[6] 강구조 02. 재료

KDS 41 30 10 : 2022 기준

3. 재료

• 3.1 재질
• 3.1.1 구조용강재
• 3.1.2 접합재료
• 3.1.3 철근 및 콘크리트
• 3.2 형상 및 치수
• 3.3 재료의 강도
• 3.3.1 구조용강재
• 3.3.2 접합재료의 강도
• 3.4 재료정수

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1. 강재 재료의 특성

 

 

 

(1) 제선 – 철광석으로부터 선철을 뽑아내는 과정

- 철광석, 코크스(석탄에서 뽑아냄), 석회석을 용광로에 투입하고 하부에 뜨거운

공기를 불어넣음. 이때 환원작용을 통해 철광석의 산소가 분리되고, 불순물들은

비중에 따라 분리되어 선철이 용광로 하부에 남게 됨

 

(2) 제강 – 선철의 성질을 변화시키거나 고철을 전기로에서 용융시켜 강재를 만드는 과정

- 제강공정에서 선철의 탄소량을 효율적으로 줄이고, 인, 황 등의 불순물을 선택적으로 제거하여 강의 성질을 제어

 

(3) 성형(압연) - 강재를 일정한 형태와 단면·성질을 갖는 부재로 만드는 과정

  ① 열간압연 : 강재를 고온으로 가열하여 회전하는 롤러 사이에 반복통과시켜 만듬

  ② 냉간압연 : 얇은 두께의 강판을 상온에서 프레스로 찍어냄

 

강재의 화학적 성질

 

(2) 강재의 종류
① 탄소강 : 가격이 싸고 성질이 우수해 가장 널리 사용, 탄소량에 따라 강도와 인성이 결정
② 구조용 합금강 : 탄소강의 단점을 보완하기 위해 합금원소(Cr, Mo, V 등)을 첨가, 탄소강에 비해 고강도를 얻으면서 인성감소 억제
③ 열처리강 : 담금질(강을 가열후 급냉)과 뜨임(적당한 온도로 가열 냉각하여 강재의 조직 안정화)의 열처리를 토해 얻어낸 고강도강
④ TMCP강 : 압연과 열처리를 동시수행(압연온도, 냉각조건제어)하여 만든 높은 강도와 인성을 갖는 강재

     - 두께40t 이상에서 항복강도 동일, 용접성 우수, 소성변형능력 우수(내진설계에 적합) 용접성 탄소당량 0.44%이하일 때 용접에 적합

 

 

강재의 특징

 

내후성강(SPA강)

내화강(FR강) Fire Resistance)

SN(Steel for New structure)

SHN(

 

 

 

 

 

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2. 강재의 기계적 성질

1) 강재의 응력-변형도 곡선

① 탄성영역 : - 응력과 변형도가 비례, 즉 후크의 법칙이 성립하는 구간.

              - 하중을 제거하여도 원래대로 돌아옴.

⑤ 비탄성영역 : 탄성구간을 제외한 모든구간을 비탄성영역으로 통칭

② 소성영역 : - 응력의 증가 없이 변형도만 증가

              - 하중을 제거 시 잔류 변형이 발생하여 원래대로 돌아오지 않음.

③ 변형도 경화영역 : 소성영역 이후 비선형으로 응력과 변형도가 증가하는 구간

④ 파괴영역 : 네킹으로 단면적이 감소하며, 강재의 파단이 발생하는 영역

                      (강재가 받는 실제 응력은 증가)

 

2) 0.2% Offset

변형도값이 0.2%인 곳에서 원래의 응력-변형도 곡선상의 기울기(탄성계수)와 동일한 기울기로 선을 그렸을 때 만나는 점을 항복점으로 고려

0.2% Offset

 

3) 연성과 인성

  (1) 연성 (Ductility)

    - 재료가 하중을 받아, 비례한도 후 파괴에 이르기까지 큰 소성변형을 할수 있는 능력

    - 인장실험으로 측정 : 시험편의 신장률과 단면적이 줄어드는 것으로 측정

  (2) 인성(Toughness)

    - 재료가 파단시까지 흡수할 수 있는 변형에너지 밀도

    - 재료의 강도와 연성에 의해 좌우됨

    - 샤프피 시험으로 측정

 

      예) 고무줄의 경우 연성능력은 좋으나 인성능력은 나쁨.

            유리의 경우 연성능력은 나쁘나 인성능력은 좋음.

 

4) 샤르피 시험 방법

노치를 가진 시험편을 일정한 높이에서 해머로 타격해서 파단시키고 그때의 흡수 에너지를 구하는 방법

인성 측정시 사용

샤르피 충격치 : 샤르피 흡수에너지를 노치부 원단면적으로 나눈 값

 

5) 바우싱거 효과

재료의 탄성한계를 초과한 인장력을 가한후에 압축력을 가하면 인장에 대한 타성계보다 낮은 응력상태에서 재료가 항복하게 되는현상

 

6) 항복비 (Yield Ratio)

- 항복비가 클수록 연성적인 거동을 확보할 수 없으며, SN강재(B,C)의 경우 항복비의 상한치를 규정하고 있음.

 

 

7) 라멜라 태어링

   (1) 라미네이션

     - 얇은판과 판상의 조직이 어떤 방향으로 층을 이루어 겹쳐져 만나는 것

 

그림 삽입 예정

 

    (2) 발생원인

     - 압연방향보다 두께방향이 연성이 약하다

  용접 및 구속에 의해 생김

 

그림 삽입 예정

 

    (3) 방지대책

 

용접상세 합리적으로 계획

 

용접회수 저감

 

넓은 개선각 대신 좁은 개선각 (Narrow Gap Welding) 적용

   

 

 

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3. 강재 온도에 의한 특성 및 용접성

 

 

 

인장강도 : 200~300 청열취성  , 300~600 급격히 감소, 최종 50%감소

영계수 : 온도증가함에 따라 감소

항복강도 : 온도증가함에 따라 감소

연신율 : 250에서 늘어남이 최소 ( 청열취성), rkdwodml gnlarkrhd vlgkfrjt, flqptajfl rkffkwladml dnjsdls

 

청열취성(Blue Shortness) 

 

 

 

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4. 강재의 용접성

 

탄소량이 많을수록 고강도이나 연성 및 용접성이 떨어짐

 

 

 

 

 

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5. 강재의 표기법

 

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6. 강재의 강도

 

3.1.1 구조용강재 (이전)

(1) 구조용 강재는 표 3.1-1에 나타낸 한국산업표준(이하 ‘KS‘라 한다)에 적합한 것을 사용한다.

표 3.1-1 주요 구조용강재의 재질규격

번호	명칭	강종
KS D 3503	일반구조용 압연 강재	SS275
KS D 3515	용접구조용 압연 강재	SM275A, B, C, D, -TMC SM355A, B, C, D, -TMC SM420A, B, C, D, -TMC SM460B, C, -TMC
KS D 3529	용접구조용 내후성 열간 압연 강재	SMA275AW, AP, BW, BP, CW, CP SMA355AW, AP, BW, BP, CW, CP
KS D 3861	건축구조용 압연 강재	SN275A, B, C SN355B, C
KS D 3866	건축구조용 열간 압연 형강	SHN275, SHN355, SHN460
KS D 5994	건축구조용 고성능 압연강재	HSA650

 

 주요구조용 강재의 재료강도(MPa)

 

3.4.1 강재의 강도

(1) 표 3.1-1에  나타낸  구조용  강재의  항복강도 Fy 및 인장강도 Fu는  표 3.4-1~표 3.4-3에  나타낸 값으로  한다. 다만,  표 3.4-1~표 3.4-3에 항복강도 및 인장강도가 정의 되지 않은 강재는 표 3.1-1의 관련 KS표준에 명시된 재료의 강도값을 사용한다.

표 3.4-1 주요 구조용 강재의 재료강도(MPa)

강도	강재   기호 판 두께	SS235	SS275	SM275 SMA2751)	SS315	SM355 SMA3551)	SS410	SM420	SS450	SM4602) SMA4603)	SS550
Fy	16mm 이하	235	275	275	315	355	410	420	450	460	550
	16mm 초과 40mm 이하	225	265	265	305	345	400	410	440	450	540
	40mm 초과 75mm 이하	205	245	255	295	335	-	400	-	430	-
	75mm 초과 100mm 이하	205	245	245	295	325	-	390	-	420	-
	100mm 초과	195	235	235	275	305	-	380	-	-	-
Fu		330	410	410	490	490	540	520	590	570	690
주1) SMA275CW,CP, SMA355CW, CP 적용두께 100mm 이하 주2) SM460B, C는 주문자 제조자 협정에 따라 150mm 이하  강판 제조 가능 주3) SMA460W, P 적용두께는 100mm 이하

표 3.4-1 주요 구조용 강재의 재료강도(MPa) (계속)

강도	강재   기호 판 두께	HSB380 HSM5001)	HSB460	HSB6902)	HSA6502)	SM275-TMC3)	SM355-TMC3)	SM420-TMC3)	SM460-TMC3)
Fy	100mm 이하	380	460	690	650	275	355	420	460
Fu	100mm 이하	500	600	800	800	410	490	520	570
주1) HSM500 적용두께는 22mm 이하 주2) HSA650, HSB690 적용두께는 80mm 이하 주3) 열가공제어(TMC)를 한 경우 두께에 따른 항복강도의 저감없이 기준값(16mm이하의 항복강도)을 적용한다         건축 강구조에 적용되는 TMC강재의 적용두께는 80mm 이하

 

표 3.4-1 주요 구조용 강재의 재료강도(MPa) (계속)

강도	강재   기호 판 두께	SN275	SN355	SN460	SHN2752)	SHN3552)	SHN4202)	SHN4602)
Fy	6mm 초과 40mm 이하	275	355	460	275	355	420	460
	40mm 초과 100mm이하	2551)	335	440
Fu	100mm이하	410	490	570	410	490	520	570
주1) SN275A의 항복강도는 265MPa 주2) SHN강의 적용두께는 75 mm 이내

 

표 3.4-2 강관의 재료강도(MPa)

강재  기호 강도	SGT2751) SRT2752) STP2755)	SGT3551) SRT3552) STP3555)	SGT4101) SRT4102)	STP380 STKM5004)	SGT4501) SRT4502) STP450	SGT5501) SRT5502) STP550	SHT410	SHT4603)	SKY400	SKY490
Fy	275	355	410	380	450	550	410	460	235	315
Fu	410	500	540	500	590	690	550	590	400	490
주1) 적용두께는 40mm 이하 주2) 적용두께는  30mm 이하 주3) 적용두께는 25mm 이하, 세립 킬드강 주4) 적용두께는 22mm 이하 주5)  STP275, STP355강의 인장강도()는 각각 400, 490MPa 이상 비고1) 강제갑판(SDP)의 재료강도는 모재의 강도 적용

 

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7. 물리상수

 

3.4 재료정수

(1) 구조용 강재의 탄성계수, 전단탄성계수, 푸아송비 및 선팽창계수 등의 재료정수는 표 3.4-1에 나타낸 값으로 한다.

표 3.4-1 강재의 재료정수

정수 재료	탄성계수(E) (MPa)	전단탄성계수(G) (MPa)	푸아송비	선팽창계수 (1/℃)
강재	210,000	81,000	0.3	0.000012

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