Hybrid Structural Testing Center

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1 Hybrid Structural Testing Center
2014년 2학기 강구조공학 제 2장 구조용 강재 심 낙 훈 하이브리드구조실험센터 Hybrid Structural Testing Center

2 건설과 철의 역사

3 건설과 철의 역사

4 철강의 제조공정 고로 방식 : 철광석을 “고로”에 넣고 녹여서 철강을 만드는 방법
- 제선 : 용광로에 철광석과 코크스, 석회석을 넣고 1,200도의 뜨거운 바람을 불어 넣음 -> 쇳물 : 용선 (약 5시간 소요) - 제강 : 쇳물에서 불순물(인, 황 등)을 제거하고 탄소(C)의 양을 줄여서 강(Steel)을 만드는 과정 - 압연 : 탄소와 불순물을 없앤 깨끗한 쇳물에서 고체로 변한 반제품 상태의 강을 롤(roll) 사이에 넣어 원하는 두께의 강판으로 늘리거나 얇게 만드는 과정

5 철강의 제조공정

6 철강의 제조공정 전기로 방식 : 전열을 이용해 강을 제조하는 방법으로 소량이면서도 양질의 강철 생산에 적합
- 전기로는 철 스크랩을 재활용해서 쇳물을 만드는데 효과적 - 고전압 수전설비가 필요 - 1차 세계대전 동안의 군수공장에서 나온 고철 -> 강철 - 전기로는 스테인리스강 등의 고급강과 특수강을 만드는데 쓰임

7 철강의 제조공정

8 철강의 제조공정

9 철강의 제조공정 파이넥스 방식 - 철광석을 녹여 쇳물로 만들어 내기 위해서는 철광석에 결합된 산소를 제거하는 절차, 즉 환원반응을 반드시 거쳐야 함 <- 코크스 필요 - 파이넥스 공정 : 석탄을 코크스로 만들지 않고도 환원반응을 일으키는 방식이며 철광석을 가공하지 않고 그대로 사용하는 방식 - 코크스공장, 소결공장이 필요없어 기존 고로공정보다 경제적 - 환경오염 물질인 황산화물(Sox), 질소산화물(Nox), 이산화탄소(CO2) 배출이 고로보다 적어 공해방지에 유리함 -

10 철강의 제조 선철 : 탄소의 함유량이 많고 인, 황, 규소 등 불순물이 함유 -> 경도가 높은 반면 취약함
제강 : 선철의 성질을 개선하여 연신성을 좋게 하고 인성을 높이기 위해서 다시 정련하여 탄소의 양을 줄이고 유해한 불순물을 제거하여 사용 가능한 구조용 강재를 만드는 것. 19세기 후반에 들어서야 대량 생산이 가능한 근대적인 제강기술이 확립됨. - -

11 구조용강의 종류

12 구조용강의 종류_탄소강 탄소강 : 탄소함유량이 0.04%~1.7%인 것 - 탄소 : 1.7% 이하 - 망간 : 1.65% 이하
- 탄소 : 1.7% 이하 망간 : 1.65% 이하 - 규소 : 0.6% 이하 구리 : 0.6% 이하 탄소 함유량에 따른 탄소강의 분류 - 저탄소강(low carbon steel) : 0.15% 미만 - 연탄소강(mild carbon steel) : 0.15%~0.29% - 중탄소강(medium carbon steel) : 0.30%~0.59% - 고탄소강(high carbon steel) : 0.60%~1.70% 일반적으로 사용되는 구조용 강재 -> 연탄소강 -> 인장강도 : 400N/mm^2(SS400급) 이하 중탄소강과 고탄소강 -> 인장강도 : 490N/mm^2(SM490, SM490Y) 이상 -> 용접성이 떨어짐.

13 구조용강의 종류_고장력강 고장력강(high strength steels) - 인장강도 : 520N/mm^2 이상
비조질형 고장력강 : 열간 압연한 그대로 또는 소준(normalizing)이나 소준 후 뜨임(tempering)하여 만든 것. - 장점 : 제작 시 열처리 공정이 적고, 재료의 항복비가 낮으며, 가공성이 좋음. - 단점 : 강도를 높이기 위해서 많은 합금원소가 사용됨 -> 탄소량이 많아져서 용접성이 떨어짐. 조질형 고장력강 : 담금질(quenching), 뜨임 등의 조질처리를 통하여 강도를 높인 강. - 장점 : 조질처리 방법으로 강도를 높일 수 있으므로 비조질강에 비하여 탄소나 합금원소의 양을 낮게 할 수 있음 -> 용접성이 좋고 미세조직 -> 인성이 우수 - 단점 : 열처리에 큰 설비가 필요하고 공작이 어려움.

14 구조용강의 종류_TMCP강 최근 구조물의 고층화, 장스팬화 -> 두껍고 고강도, 횡저항 능력 확보, 우수한 용접성을 갖는 강재가 요구됨. 종래의 고장력강 : 고강도를 확보하기 위하여 탄소당량(Ceq)이 높게 됨 -> 용접성이 떨어짐. 위의 문제점 해결, 매우 두꺼운 경우에도 강도의 저감이 필요없는 강재가 요구됨. TMCP강 - 제어압연과 제어냉각공정을 병용하여 제조되는 강재 - 고강도, 고인성화가 달성된 강재 - 동일강도를 가진 종래의 강에 비하여 탄소당량을 낮게 유지할 수 있음. - 소입열용접에 대한 내균열성이나 대입열용접에 대한 열영향부의 인성 등을 고려할 때 용접성이 뛰어나고 취성파괴에 대해서도 저항성이 우수함.

15 구조용 강재의 규격 및 형상 구조용 강재의 규격 - 한국공업규격 KS D 3503(일반구조용 압연강재)
일반구조용 강재 - 보통 압연강재의 대부분을 차지 - 연강(mild steel)과 반연강(semi mild steel) - 탄소의 함유량이 0.12~0.2%

16 구조용 강재의 규격 및 형상

17 구조용 강재의 규격 및 형상

18 구조용 강재의 규격 및 형상

19 구조용 강재의 규격 및 형상 SS400은 용접구조에 사용해도 좋으나 판 두께가 두꺼워짐에 따라 강철의 조직이 거칠어지므로 취성이 증가하고 수축응력에 따라 다축 응력상태가 발생할 염려가 있기 때문에 22mm 이하일 때만 용접부에 사용함. 이 두께 이상일 경우에는 SM400 강재를 사용.

20 구조용 강재의 규격 및 형상

21 구조용 강재의 규격 및 형상

22 구조용 강재의 규격 및 형상 용접구조용 강은 저온인성 판정기준이 되는 샤르피(Charpy) 흡수에너지에 따라 A, B, C의 3 규격으로 나눔. SM490YA와 SM520은 최후 강도에만 차이가 있고 항복점, 연신율 등 기타 기계적 성질은 모두 같음. SM490은 진정강(killed steel)과 반진정강(semi killed steel)으로 나눔. 반진정강으로 제조된 SM490의 사용 판 두께 범위 : 25mm 이하 두꺼운 판일수록 압연비가 작아지므로 반진정강에서는 품질의 변화가 커지는 경향이 있음. 32mm 이상의 두꺼운 판 -> 반드시 SM520 강재 사용.

23 구조용 강재의 규격 및 형상 진정(killed)의 정도에 따른 강의 분류
- 림드강(rimmed steel) : 탈산제로 망간철(ferro-manganese)을 사용하여 약간 탈산시킨 것으로 응고 시 탈산소 반응을 일으켜 일산화탄소(CO) 개스를 방출하는 것으로, 강괴는 개스를 방출함으로써 외벽으로 부터 고화되기 때문에 기포부상과 함께 불순물이 부상하여 주변부는 비교적 불순물이 적은 양질의 립층(rimmed layer)이 형성되며 내부는 불균질하다. 림드강은 저탄소압연강재에 폭넓게 사용되며 특히, 박강판 또는 압연강 표면의 평활을 필요로 할 경우에 적합하다. - 진정강(killed steel) : 용융강에 알루미늄, 규소철(ferro-silicon) 등의 강력한 탈산제를 혼입시켜 산소를 거의 제거시킨 것으로 온도가 하강하여도 비등하지 않는다. 진정강은 균질성이 높으며 천이온도(transition temperature)도 낮다. 또한, 편석, 기포가 적은 용접구조용 강재, 조선용 후판, 와이어 로우프용 선재 등에 적합하며 응고 과정 중의 수축으로 인해 강괴머리에 수축공이 발생한다. - 반진정강(semi killed steel) : 림드강과 진정강의 중간 성질을 갖는 강재

24 구조용 강재의 규격 및 형상 강봉 - 단면형태 : 원형, 4각형, 6각형, 8각형 - 철근이나 리벳, 볼트의 재료로 사용됨.
강판 - 열간 압연에 의해 제조됨. - 후판: 6mm 이상, 중판: 3~6mm, 박판: 3mm 이하 형강 - 특정한 단면형태로 열간압연된 구조용 강재 - 단면형상 : L형강(angle), H형강, I형강, ㄷ형강(channel), T형강 - H형강 = W단면 (미국 AISC규준) - I형강 = S단면 (미국 AISC규준)

25 구조용 강재의 규격 및 형상

26 구조용 강재의 규격 및 형상 경량형강 - 두께가 1.6~4.5mm 정도의 얇은 강판을 상온에서 압연성형하여 여러 가지 단면형상으로 만든 것. - 경 ㄷ형강, 경 Z형강, 경 ㄴ형강, 리브 ㄷ형강, 리브 Z형강, 모자형강, 리브 ㄴ형강 등. - 경량형강은 단위중량에 비하여 단면2차모멘트가 커서 휨재로 쓰임. - 반면, 단면이 얇아 국부좌굴에 약함. 강관 - 토목구조물, 건축구조물, 철탑, 비계 등에는 일반구조용 탄소강관이 주로 사용됨. - 단면이 큰 경우에는 고층건물의 기둥으로도 사용됨. 접합재 - 부재연결 : 볼트, 스터드, 용접 등 -> 강도 확보가 가장 중요함.

27 구조용 강재의 규격 및 형상

28 구조용 강재의 규격 및 형상

29 강재의 시험 및 기계적 성질

30 강재의 시험 및 기계적 성질 비례한계(proportional limit) f = E ε

31 강재의 시험 및 기계적 성질 공학적인 탄성한계 - 영구 변형이 0.01%일때의 응력 항복점(yield point)
- 하중을 더 이상 증가시키지 않아도 변형이 생기기 시작할 때의 응력. - 재하속도를 빠르게 하는 경우 : 상항복응력에 도달 -> 불안정 - 재하속도를 느리게 하는 경우 : 하항복응력에 도달 -> 기준

32 강재의 시험 및 기계적 성질 0.2% 변형도(0.2% offset method)
- 알루미늄과 같이 확실하게 항복점을 규명할 수 없을 경우에는 변형도가 0.2%일 때의 응력을 항복응력으로 가정하여 항복점 대신 사용함.

33 강재의 시험 및 기계적 성질

34 강재의 시험 및 기계적 성질 균일한 변형도 - 응력이 항복응력에 도달한 이후에도 일정한 변형의 범위 내에서는 시편의 전 길이를 통하여 균일한 변형이 발생함. 변형경화 구간(strain hardening) - 응력이 항복점에 도달한 후에도 계속해서 하중을 작용시킨 경우에 변형이 일정하게 일어나다가 다시 하중이 증가하는 구간. 인장강도(tensile strength) - 인장시험 시 발생하는 최대응력 - 응력-변형도 곡선의 최대응력이 발생하는 점에서의 접선은 변형도 축에 평행함.

35 강재의 시험 및 기계적 성질 넥킹 현상(necking)
- 일반적으로 응력이 인장강도에 도달하기 직전에 시편의 단면적이 한 곳에서 갑자기 줄어드는 현상. - 이후에는 이곳에 응력이 집중됨. 파괴 넥킹 현상(necking failure) - 시편의 파단 시 넥킹 현상 파괴 변형도 - 전장을 통하여 균일하게 일어나는 변형도 + 넥킹 변형도 - 파괴 변형도는 시편의 길이에 따라 변함. - 파괴 시의 변형도와 파괴 시의 넥킹 전도는 강재의 연성을 측정하는 기준이 됨.

36 강재의 시험 및 기계적 성질 - 진정하지 않은 연철의 응력 변형도 곡선(Wesche, K.) 인장강도와 항복강도의 비
- 인장강도와 항복응력의 비(fu/fy)가 클수록 소성힌지를 만들어 내는 능력이 증가함.

37 강재의 시험 및 기계적 성질 하중제거 시 응력감소
- 하중을 영구변형이 발생한 이후에까지 증가시키다가 가하던 하중을 제거하면 응력의 감소와 줄어드는 변형도 사이에는 선형적인 관계식이 성립. - 즉, 하중의 재하 시 탄성계수 = 하중의 제거 시 탄성계수 파괴 형태 - 전단파괴 : 전단력 -> 국부적인 큰 변형 -> 파괴 - 취성파괴 : 축방향 응력이 일정한 크기에 도달했을 때 변형이 발생하지 않은 상태에서 갑자기 시편의 축에 수직한 방향으로 갈라지는 파괴 - 혼합파괴

38 강재의 시험 및 기계적 성질

39 강재의 시험 및 기계적 성질 횡방향 변형도 - 축하중을 받는 부재에서 하중작용 방향의 변형도에 대한 직각방향의 변형
- 변형의 정도는 프와송비(ν)로 나타냄.

40 강재의 시험 및 기계적 성질 경도시험 - 재료의 변형에 대한 저항을 측정하는 시험.
- 압입경도(indentation hardness) 시험 : 일정한 압입물체를 규정된 하중으로 시험편 표면에 눌러서 생기는 오목부의 크기로 표시하는 방법 -> 철강의 경도시험 방법 : brinell의 경도시험, Rockwell 경도시험 - 반발경도(rebound hardness) 시험 : 일정한 치수의 해머를 일정한 높이에서 시험편 표면에 떨어뜨려 충돌 후의 반발 높이로 표시하는 방법 - 긋기경도(scratch hardness) 시험

41 강재의 시험 및 기계적 성질 충격시험 - 강재의 취성파괴에 대한 저항을 측정하기 위한 시험
- 취성파괴의 원인 : 다축응력상태, 낮은 온도, 빠른 재하속도 등 - 힘이 가해지는 방법에 따른 분류 : 충격 인장시험, 충격 압축시험, 충격 휨시험, 충격 비틂시험 등 - 충격 휨시험 : charpy 충격시험, Izod 충격시험

42 강재의 시험 및 기계적 성질 굽힘시험 - 재료의 굽힘 능력(가공성)을 측정하는 시험
- 재료의 종류에 따라서 결정된 치수의 형 또는 봉강에 압력을 가하여 구부리고 만곡부 외부의 파열여부를 관찰. - 시편의 외부 표면에 균열이 발생해서는 안됨.

43 강재의 시험 및 기계적 성질 용접 굽힘 시험 - 용접부의 연성과 안전성을 조사하기 위한 시험
- 자유 굽힘, Roller 굽힘, 형틀 굽힘 등 - 최대 굽힘 하중은 균열이 일어나는 순간의 값으로 표시. - 재료의 인성(tenacity)은 굽힘 각도 또는 처짐의 크기로 나타냄.

44 강재의 시험 및 기계적 성질 온도시험 - 강재는 높은 온도에서는 아주 작은 하중이 작용하는 경우에도 크리프(creep) 현상을 나타냄.

45 강재의 시험 및 기계적 성질 Z-방향 인장시험 - 용접작업 시 강판두께 방향(Z방향)으로 큰 구속응력이 작용 -> 층상의 용접균열 발생 : 내층상박리(lamellar tear) - 강재를 두께방향(Z방향)으로 시편가공 후 인장시험. - 일반적으로 두께 12mm 이상에서 실시됨.

46 강재의 피로(fatigue) 피로파괴(fatigue failure)
- 강재에 하중이 반복하여 작용 -> 공칭응력이 상당히 작은 경우에도 용접부 등의 응력집중이 심한 곳에서 균열이 발생 -> 균열 진전 -> 부재 파단 - 피로균열은 반복 하중 하에서 소성변형이 국부적으로 발생되는 부분(용접부 또는 기하형상이 급격히 변하는 곳)에서 생성됨. - 구조부재의 피로강도에 영향을 미치는 변수 : 응력(하중), 구조부재의 기하형상, 외부 환경요인 등 - 피로수명 증가 <- 응력집중 완화, 작용 공칭응력의 크기 감소

47 강재의 피로(fatigue) S-N 곡선 - 재료의 피로에 대한 저항능력 즉, 피로강도를 나타내기 위한 응력범위(f)와 응력반복회수(N)와의 관계 그래프.

48 건설용 강재의 수요변화 및 개발추이

49 강구조의 공법