즈 9mm, 유효목두께 6.4mm로 관리하여 BH 공시체를 제작하였다[7]. Table 2는 BH 공시체를 제작 후 Fig.
- BH의 용접부가 소요성능을 발휘하는지 확인하기 위하여 T바 인장실험을 실시하였다. T바 인장실험체는 BH 공시체에서 길이방향으로 30mm가 되도록 채취하여 Fig. 5와 같이 플랜지 폭 200mm, 웨브 길이 400mm가 되도록 제작하였다. 1개의 BH 공시체에서 2개씩 제작하였으며, 총 12개의 T바 인장실험체를 제작하였다.
- BH의 용접부의 건전성을 육안으로 확인하기 위하여 용접부에 대하여 매크로시험을 실시하였다. 매크로시험편은 BH 공시체에서 길이방향으로 30mm가 되도록 채취하여 제작하였다. 1개의 BH 공시체에서 1개씩 제작하였으며, 총 6개의 매크로시험편을 제작하였다.
- BH의 용접성능을 확인하기 위하여 BH 공시체를 제작하였다. 본 연구에서 실험대상이 되는 BH 공시체는 Table 1과 같다. 휨재와 압축재의 단면형상으로 구분하여 단면사이즈를 정하였으며, 강종 및 제조국을 변수로 하였다.
- BH에 적용하기 위한 SM490, SM520 강재의 기계적 성질을 확인하여 기초적인 자료를 조사하기 위하여 판두께별로 소재인장시험을 실시하였다. 소재인장시험은 Table 4와 같이 국내산 SM490(9~26mm), SM520(9~23mm) 강재와 중국산 SM490(9mm, 12mm, 20mm) 강재를 대상으로 하였다. 강재의 Mill Sheet를 확인한바 국내산은 KS를 획득한 강재이다.
- 소재인장시험편은 KS B 0801(2007) ｢금속재료 인장시험편｣[9]에 따라 1A호로 3개씩 제작하였으며, 총 63개의 소재인장시험편을 제작하였다. 소재인장시험은 KS B 0802(2013) ｢금속재료 인장시험방법｣[10]에 따라 실시하였다.
데이터처리
- 소재인장시험은 KS B 0802(2013) ｢금속재료 인장시험방법｣[10]에 따라 실시하였다. 소재인장시험의 결과는 KS D 3515(2014) ｢용접구조용 압연강재｣[11]의 기준과 비교하였다.
- BH에 대한 충격시험 결과는 Table 11과 같이 나타났다. 시험결과는 해당 강재의 KS와 비교하였다. 국내산 SM490, SM520 강재의 샤르피 흡수에너지는 KS를 만족하는 것으로 나타났으나, 중국산 SM490 강재인 C-(CCA-407) 시험편의 샤르피 흡수에너지는 KS를 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
- 에 따라 실시하였다. 충격시험의 결과는 KS D 3515(2014) ｢용접구조용 압연강재｣[11]의 기준과 비교하였다.
이론/모형
- T바 인장실험은 Fig. 6과 같이 지그를 이용하여 실험체를 설치한 후 KS B ISO 9018(2016) ｢금속 재료 용접부의 파괴시험-십자 및 겹치기 이음 인장시험｣[16] 및 KS B 0802(2013) ｢금속재료 인장시험방법｣[10]을 참조하여 실시하였다.
- 4와 같이 정하였다. 매크로시험은 KS D 0210(2012) ｢강의 매크로조직 시험방법｣[15]에 따라 실시하였다.
- 에 따라 1A호로 3개씩 제작하였으며, 총 63개의 소재인장시험편을 제작하였다. 소재인장시험은 KS B 0802(2013) ｢금속재료 인장시험방법｣[10]에 따라 실시하였다. 소재인장시험의 결과는 KS D 3515(2014) ｢용접구조용 압연강재｣[11]의 기준과 비교하였다.
- 충격시험은 KS B 0810(2013) ｢금속재료 충격시험방법｣[14]에 따라 실시하였다. 충격시험의 결과는 KS D 3515(2014) ｢용접구조용 압연강재｣[11]의 기준과 비교하였다.
- BH 공시체를 제작한 후 강재의 샤르피 흡수에너지를 확인하기 위하여 충격시험을 실시하였다. 충격시험편은 KS D 3866(2014) ｢건축구조용 열간압연 H형강｣[12]에 준하여 충격시험편의 중심이 플랜지의 표면으로부터 두께의 1/4 위치, 또 나비의 끝에서 나비의 1/4 위치가 되도록 채취하였으며, KS B 0809(2011) ｢금속재료 충격시험편｣[13]에 따라 V노치시험편으로 제작하였다. 1개의 BH 공시체에서 3개씩 총 18개의 충격시험편을 제작하였다.
성능/효과
- (1) 소재인장시험 결과, 국내산 SM490, SM520 강재 및 중국산 SM490 강재는 모두 KS를 만족하였다.
- (2) 충격시험 결과, 국내산 SM490, SM520 강재의 샤르피 흡수에너지는 KS를 만족하는 것으로 나타났으나, 중국산 SM490 강재인 C(CCA407) 시험편의 샤르피 흡수에너지는 KS를 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
- (3) 매크로시험 결과, BH의 모든 매크로시험편에서 용접결함이 발견되지 않아 양호한 용접부로 판단된다.
- (4) T바 인장실험 결과, T-(BKB-634)-1, T-(BKB-634)-2 실험체를 제외한 BH의 T바 인장실험체는 웨브의 모재파괴로 나타났으며, KS에서 요구하는 모재의 최소인장강도 이상을 발휘하는 것으로 나타나 용접부가 소요 성능을 충분히 발휘하는 것으로 나타났다.
- (5) 따라서, 본 연구에서 사용된 국내산 SM490, SM520 강재는 BH의 소재로 적합한 것으로 판단되며, single-SAW, tandem-SAW는 충분한 용접성능을 발휘하는 것으로 사료된다.
- 중국산 SM490 강재의 인장시험결과는 Tables 9, 10과 같이 나타났다. C01, C02, C03, C04 모두 항복강도, 인장강도, 연신율이 KS를 만족하는 것으로 나타났다.
- 국내산 SM490 강재(두께 5mm 초과, 16mm 이하)의 인장시험결과는 Table 5와 같이 나타났다. E01, E02, E03, E04 모두 항복강도, 인장강도, 연신율이 KS를 만족하는 것으로 나타났다.
- 국내산 SM490 강재(두께 16mm 초과, 40mm 이하)의 인장시험결과는 Table 6과 같이 나타났다. E05, E06, E07, E08, E09 모두 항복강도, 인장강도, 연신율이 KS를 만족하는 것으로 나타났다.
- 국내산 SM520 강재(두께 5mm 초과, 16mm 이하)의 인장시험결과는 Table 7과 같이 나타났다. E10, E11, E12, E13 모두 항복강도, 인장강도, 연신율이 KS를 만족하는 것으로 나타났다.
- 국내산 SM520 강재(두께 16mm 초과, 40mm 이하)의 인장시험결과는 Table 8과 같이 나타났다. E14, E15, E16, E17 모두 항복강도, 인장강도, 연신율이 KS를 만족하는 것으로 나타났다.
- T바 인장실험 결과, T-(BKB-634)-1, T-(BKB-634)-2 실험체를 제외한 BH의 T바 인장실험체는 웨브의 모재파괴로 나타났으며, KS에서 요구하는 모재의 최소인장강도 이상을 발휘하는 것으로 나타나 용접부가 소요성능을 충분히 발휘하는 것으로 나타났다.
- 국내산 SM490, SM520 강재의 샤르피 흡수에너지는 KS를 만족하는 것으로 나타났으나, 중국산 SM490 강재인 C-(CCA-407) 시험편의 샤르피 흡수에너지는 KS를 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
- 7~12는 BH의 매크로시험 결과를 나타낸다. 매크로시험 결과, 모든 매크로시험편에서 용접결함이 발견되지 않아 양호한 용접부로 판단된다.
- 소재인장시험 결과, 국내산 SM490, SM520 강재 및 중국산 SM490 강재는 모두 KS를 만족하였다. 소재인장시험의 결과가 모두 KS에 만족하는 수치이지만, 중국산 강재는 적정 품질의 BH를 제작하기 위해서는 소재에 대한 충분한 검토와 품질관리가 필요한 것으로 사료된다.
- 파괴모드는 모두 웨브의 모재파괴로 나타나 BKA-640의 용접부는 소요성능을 충분히 발휘하는 것으로 판단된다.
- 파괴모드는 모두 웨브의 모재파괴로 나타나 CKB-400의 용접부는 소요성능을 충분히 발휘하는 것으로 판단된다.
후속연구
- BH의 규격화를 위한 기초연구로 SM490, SM520 강재의 소재특성을 확인하고, single-SAW 및 tandem-SAW를 활용하여 6개의 BH 공시체를 제작하여 용접성능을 확인하였다. BH의 규격화를 위해서는 본 연구를 기초로 용접방법, 용접재료, 입열량 등 다양한 용접조건 등을 변수로 추가연구가 필요하다고 판단된다.
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