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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.10 No.6 pp.78-83
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2019.10.6.078

Structural Performance Analysis of Steel Plates with Deformation of Circular Steel Tube

Oh Jae Yuel1,Lee Se Jung2,Jung Jinan3,Park Dae Geon4,Yang Il Seung5
1Chief of Researcher, Sejin R&S, Seoul, Korea
2Chief of Executive, Sejin R&S, Seoul, Korea
3Senior Researcher, POSCO, Seoul, Korea
4Chief of Executive, Dukam Tech., Jeollanam-do, Korea
5Associate Professor, Department of Architectural Engineering, Dongshin University, Naju, Korea
Corresponding author: Yang, Il Seung Department of Architectural Engineering, Dongshin University, 185, Geonjae-ro, Naju-si, Jeollanam-do, 58245, Korea. Tel: +82-61-330-3129 Fax: +82-61-330-3103, E-mail: yang1698@dsu.ac.kr
November 5, 2019 November 28, 2019 December 3, 2019

Abstract


For structural steel, experiencing a large deformation above yield strain results in changes in structural performance such as yield strength, extreme strength and ductility. Since these in material properties occur during the fabrication process of the circular tube, it is necessary to identify the effects of deformation on the structural performance. Therefore, in this study, a number of tensile experiments were conducted by collecting test pieces in the direction of longitudinal and transverse of steel tube with parameter of the diameter and the thickness of the circular steel tube. Based on the results of the experiment, it was found that the test piece taken from the circular steel plate had greater yield strength and tensile strength compared to the test piece taken from the coil, and the elongation rate decreased.



원형강관 제작시 발생하는 변형을 경험한 강판의 구조적 성능분석

오재열1,이세정2,정진안3,박대곤4,양일승5
세진알앤에스 소장1, 세진알앤에스 대표2, 포스코 책임연구원3, 덕암테크 대표4, 동신대 건축공학과 부교수5

초록


일반적인 구조용 강재의 경우 항복변형률의 이상의 변형을 경험한 이후에 하중을 제거하면 재가력되는 시점에 따라 서 재료의 항복강도는 증가하고 연성이 감소하는 현상을 보인다. 원형강관의 경우 철판을 말아서 제작하는 과정에서 철판의 두 께와 원형강관의 직경에 따라서 항복변형률이상의 큰 변형을 경험하게 되고 이러한 변형은 제작된 강관의 구조적인 성능에 많 은 영향을 미친다. 이러한 이유에서 제작과정에 발생하는 변형이 원형강관의 구조성능에 미치는 영향을 파악할 필요가 있다. 따 라서, 이 연구에서는 원형강관을 제작하는 경우에 발생하는 변형에 의한 철판의 항복강도, 인장강도 및 연성 등의 영향을 파악 하기 위해서 강관의 직경 및 두께와 시험편을 채취한 방향을 변수로 다수의 인장실험을 수행하고 이를 분석하였다. 실험 결과 를 바탕으로 원형강판에서 채취한 시험편은 코일에서 채취한 시험편에 비해 항복강도와 인장강도가 더 높았고, 연신율은 낮아 진 것으로 나타났다.



    1. 연구배경 및 목적

    일반적인 구조용 강재의 경우 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 항복변형률(εy)의 이상의 변형을 경험한 이후에 하중을 제거하면(unloading) 재가력(reloading)되는 시 점에 따라서 항복강도는 증가하고 연성이 감소하는 현상을 보인다(Wen, et al., 2015; Zhang, et al., 2019). 이러한 현상을 시효 경화(age hardening)라고 한다 (Arrayago, et al., 2015;Zhang, et al., 2015).

    건축물뿐만 아니라 최근 교량에서도 많이 사용되 는 원형강관의 경우 철판을 절곡해서 제작하는 과정 에서 원형강관의 직경과 두께에 따라 항복변형률 이 상의 큰 변형을 경험하게 되고 이러한 변형은 제작 된 강관의 구조적인 성능에 많은 영향을 미친다(Kim and Pack, 2019;Schafer and Rekoz, 1998;Yoshida and Kuwabara, 2007). 이러한 이유에서 제작과정에 발생하는 변형이 원형강관의 구조성능에 미치는 영 향을 파악할 필요가 있다. 따라서, 이 연구에서는 원 형강관을 제작하는 경우에 발생하는 변형에 의한 철 판의 항복강도, 인장강도 및 연성 등의 영향을 파악 하기 위해서 다수의 인장실험을 수행하고 이를 분석하 였다.

    2. 원형강관의 변형

    원형강관은 많은 구조적인 장점 때문에 여러 분야에 서 널리 사용되고 있다(Lee, et al., 2019). 원형강관은 Fig. 2에 나타낸 것과 같이 강관의 중심에서 중립축 인 철판의 중심까지의 거리가 곡률반경(ρ)이며 강관 의 내측은 압축변형이 발생하고 외측은 인장변형이 발생하게 된다. 이 때 발생하는 최외단의 변형룰(εt)은

    ε t = ± y ρ = ± t / 2 ( D t ) / 2
    (1)

    으로 산정이 가능하다. 여기서 y는 중립축에서 떨어 진 거리이고 Dt는 각각 원형강관의 직경과 두께 이다. 이 식을 사용하여 강관의 두께와 직경을 변수 로 변형률을 산정하여 Fig. 3에 나타내었다. 원형강 관의 직경이 작고 철판의 두께가 두꺼워질수록 원형 강관의 최외단에 큰 변형이 발생하는 것을 확인할 수 있다.

    3. 실험적 연구

    3.1 실험계획

    이 연구에서 사용된 강재는 철탑용 고장력강 강관인 SHT460(구 STKT590)이다. 시험편은 Fig. 4(a)에 나타 낸 것과 같이 강관에서 길이방향과 원주방향으로 각 각 채취한 시험편으로 구분된다. 원형강관은 직경 (D ), 두께(t)의 영향을 보기 위해서 직경은 318.5 ~ 609.6 mm이고 두께는 7 ~ 15.3 mm이며, 시험편의 종류와 개수는 Table 1에 정리하여 나타내었다. ϕ 318.5×10t인 강관과 직경이 ϕ406.4×14t인 강관의 제 작에 사용된 철판은 Fig. 4(b)에 나타낸 것과 같이 코일 상태에서 압연방향과 압연방향의 직각방향의 시편을 채취하여 강관상태에서 채취된 시험편과 비 교하였다. 모든 강관에서는 각 5개의 시험편을 채취 하여 ϕ 508 mm와 ϕ 609.6 mm인 강관에서는 각 3 개씩의 시험편을 채취하여 총 82개의 시험편을 제작 하여 인장실험을 수행하였다.

    인장시험편의 종류는 KS B 0801에서 제시하고 있는 시험편의 모양 및 치수에 따라서 강관의 길이 방향으로 채취한 시험편은 12A호로 제작하고 나머 지 강관의 원주방향과 코일에서 채취한 시험편은 5 호로 제작하였다. 제작된 인장시험편의 모양 및 치 수는 Table 2에 나타내었다. 제작된 시험편은 UTM (Universal Test Machine)을 사용하여 인장실험을 진 행하였으며, 양면에 1개씩 2개의 변형률 게이지를 설치하여 시험편에 발생하는 변형률을 측정하였다.

    3.2 실험결과

    인장실험결과를 Fig. 5에 항복강도, 극한강도 그리고 연신율의 평균값으로 정리하여 나타내었다. 이 때 항복강도는 항복점이 뚜렷하게 보이지 않을 경우 제 하(unloading)시 0.2%의 영구변형도를 가지는 점의 응력을 항복강도로 산정하는 0.2%-옵셋 방법을 사용 하였다. Fig. 5(a)에 나타낸 것과 같이 ϕ 318.5×7t 강 관에서 원주방향으로 채취한 시험편에서 최대 항복 강도인 583.9 MPa을 보였으며, ϕ 609.6×15.3t 강관에 서 길이방향으로 채취한 시험편에서 최소 항복강도 인 505.3 MPa을 보였다. KS D 3777에서는 SHT460 의 항복강도를 460 MPa 이상으로 제시하고 있어 이 연구에서 수행된 모든 시험편은 이를 만족하였다. 강관에서 채취된 시험편은 원주방향의 시험편이 길 이방향의 시험편보다 큰 항복강도를 보이는 것을 확 인할 수 있었으며, 이러한 경향은 강관의 제작에 사 용된 철판의 두께가 두꺼워질수록 분명하게 나타나 두꺼운 철판을 사용한 강관일수록 변형에 의하여 경 화된 강도가 큰 것을 확인하였다. 코일에서 채취한 시험편의 항복강도는 방향에 영향이 거의 없는 것으 로 나타났다.

    Fig. 5(b)에 나타낸 것과 같이 최대 극한강도는 ϕ 406.4×14t 강관에서 원주방향으로 채취한 시험편에서 688.9 MPa를 보였으며, ϕ 609.6×15.3t 강관에서 길이 방향으로 채취한 시험편에서 최소 극한강도인 597.8 MPa을 보였다. KS D 3777에서 극한강도는 590~740 MPa의 범위로 제시하고 있어 모든 시험편은 이를 만족하였다. 극한강도도 항복강도와 유사하게 원형 강관의 원주방향으로 채취한 시험편의 극한강도가 길이방향으로 채취한 시험편의 극한강도보다 큰 값 을 가지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 두꺼운 철 판을 사용하여 제작한 원형강관에서 채취한 시험편 에서 더 명확하게 나타났다.

    강관의 길이방향과 원주방향에서 채취한 시험편 의 연신율은 각각 23.3~32.8과 24.5~33.4로 KS D 3777에서 제시하고 있는 길이방향과 원주방향의 최 소 연신율인 20과 16을 확보한 것을 확인하였다. 강 관의 길이방향과 원주방향의 연신율의 차이는 거의 없는 것으로 나타났으며, 코일에서 채취한 시험편의 연신율이 강관에서 채취한 시험편의 연신율보다 다 소 크게 측정되었다.

    4. 실험결과 분석

    Fig. 6에는 ϕ318.5×10t와 ϕ406.4×14t인 원형강관 및 코일에서 채취한 시험편들의 파괴까지의 응력-변형 률 곡선과 초기 변형을 자세히 분석하기 위해서 초 기 변형구간(0~0.03)을 확대해서 나타내었다.

    Fig. 6(b)(d)에서 확인할 수 있듯이 ϕ318.5×10t 와 ϕ406.4×14t의 원형강관에서 채취한 시험편들의 항복점이 코일에서 채취한 시험편들의 항복점보다 늦게 나타났다. 또한, Fig. 6(a)와 ©에서 확인할 수 있듯이 강관에서 채취한 시험편은 코일에서 채취한 시험편에 비해서 항복 후에 소성영역이 거의 없이 변형도 경화구간으로 진입하는 것으로 관찰되었다. 이러한 현상은 원형강관의 직경에 비해서 철판의 두 께가 두꺼워 제작과정에서 비교적으로 큰 변형이 발 생한 ϕ406.4×14t에서 더욱 명확하게 나타났다.

    ϕ318.5×10t 원형강관에서 채취한 시험편과 코일 에서 채취한 시험편은 비슷한 극한강도는 보였다. 하지만, ϕ406.4×14t 원형강관에서 채취한 시험편의 극한강도가 코일에서 채취한 극한강도보다 약 6 % 높은 강도를 가지는 것으로 나타났다. 또한, 두 강관 에서 채취한 시험편의 극한변형률이 코일에서 채취 한 시험편의 극한변형률보다 작은 것을 확인할 수 있다. 이러한 현상은 제작과정에서 발생한 변형과 시효경화에 의한 것으로 판단된다.

    강관에서 채취된 시험편의 응력-변형률 곡선에서 는 극한강도에 도달한 이후에 급격하게 강도가 저하 되는 것을 확인할 수 있다. 이는 제작과정에서 발생 하는 변형이 철판의 중심을 중립축으로 강관의 외측 과 내측에 각각 인장변형과 압축변형이 발생하며, 제작과정에서 발생한 인장변형과 인장시험에서 발생 하는 변형이 누적되어 강관의 외측에서 먼저 파괴되 고 점차 강관의 내측으로 파괴가 일어나기 때문인 것으로 판단된다. 이러한 원인으로 ϕ318.5×10t와 ϕ 406.4×14t 원형강관에서 채취된 시험편의 연신율이 코일에서 채취된 시험편의 연신율보다 각각 4%와 14.4% 낮을 것을 확인할 수 있다.

    Fig. 7에는 시험편의 파괴된 단면과 측면의 모습 을 정리하여 나타내었다. 원형강관의 외측에서부터 내측으로 발생하는 순차적인 파괴로 Fig. 7(a)와 (b) 의 원형강관에서 채취한 시험편의 파괴단면이 Fig. 7(c)(d)의 코일에서 채취한 시험편의 파괴단면과 다르게 여러 층의 결이 발생한 것을 확인할 수 있 다. 또한 강관에서 채취된 시험편의 측면부도 코일 에서 채취된 시험편의 측면부에 비해서 다소 거칠게 파괴된 것을 확인할 수 있다.

    5. 결 론

    이 연구에서는 원형강관의 제작과정에서 발생하는 변형이 구조성능에 미치는 영향을 파악하기 위해서 철탑용 고장력강 강관인 SHT460을 사용하여 제작된 강관을 직경 및 두께를 변수로 원형강관과 코일에서 길이방향과 원주방향의 시험편을 채취하여 인장실험 을 수행하였다. 수행된 실험결과를 바탕으로 아래와 같은 결론을 도출하였다.

    • 1) 원형으로 제작된 강관에서 채취한 시험편은 제작과정에서 변형을 경험하여 코일에서 채취 한 시험편에 비해 극한강도는 약 2.2 % 높았 고, 연신율은 약 5 % 낮을 것을 확인하였다.

    • 2) 원형강관에서 채취한 시험편은 극한강도를 도 달한 이후에 급격하게 강도가 저하되는데 이 는 원형으로 제작하는 과정에서 발생한 인장 변형이 원인인 것으로 판단된다.

    • 3) 강관에서 채취한 시험편의 파괴된 단면형상과 측면형상을 통해 인장측에서 압축측으로 단면 이 순차적으로 파괴된 것을 확인할 수 있다.

    • 4) 이러한 현상들은 원형강관의 직경과 제작에 사용된 철판의 두께에 영향을 받으며, 직경에 비해서 두께가 두꺼운 원형강관에서 명확히 나타나는 것을 확인하였다.

    Figure

    KOSACS-10-6-78_F1.gif
    Stress Strain Relationship after Strain Ageing
    KOSACS-10-6-78_F2.gif
    Distributions of Strain in Manufacturing
    KOSACS-10-6-78_F3.gif
    Strain of Steel Tube
    KOSACS-10-6-78_F4.gif
    Location of Sampling Test Piece
    KOSACS-10-6-78_F5.gif
    Test Result
    KOSACS-10-6-78_F6.gif
    Stress-Strain Relationship Curve
    KOSACS-10-6-78_F7.gif
    Failure Shape of ϕ 406.4×14t

    Table

    The Number of Pieces
    Shape and dimensions of Pieces

    Reference

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