인장강도 490급(FR355B) 내화강의 고온크리프 특성 및 거동

1.1 연구의 필요성 및 목적

대공간화 및 다 기능화에 따라 화재 시 피해 규모는 점차 증가 되고 있다. 이에 따라 화재 안전기술 중요성에 대한 인식은 높아지고 있다. 화재로 인해 발생되는 피해수준은 막대하다. 국가 손실은 물론 파급여파가 큰 주요 시설물에서는 더욱 더 화재에 대한 유지/관리 대책마련이 명확해질 필요가 있다. 이러한 노력의 일환으로 최근 몇 년 사이에 실험을 통해 검증하기 어려운 부분을 해소하고자 시뮬레이션 기법이 다양해지면서 성능적 내화설계를 유도하는 연구가 소개되었다. 경계조건이 자유로워졌고 다양한 변수에 의해 예측이 가능하지만 그럼에도 실제 건물에 적용하기에 어려움이 있어 한계점을 들어내고 있다. 그 원인은 시뮬레이션을 하기 위한 요구조건 데이터들을 대부분 이상적으로 가정하거나, 일반적인 값(default)으로 설정하는데 문제가 있다. 그렇다 보니 오히려 과대설계를 유도하거나, 현장에 적합하지 않은 결과물을 제공하게 된다. 따라서 실제 구조물의 변화를 인식하고 데이터를 누적할 수 있는 합리적인 근거자료 제시가 시급하다.

내화설계에 있어 가장 기준이 되는 것은 강재의 임계점이라 할 수 있다. 강재가 갖는 강도는 온도 상승에 따라 반비례 관계에 있으며 고온 시 크리프는 550∼600℃ 사이에서 구조물의 변형을 초래하는 거동을 보인다. 또한 강재의 탄성계수의 경우 600℃에서 상온대비 60∼65% 수준을 보이고, 600℃이상에서는 탄성계수가 급격하게 떨어지는 현상을 나타냈다. 이러한 선행연구^[1],[2]를 근거로 각 국가기관별 또는 협회에서는 Table 1과 같이 화재 시 강재가 갖는 허용 온도를 설정하여 내화성능 평가에 활용기준으로 삼고 있다. 한편 이런 기준은 성능설계를 유도함에 있어 강종에 따른 역학성질을 고려하지 않고 일률적으로 부재 표면 허용(538℃) 및 한계(649℃)온도로 내화성을 평가하고 있는바, 내화성능설계에 한계를 갖고 있다.

Table 1.

Allowable and Limit temperature[6],[7]

내화강(Fire Resistance steel, FR)의 경우 고온노출 상태에서도 강도 유지가 가능하고, 강재 허용 온도가 일반강재에 비하여 상대적으로 높으므로 정량적인 내화성을 분석할 필요가 있다. 따라서 본 논문에서는 내화강을 기준으로 응력비와 온도 변수에 따른 고온 크리프 실험을 통해 화재 시 역학적 특성과 거동을 분석하고자 한다.

1.2 국내외 연구동향 분석

1.2.1 고온상태의 강재 특성

일반적으로 강재는 고온에 노출되면 기계적 특성이 변화하는 단점을 갖고 있다. 강재 인장강도는 100~300℃ 사이에서 청열취성(Blue Shortness) 효과에 의해서 일시적으로 소폭 증가하는 특이한 현상을 보이나 그 이상의 온도에서는 강도가 감소하며 약 600℃ 정도에서 인장강도와 항복강도는 상온에서의 강도에 절반정도로 감소된다. 강성의 변화는 강재의 변형과 직접적인 관계가 있으므로 매우 중요하다. 약 600℃ 에서 강성은 상온에서의 60% 정도로 감소된다.

강재의 재료성능 변화는 강종에 따라 차이가 있겠지만, 일반적으로 약 720℃를 초과 할 경우 항복점이 불명확해지는 것으로 조사됐다. 선행연구에 의하면 600℃이하의 고온에 노출됐을 경우 원래 강도로 회복되므로 재료상 커다란 문제가 없다고 평가되었다. 즉 강재의 재료강도에 관해 600℃가 재사용의 기준온도가 되고 있다. 강재는 고온에 노출된 뒤 냉각된 후에는 어느 정도 강도를 회복한다.

FR강의 제조는 일반강의 성분에 합금성분인 Mo, Nb, B등의 첨가 및 C, Mn 양을 감소하여 결정입도 조정과 소입성 향상 등의 조직제어를 통하여 고온내력을 향상하며 상온내력의 최대증가와 용접성을 개선하도록 제조된다. FR강의 화학성분을 Table 1, 2에 정리하였다.

Table 2.

Chemical Composition of Steel(FR and SN Steel)

고온에서의 내화강의 특징은 일반강과 대비했을 때 Fig. 1.과 같이 약 30%이상 고온에 저항하는 것으로 나타났다. 실험 보고서에 의하면 약 600℃까지 상온 내력의 2/3정도 보증된다고 조사되고 있다.

Fig. 1.

Yield strength ratio after fire

1.2.2 크리프 거동

크리프(Creep)라 하면 온도가 높은 경우 일정 하중하에서 시간과 더불어 변형률이 증가하는 현상을 말한다. 일반적으로 전형적인 고온 크리프 곡선은 크게 3부분으로 나누어 해석된다. 크리프 곡선은 Fig. 2. 와 같이 일반적으로 3구간으로 나뉜다. 1차 크리프구간(Primary)에서는 변형률 속도가 감소하고, 2차 크리프 구간(Secondary)에서는 변형률 속도가 상대적으로 일정하다. 마지막으로 3차 크리프 구간(Tertiary)에서는 속도가 증가하여 뚜렷하게 구간 변화를 나타낸다. 즉 일정응력 방식의 크리프 시험에서는 크리프 곡선 거동은 외력의 크기와 시험온도 그리고 재료의 특성에 따라 다르게 나타난다.

Fig. 2.

Creep-time Curve on high temperature

Anderberg(1986), Srpcic(1995), Poh and Benetts(1995)의 연구에서는 크리프의 영향과 부재의 Hardening 변형성질 고온거동에 중요한 영향을 줄 수 있다는 것을 중명함으로서 고온상태의 크리프 거동에 대한 근본적인 내용이 제시되고 있다. 또한 永 田외5 인(2006)연구에서는 강재는 350~450℃에서 크리프 현상이 발생되며 응력이 크고 고온일수록 변형률이 증가하고 파단에 이르기까지 시간이 짧다고 언급되었다. 일반강 에서는 약간의 하중(예를 들어 10kgf/㎟)에서도 고온 크리프 변형이 짧은 시간에 진행하지만 FR강에서는 15kgf/㎟에서도 변형의 진행은 적다. 이러한 성질로부터 FR강을 사용하면 화재시의 건축물의 변형을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.

Cowan and Khandelwal(2014)^[14]　ASTM(American Society for Testing and Materials) A992^[10] 구조용 강재의 고온 시 크리프 거동 연구는 고온에서 구조물에 크리프가 자주 발견됐지만 실험에서의 크리프 수치들이 부족하므로 크리프 현상에 있는 물리적 메커니즘을 토론하고 가장 적합한 한계를 제공함으로써, ASTM A992 steel이 고온과 하중에 대해 어떤 역할을 하는지 보여주는 것을 목적으로 하고 있다. 온도가 올라갈수록 변형량이 커지는데 특히, 온도가 700도 이상 응력비 0.9Fy 이상일 때 가파르게 커진다. 특히 700도와 800도에서 변형이 빠르게 일어나므로 화재 구조안전설계에 이 점이 고려돼야한다고 언급되어있다.

Azhari et al.(2017)^[11]의 초고강도 강재(UHSS1200, HSS800 그리고 연강(MS350)의 화재 후 냉각단계 에서 크리프 변형이 강도에 미치는 영향연구에 의하면 모든 실험체는 온도가 올라갈수록 변형률은 올라가고 강도는 낮아졌다. HSS와 비교하여 크리프는 UHSS의 미세구조를 변형시켜 연화를 가속화시켰다.

Maraveas and Fasoulakis(2014)^[8]연구자는 기존 설계 코드에서는 화재 후 냉각된 강재들의 성능에 대해 믿을만한 권장 사항을 제공하지 못하고 있으므로 화재 후 강재의 특성 평가를 수행하였다. 그 결과, 600℃ 이상의 화재에 노출된 후 냉각된 강재는 크게 영향을 받지 않았다. 열간 압연, 냉간 가공 된 강재는 40%까지 강도가 감소한다. 1000도 이상의 온도는 미세 구조 조정에 영향을 준다는 결론을 내렸다.

2.1 개요

강구조 건축물의 내화성능 확보를 위한 연구로, 일반강재(SN)와 내화강(FR강)을 대상으로 하고 있다. 실험에 사용된 내화강은 FR355B (FR490B)이며, 비교되는 일반강은 SN355B (SN490B)이다^[3]-[5]. 두 강재 모두 13mm의 일정 한정된 두께를 갖고 있으며, 설계 공칭항복강도는 355MPa이다. Fig. 3.은 FR, SN 강의 재료시험에 의해 얻어진 상온 시 응력-변형률 선도이다. FR강의 경우 SN강에 비해 항복붕이 잘 나타나지 않는 것이 특징이다. 두 강종 모두 공칭항복강도는 355MPa이며, 그 결과 모두 상회한 결과를 보여주고 있다. 또한 항복비 역시 약 67~68% 수준으로 유사하게 나타났다. 항복강도 선정 방법은 0.2% off-set 법을 사용하였으며, 상온 시 인장시험을 통해 얻은 항복강도와 인장강도 결과를 Table 3과 같이 정리하였다. 결과적으로 FR강은 SN 강에 비해 약 1.07배 높게 측정되었다.

Fig. 3.

Stress-Stain Relation of Room Temperature

Table 3.

Result of Material test

강종에 따른 고온상태의 크리프거동을 응력변화에 따라 비교 분석하고, 고온 크리프 곡선으로부터 크리프 평가인자 즉, 강종에 따른 거동양상, 응력비 변화에 따른 크리프시간, 온도변화에 따른 거동 비교 분석하여 정량적인 평가를 유도하고자 한다.

2.2 실험방법 및 계획

실험 장소는 창원소재 재료연구소(KIMS) 내열재료연구팀에 의뢰되어 수행되었으며, 실험체는 Table 4와 같이 총 10개로 크게 강종(FR, SN)에 따라 나뉘고, 노출 온도는 3가지 타입(350, 538, 600℃)로 설정하였다. 1개의 시편당 최대 600시간 동안 크리프 실험을 수행되며, 파단 즉시 실험은 종료가 된다. 한편 600시간 동안 크리프 파단이 발생되지 않을 경우 그 상태에서 실험을 종료 하였다. 상당히 많은 시간과 비용이 드는 실험이며, 또한 신뢰성이 높은 연구소 내 실험 장비를 사용하여 살험 조건별 1개씩 결과를 도출하였다. 단, 실험장비 결함 및 시편 가공에 관련 문제로 인해 실험결과 값이 매우 상이하게 나오는 경우를 대비하여 각 동등한 시편 하나를 추가로 제작되었다.

Table 4.

Specimens plan

응력비의 경우 강구조부재의 허용응력설계법 개념에 근거하여 안전율(1.5)을 고려했다. 응력비 산정을 위해 사용된 상온시 항복강도는 한국산업규격에 의거하여 355MPa를 적용하였다. 실험방법은 시험은 시험편의 상부에 Φ 2.4mm의 Si3N4 세라믹 강구(鋼球)를 놓고 이를 통하여 하중을 가함으로서 시간에 따른 시험편의 크리프 변형 거동을 조사하였다. 하중조건은 214.5MPa, 143.0MPa, 97.5MPa로 제어하였다. 시험도중 시험편의 중앙변위(central displacement : δ)는 LVDT 시스템을 이용하여 최소 1㎛까지 정밀 계측하였다. 초기 변위량은 하중을 부하한 후 1분이 경과되었을 때의 변위값으로 정의하였다.

Fig. 4.

Creep equipment and detail

2.3 실험결과

각 시편에 대한 최종 종국상태를 Fig. 5.에 정리하였다. 총 10개의 시편 중에 6개는 파단 없이 네킹 형상이 발생되었다. 마찬가지로 그 중 83%에 해당하는 5개의 시편은 FR강 이다. 최종 종국상태와 크리프 발생시점, 발생된 변형률을 정리하여 Table 5에 정리하였다.

Fig. 5.

Failure behavior each specimen

Table 5.

Experiment Result and limit state

최대 600시간 동안 변형률 0.5% 미만의 시편은 총 6개이며, 그 중 83%에 해당하는 5개 시편이 모두 FR강 이다. 600℃에서 214.5MPa가력된 시편은 내화성능 발휘에서 가장 안 좋은 변수임에도 56.6시간이라는 비교적 안정적인 크리프 거동이 나타났다. 한편, SN강재의 경우 총 3개의 시편이 제작되었고 가력하중이 모두 214.5MPa　이다. 즉 응력비가 0.6인 상태로 동일하고 온도변화에 따른 크리프 거동을 비교하고자 계획되었다. 그 결과 538℃이상의 경계조건에서는 2시간 도달 전에 파괴거동을 나타내어 고온상태의 한계성을 보여주는 결과였다.

3.1 강종에 따른 크리프 거동 분석

강종에 따른 크리프 거동차이는 Fig. 6.과 같이 확연하게 발생되었다. 동일한 응력비(0.6, 214.5MPa)에서 350℃상태에의 크리프는 모두 0.1%미만의 변형으로 안정적인 거동을 나타낸 반면, 538℃부터 양상이 매우 극적으로 나타났다. SN강의 경우 1.7h시간 내에 과도변형으로 인해 종국상태에 이르렀고, 600℃결과도 마찬가지로 단시간에 변형이 발생되었다.

Fig. 6.

Behavior Comparison according to steel type

이와 같은 실험 결과를 통해 SN강의 크리프 한계온도는 538℃미만으로 추정된다. 내화강의 경우 600℃까지 안정적인 크리프 거동양상을 나타내고 있는데, 그 중 600℃ 상태에서의 최종 변형시점 5%에 도달 크리프 시간은 약 56시간으로 나타났다. 응력비 0.6의 경우 600℃상태에서 약 50시간에서 과도한 크리프 변형이 발생되는 것으로 보아, FR강의 고온 시 변형은 매우 우수한 것으로 판단된다.

3.2 응력비에 따른 거동분석

내화강에서 동일한 온도조건에서 응력비 조건만 상이할 경우 크리프 거동 변화를 비교하고자 한다. 538℃의 경우 응력비가 0.27(97.5MPa)과 0.40(143MPa)의 경우 크게 다르지 않았다. 두 시편결과 모두 0.1%미만의 변형을 갖고 있었다. 그럼에도 응력비가 0.6(214MPa)인 경우 변형이 0.37%로 증가되었지만, 종국상태까지 유도되는 변형률이라고 보기에 미소하므로 모든 시편은 안정적 거동을 유지한 것으로 보여진다. 600℃ 상태에서 FR강 크리프 거동양상은 상이한 결과를 보여주고 있다. 응력비 0.27의 경우 0.5% 미만의 변형률상태에서 600시간까지 유지되었지만 응력비 0.4의 경우 493시간에서 4.5%변형으로 종국상태에 도달되었다. 응력비 0.6의 경우 약56시간 내에서 최종 변형에 도달되었는데 그 차이를 보면 응력비가 커질수록 크리프 거동 시간은 83%, 9%까지 감소되는 것을 알 수 있다. 변형률의 경우 응력비가 커질수록 가파르게 진행되며 약 10배 가깝게 증가되었다. Fig. 7.(c), (d) 는 FR강 실험체 중 600℃일정 온도에서 응력비(0.6,0.4,0.27) 변화를 갖는 3개의 실험결과를 중점적으로 분석하고자 나타냈다. 크리프 저항성과 파단변형률 모두 가장 작은 값을 나타내었다. 또한 일정 온도에서 초기 하중이 증가함에 따라 초기 변형률(ϵ₀)의 값이 증가하는 것을 볼 수 있다. 이는 결국 크리프 변형률 자체가 응력과 비례하고, 온도와의 반비례 관계에 있는 수식이기 때문에 발생하는 현상으로 볼 수 있다. 변형률은 약 1% 이상부터 매우 급격하게 진행되므로 종국상태의 변형률의 차이보다는 변형률 진행 0.5~1% 시점의 크리프 거동분석이 보다 정량적으로 분석되어 임계 변형시점에 대한 자료가 구축될 필요가 있다.

Fig. 7.

Behavior Comparison according to stress ratio

선행연구동향 및 크리프 이론의 수명예측에서는 고온 구조물에 대한 실제 수명과 동일한 시간에 대한 크리프 시험은 불가능 하므로 단시간의 크리프 특성을 이용한 수명 예측이 현재 크리프 연구의 대다수를 이루고 있다. 비교적 단시간의 시험결과를 이용하여 장시간의 수명을 예측하다 보니 자연히 사용 조건보다도 더 나쁜 가속화된 조건에서 시험이 실시되기 때문에 금속 조직학적 측면에서 고려하면 시험 중 발생하는 조직상의 변화는 설계 조건에서의 사용 중의 조직과는 차이가 있을 수 있다. 그러므로 비록 단시간의 시험결과를 사용할지라도 장시간의 수명을 매우 근접된 정확도의 범위 내에서 예측할 필요가 절실하고 이것이 잘되면 설계가 완벽하게 되고, 품질관리 및 수명평가가 쉽게 될 것이다. 이것을 위하여 시간, 응력 및 온도의 세변수가 하나의 식으로 표현되어서 복합적인 효과를 줄 수 있는 하나의 파라미터를 찾을 수 있다면 단시간의 시험 결과를 이용하여 장시간의 수명예측이 매우 정확하고 유용하게 될 수 있을 것이다.

3.3 목표 고온변화에 따른 변형관계

동일한 응력비(0.6, 214MPa) 조건에서 온도조건만 상이할 경우 크리프 거동 변화를 비교하고자 한다.

Fig. 8.

Behavior Comparison according to Temperature

FR강의 경우 600℃를 제외한 모두 안정적으로 거동되었다. 앞서 온도 조건은 동일하고 응력비가 변화되었을 때 경우와 비교 했을 경우 FR강의 크리프 거동은 응력비보다 노출 온도에 더 민감하게 반응하는 것을 알 수 있다. 다시 말해, FR강의 표면 온도가 600℃이상 노출되지 않는 경우 고온변형에 대해서 비교적 매우 안정적임을 다시 한 번 눈여겨 볼 수 있는 결과이다. 한편 SN강재의 경우 538℃이상부터는 단시간에 과도한 크리프 변형이 발생되므로 부재 설계에 있어 주의해야 할 것으로 판단된다.