재굽힘이 철근의 인장성능에 미치는 영향

2.1 철근의 기계적 성질

철근의 재굽힘 인장성능을 분석하기 위해서는 소재의 인장강도의 확인이 필요하다^[5],[6]. 따라서 KS B 0802에 의해 인장시험을 진행하며, 소재의 기준강도는 KS D 3504에 명시된 공칭강도의 만족 여부를 확인하였다^[7],[8]. 이에 대한 소재의 인장시험 결과는 Table 2와 같이 나타난다.

Table 2.

Material tensile test results

Table 3의 경우 KS D 3504에서 명시된 철근의 기계적 성질 기준을 나타내며, Table 2와 비교할 경우 7종의 철근 모두 만족하는 결과로 확인된다. 또한 시험 후 파단 형상은 Fig. 1과 같다.

Table 3.

KS for reinforcing bars

Fig. 1.

Failure section of reinforcing bar

2.2 철근의 매크로 조직

철근의 가열 전, 후 단면 조직의 상태를 확인하기 위해 가열 유무를 변수로 시험편의 단면 매크로 시험을 진행한다. 매크로 시험은 KS D 0210에서 명시된 방법으로 진행하며, 표면은 에칭(Etching) 처리를 하여 매크로 시험편을 촬영한다^[9]. 이에 따른 결과는 Fig. 2와 같으며, 가열 유무(800 ℃ 예열)에 따라 철근의 열처리에 의한 경화조직이 변화된 것을 확인할 수 있다. 단, SD600S의 경우 매크로상으론 가열 이후 조직 변화가 크게 나타나지 않았다.

Fig. 2.

Macroscopic test results of reinforcing bar

3.1 굽힘 시험

재굽힘 성능 확인을 위해 가장 먼저 굽힘 시험을 KS B 0804에 의해 진행하며, 철근의 소성변형 시 건전성을 확인한다^[10]. 시험편은 90˚, 180˚의 굽힘 각도를 변수로 진행하며, 굽힘 반경은 KS D 3504에 명시된 안쪽 반경으로 굽힘 면을 확인한다. 각 시험편에 따른 굽힘 반경은 Table 4와 같다.

Table 4.

Standard bending radius for reinforcing bar

Fig. 3는 철근의 굽힘 시험 결과 일부를 나타내며, 모든 시험편에서 육안으로 확인되는 결함이 없는 것으로 확인된다. 따라서 모든 시험편에서 기준에 규정된 조건을 만족한 소성 변형 시 굽힘 각도에 의해 결함이 발생하지 않는 것으로 확인된다.

Fig. 3.

Bending test results of reinforcing bar

3.2 재굽힘 인장 시험

철근을 구부린 후 다시 펴기를 진행하여 재굽힘 인장성능 평가를 위해 인장강도 시험을 실시하며, 소재의 인장강도와 비교하기 위해 인장시험은 동일한 방법으로 진행한다. 또한 재굽힘 후 육안으로 보이는 균열은 발견되지 않았다.

일반적으로 굽힘 시 소성 변형이 발생하기 때문에 Work Hardening에 의한 Metal Aging으로 소재에 변화가 생긴다. Metal Aging은 소성 변형 후 일정 시간이 경과되어야 하며, Metal Aging이 발생하게 되면 질소의 배치가 변화되어 경도 및 강도가 상승할 수도 있다. 따라서 본 연구에서는 Metal Aging을 고려하기 위해 7일 뒤 펴기를 진행한다. 이때 시험편의 굽힘 각도는 공사 현장에서 자주 사용되는 45˚와 90˚ 각도로 진행하며, 예열에 따라 매크로 조직이 변화되는 것을 확인하였으므로 예열 유무를 변수로 시험편을 제작한다. Fig. 4는 재굽힘 인장성능 확인을 위해 가공된 시험편의 형상이며, 소재 인장시험과 비교를 위해 KS B 0802에 준수하여 시험을 진행한다.

Fig. 4.

Configuration of the rebending reinforcing bar

Table 5는 상온 및 예열에서 가공한 재굽힘 철근의 인장시험 결과를 나타내며, 모든 상온 시험편은 소재의 KS 공칭인장강도(F_u) 기준 값 이상의 결과가 확인된다. 하지만 예열 시험편에서는 SD400 및 SD400S 철근을 제외하면 소재의 KS 공칭 인장강도 기준 값에 만족하지 못하는 것으로 확인된다. 따라서 예열을 진행하여 재굽힘 시 인장강도가 오히려 감소하는 것으로 확인되며, 철근콘크리트 구조에서 일반적으로 굽힘 후 펴기를 진행할 때 권장되는 예열(800 ℃)은 강도 감소의 요인이 될 수도 있다. 또한 상온 시험편에서의 45˚ 재굽힘과 90˚ 재굽힘 인장강도의 차이는 +1.7 % ~ –2.3 %이며, 공학적으로 유의미한 차이는 아닌 것으로 확인된다. 다만 예열 시험편의 경우 52S 시험편과 62S 시험편에서 각각 +27.9 %와 –19.5 %의 차이가 발생하며, 내진용 철근의 예열 후 재굽힘이 각도에 영향을 받는 것을 알 수 있다.

Table 5.

Tensile stress of rebending reinforcing bars

Fig. 5는 재굽힘 인장시험의 결과와 소재 인장시험의 결과를 하중-변위 곡선으로 나타내며, 이에 따르면 410과 520 시험편의 경우 소재 인장강도에 비해 재굽힘 인장강도가 각각 2.5 %, 5.6 % 감소된 것으로 확인된다.

Fig. 5.

Tensile test results of bending reinforcing bar

예열 후 진행된 재굽힘 인장강도와 소재 인장강도의 차이를 비교할 경우 420 시험편은 10 % 감소되는 것으로 확인되며, 520과 52S 시험편은 각각 31 %, 29 %의 인장강도 감소를 보인다. 또한 예열을 진행하게 되면 Fig. 5에서 육안으로 확인되는 결과와 같이 변형성능이 감소하는 것을 알 수 있다. 따라서 예열 시 소재 인장강도에 비해 강도 감소가 크게 나타나므로 SD400 SD400S 철근 역시 KS 공칭인장강도를 만족하더라도 예열을 진행하지 않는 것이 강도 측면에서 좋을 것이라 생각된다.

또한 Fig. 5에 의하면 재굽힘 후 인장시험을 진행하면 초기강성이 감소하는 것으로 확인된다. 이는 굽힘 가공이 초기강성에 영향을 주는 것으로 생각되며, 초기강성 감소 원인을 파악하기 위해서는 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

3.3 표면 경화 조직에 따른 재굽힘 성능 분석

표면 경도가 높은 재료의 경우 굽힘 시 균열 등의 발생으로 인해 굽힘 성능이 저하될 수도 있으며, 열처리를 통해 생산된 철근의 경우 표면 경화 조직의 경도 값이 높을 수도 있다. 따라서 표면 경화 조직의 경도 값이 재굽힘 성능과 연관될 수 있기 때문에 KS B 0811에 의한 비커스 경도 시험을 통해 철근 표면 경화 조직의 경도 값을 측정하며, 이에 대한 결과를 Table 6와 같이 정리된다^[11],[12].

Table 6.

Hardness value of surface hardened tissue

420 시험편의 경우 소재의 인장강도 보다 재굽힘 인장강도가 더 높으며, 이는 Work Hardening에 의한 Metal Aging에 이상적인 결과이다. 또한 510 시험편 역시 0.25 %의 차이로 재굽힘 인장강도가 감소되었고 이는 소재 인장강도와 차이가 크지 않는 것으로 확인된다. 이 두 시험편의 공통점은 경도 값이 220에 가까운 결과를 나타내며, 220보다 큰 420 시험편의 경우 재굽힘 인장강도가 오히려 증가하는 것으로 확인되고 220보다 작은 510 시험편은 소재의 인장강도와 비슷한 결과를 나타낸다. 하지만 경도 값이 300으로 다른 일반용 철근에 비해 큰 520 시험편의 경우 재굽힘 인장강도가 5.6 % 감소한 것으로 나타나고 경도 값이 220보다 크게 감소한 410 시험편의 경우에도 재굽힘 인장강도가 2.5 % 감소한 것으로 확인된다.

이는 표면 경도가 커짐에 따라 인장강도 감소 효과를 일으킬 수도 있으며, 경도 값이 증가함에 따라 경화조직의 손상에 의해서 인장성능이 감소하는 것으로 생각된다. 다만 410 시험편의 경우 경도 값이 일정 값 이하로 작아지기 때문에 인장강도가 저하된 것을 확인할 수 있다. 이는 인장강도 감소 원인이 경도 외에 다른 요인과 복합적으로 작용하고 있을 가능성이 있으며, 추가적인 연구를 통해 분석할 필요가 있다.

내진용 철근의 경우 경도 값이 300이 넘는 52S 시험편의 경우만 재굽힘 인장강도가 소재의 인장강도에 비해 0.98 % 감소된 것으로 확인되며, 41S 시험편의 경우 경도 값이 167이므로 410 시험편보다 작은 값을 나타낸다. 하지만 41S 시험편의 경우 오히려 재굽힘 인장강도가 증가되었으며, 내진용 철근의 경우 경도 값이 낮아져도 인장강도 감소가 일어나지 않은 것으로 확인된다. 다만 본 연구에서는 내진용 철근의 비교 군이 적기 때문에 추후에는 많은 내진용 철근을 사용하여 Metal Aging에 대한 연관성을 확인할 필요가 있다.

3.4 유한요소해석을 통한 굽힘 시 응력분포

재굽힘 인장시험 결과를 확인해 보면 경도 값이 커짐에 따라 인장강도가 감소되지만 410 시험편의 경우 경도 값이 비교적 작음에도 인장강도가 감소하였다. 이는 재굽힘 시 인장강도를 저하 요인이 추가적으로 발생한 것이라 생각되며, 굽힘 시 발생하는 잔류응력의 영향일 수도 있으므로 유한요소해석을 통해 하중 제거 시 응력분포를 확인한다.

유한요소해석은 상용 프로그램 ABAQUS (ver. 2023)을 통해 진행하며, 해석에 필요한 재료 물성치는 소재 인장시험 결과를 기반으로 입력한다. 이때, Engineering Stress와 Engineering Strain을 바로 사용하는 것이 아닌 식 (1), 식 (2)를 통해 True Stress와 True Strain으로 변경하여 진행한다^[13].

Fig. 6는 유한요소해석과 인장시험의 하중-변위 곡선을 나타내며, 물성치가 거의 근사한 것을 확인할 수 있다. 이때 진행한 재료 물성치를 기반으로 굽힘 후 하중 제거를 통해 응력분포를 확인한다.

Fig. 6.

Strength – displacement curve for FEA models

Fig. 7은 유한요소해석을 통해 410 시험편의 굽힘 후 하중 제거를 확인 한 결과이며, 하중이 제거되었을 때 최대 응력은 220 MPa로 나타난다. 또한 Fig. 8은 410 시험편의 재굽힘 인장 시험편의 파단 위치를 나타내며 이를 통해 중앙부 잔류응력의 영향으로 인한 파단 여부를 확인할 수 있다. 이에 따르면 410 시험편의 경우 중앙부에서 파단이 일어나지 않은 것으로 보아 잔류응력이 재굽힘 인장성능에 영향을 주지 않는 것으로 확인된다. 따라서 경도 값이 일정 이하 낮아질 경우 재굽힘 인장강도 감소 요인에 대해 추가적인 연구를 진행해야 될 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Stress distribution during bending of 410

Fig. 8.

Failure location of rebending reinforcing bars

3.5 재굽힘 철근 사용 가능여부 검토

앞서 언급한 모든 사항을 종합하여, 공사현장에서 재굽힘 철근 사용 가능 여부에 대해 확인한다. Table 7은 재굽힘 시 인장강도를 소재의 인장강도와 KS 공칭 인장강도의 만족 여부를 나타내며, 예열과 굽힘 각도 모두 만족 여부를 나타내고 있다.

Table 7.

Rebending tensile satisfaction status

재굽힘 철근의 인장성능 만족 여부를 확인한 결과 상온에서는 KS 공칭 인장강도를 전부 만족하는 것으로 나타난다. 단, 소재 인장강도와 비교할 경우 510, 520 시험편 등 불만족으로 나타나지만 최대 5.6 % 정도의 차이를 보인다. 따라서 상온 재굽힘 철근의 경우 설계 시 파단 강도로 사용하는 공칭 인장강도 이상인 것을 고려하면 공사현장에서 사용할 수 있을 것이라 기대된다.

예열을 진행한 재굽힘 인장성능의 경우 SD400, SD400S 강종을 제외하면 공칭 인장강도에 불만족인 것으로 확인되며, SD400, SD400S 강종의 재굽힘 인장시험과 소재 인장시험 결과를 비교하여도 최대 12.6 %의 차이를 보이는 것을 감안하면 국내에서 생산되는 철근은 예열을 진행하여 재굽힘을 하는 조건에는 적합하지 않는 것으로 확인된다.