용접한 건축구조용 강재의 고온 시 기계적 특성에 관한 연구

Abstract

최근 건축구조용 강재는 제조 및 생산기술의 발달로 더욱 고품질화 및 고강도화 되고 있다. 강재는 타 구조재료에 비해 조직이 균질하여 결함이 적으며 비강도가 매우 높다. 이러한 강재가 초고층 및 장스팬 건축물과 같은 대형건축물에 적용되면서 구조부재의 경량화와 유효공간의 증대가 이루어지고 있다. 반면, 강재는 화재와 같이 고온에 노출될 경우, 강도 및 탄성의 저하가 발생하는 단점이 있다. 강재의 강도 및 탄성의 저하는 구조물의 붕괴까지도 초래할 수 있다. 이에 강재의 내화성능에 대한 연구는 국내외에서 많이 이루어지고 있는 실정이지만, 강재를 건축구조물에 적용하는데 있어 필수공정인 용접에 의해 형성되는 용접부에 대한 내화성능에 관한 연구는 부족한 실정이다. 용접부는 용접 금속(weld metal)과 열영향부(HAZ; heat affected zone)로 구분할 수 있다. 건축구조물에 주로 사용되는 용융 용접에서 발생하는 고온은 열원으로부터의 거리에 따른 온도분포 및 가열·냉각속도에 따라 강재의 미세조직 및 기계적 성질의 변화를 야기한다. 특히 급열·급랭의 용접공정에 따른 연성 및 인성 저하에 의하여 용접부재는 구조물의 취약부로 작용할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 용접한 건축구조용 강재의 고온 시 기계적 특성을 파악하여 강구조 내화설계 시 활용할 수 있는 기초자료로 제시하기 위하여 국내 건축구조물에서 사용되고 있는 대표적인 강재인 SS400과 SM490을 플럭스 코어드 아크 용접(FCAW)하였다. 용접공정 후 SS400과 SM490의 용접부 미세조직을 관찰하여 용접이 강재의 기계적 특성에 미치는 영향을 파악하고, 비용접부위와 용접부위에서 시험편을 채취하여 상온 및 고온에서 한국산업규격(KS)에 따라 탄성계수, 항복강도, 인장강도, 연신율을 파악하여 용접한 건축구조용 강재의 고온 시 기계적 특성을 파악하였다. 인장시험 후 파단부의 미세조직 관찰 및 파단위치 추정을 통하여 용접부재의 취약부를 파악하였다.

본 논문은 총 4장으로 구성되어 있으며, 각 장의 내용은 다음과 같다.

제 1 장에서는 본 연구의 목적, 연구의 방법 및 범위에 대하여 기술하였다. 제 2 장에서는 강재의 고온특성 및 용접부 미세조직에 대하여 문헌고찰을 하였다. 제 3 장에서는 용접한 건축구조용 강재의 고온 시 특성을 파악하기 위해 실험 및 실험방법에 대한 사항을 기술하였다. 제 4 장에서는 각 인자에 따른 실험결과를 종합하여 결론을 도출하였으며 결론의 내용은 다음과 같다.

(1) 용접부 미세조직의 페라이트:펄라이트의 체적 분율을 분석한 결과, 모재부의 경우 SS400이 82:18, SM490이 75:25로 나타났고, 부분 변태역·취화역의 경우 SS400이 72:28, SM490이 69:31로 모재부에 비해 펄라이트의 체적 분율이 증가한 것으로 나타났다.

(2) SS400의 인장실험결과, 600℃에서 용접부재의 항복강도는 항복강도 기준치의 75%로 허용치를 상회하는 것으로 나타났고, 인장강도는 인장강도 기준치의 53%로 허용치를 상회하는 것으로 나타났다. 연신율은 용접부재가 비용접부재에 비해 상온에서 61%, 600℃에서 82%의 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 용접부재의 파단은 페라이트:펄라이트 체적 분율을 분석한 결과 모재부에서 발생한 것으로 판단되며, 인장시험 전 용접중심선을 기준으로 상온시험편은 17.04㎜, 600℃시험편은 19.79㎜에서 일어난 것으로 추정된다.

(3) SM490의 인장시험결과, 600℃에서 용접부재의 항복강도는 항복강도 기준치의 76%로 허용치를 상회하는 것으로 나타났고, 인장강도는 인장강도 기준치의 61%로 허용치를 상회하는 것으로 나타났다. 연신율은 용접부재가 비용접부재에 비해 상온에서 72%, 600℃에서 82%의 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 용접부재의 파단은 페라이트:펄라이트 체적 분율을 분석한 결과 모재부에서 발생한 것으로 판단되며, 인장시험 전 용접중심선을 기준으로 상온시험편은 16.85㎜, 600℃시험편은 17.00㎜에서 일어난 것으로 추정된다.