Transcript 녹색성장을 위한 고성능 자재 적용방안 기술표준원-복합화건축기술협회 세미나 이 재 훈 2009. 6. 25

녹색성장을 위한 고성능 자재 적용방안
이재훈
기술표준원-복합화건축기술협회 세미나
녹색성장을 위한 고성능 자재 적용방안
2009. 6. 25
이재훈
영남대학교 건설시스템공학과
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녹색성장을 위한 고성능 자재 적용방안
이재훈
건설 재료 생산의 에너지 및 탄소배출량
시멘트
- 시멘트 1톤 생산 당 이산화탄소(CO2) 배출량 : 0.7~1.0 톤
- 국내 시멘트 생산량 : 연 6,300 만 톤 (2008년)
- 시멘트 생산에 따른 국내 이산화탄소(CO2) 배출량 : 연 5,670 만 톤
- 시멘트 산업의 이산화탄소 (CO2) 배출량 : 전 세계 배출량의 7~8 %
철근
- 국내 철근 생산량 : 연 1,000 만 톤 (2008년)
- 철근 생산에 따른 국내 에너지 소비량 : 연 424 만 GJ (기름 21만 톤)
- 철근 생산에 따른 국내 이산화탄소(CO2) 배출량 : 연 800 만 톤
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일반적 재료 강도
콘크리트 인장(균열)강도 : 2~4 MPa
콘크리트 압축강도 : 20~40 MPa (80~100 MPa 이하) – 탄성계수 변수
철근 인장 항복강도 : 300~400 MPa (500 MPa) – 탄성계수 상수
철근 압축 좌굴강도 : 인장강도 이하 (콘크리트 합성일 경우 좌굴 방지)
긴장재 인장 항복강도 : 800~1,750 MPa
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전망 : 고층화, 장대화, 고강도화
동국제강 서영태 부장 자료
2007년 100층이상
건축발표
부산 제2롯데월드
107층/510m
잠실 슈퍼타워
112층/552m
삼암 IBC
130층/580m
송도 인천타워
151층/610m
민자역사
종합경기장
사회 Infra시설
초대형
용산 개발 프로젝트
140층/600m
부산 월드비즈니스
106층/448m
북항 랜드마크
100층, 120층
세운상가 재개발
150층/700m이상
건축ㆍ토목 구조물
컨벤션 센타
체육관
건설계획 증가
및 현장적용
남해안
교량건설
계획
2014년 아시안게임
종합경기장 : 5EA
실내경기장 : 11EA 필요
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재료강도의 효율성
고강도 재료 적용 구조의 오해와 진실 (?)
- 구조적 효율 : 거동 별 특성에 따른 효율
- 재료, 시공, 품질 관리
- 탄소 배출량의 감소 효과
고강도 재료 적용에 따른 강도 효율
- 고강도 콘크리트 적용 : 축력 작용 때 유리
- 고강도 철근 적용 : 축력, 휨 모두 유리
(초)고강도 재료 적용 구조의 합성 거동
- 합성 구조에서의 콘크리트 역할
- 합성구조에서의 철근 역할
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철근콘크리트 구조 각 재료의 역할
철근이 항복할 때까지 뽑히지 않아야 함.
상호 보완 관계 : 철근 - [뼈]
+
콘크리트 - [살, 힘줄, 피부]
=
[뼈] + [살, 힘줄, 피부] = 완성품
+
=
?
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철근 생산 방식
부원 BMS 김상구 전무 자료
템프코어(Tempcore) 방식
- 철강재료를 압출·압연 한 뒤, 급속냉각을 통해 재료의 외부와 내부의
조직을 적절하게 제어해 강도를 높이는 방법.
공정
철강재료
급속냉각
고강도 가능
단면
외 부
내 부
압출 + 압연
철근 강도 제어 방법 : 열처리 조직 제어 - BS, KS(2001), 러시아
화학 성분 제어 - JIS, ASTM, KS(1991)
복합 제어 - BS, 러시아
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열처리 철근의 특성
이재훈
현대제철 박병익 부장 자료
합금성분의 조정 없이 기존 일반 철근 성분
또는 다소 낮은 탄소함량 조건에서도 고강도
제품을 용이하고, 경제성 있게 만들 수 있음
기존 철근 성분 적용으로도 인장강도, 항복강
도의 향상이 가능함
용접성, 인성, 굽힘성 우수
(합금성분 첨가 제품보다 우수)
열처리를 거친 철근 단면
냉각조건의 조정을 통해 다양한 규격의 제품
제조가 용이하기 때문에 공정관리에 용이함
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철근 현황 및 위탁연구과제 수행 현황
철근 현황 : - 현재 SD 300, (350), 400, 500 철근 생산 유통
- 철강업계에서 SD 600, SD 700 고장력 철근 개발
지식경제부 - 차세대 초대형구조물(Mega Structure)용 강재 개발
메가과제 1단계 (초고장력 H 형강 및 철근 기술개발)
- 1 단계 (3년) 연구성과 : SD 600, SD 700 고장력 철근 개발
- 그러나 개발된 고장력 철근이 생산 유통될 수 없음
- 그 이유는 설계기준에서 허용하고 있지 않기 때문
메가과제 2 단계 (2007. 9 ~2009. 8, 2년간) 위탁과제
- 한국콘크리트학회에 위탁연구 의뢰 (제 1세부과제 위탁과제)
- 과제명 : 콘크리트 구조물에 대한 고장력 철근의 적용성 연구
- 연구목표 : 콘크리트 구조물에 대한 고장력 철근의 적용성 검증
및 설계기준 개정안과 추후 연구 대상 항목 도출
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콘크리트 압축강도 제한
1. Eurocode 2 : 90 MPa 이하
2. JSCE : 80 MPa 이하
3. ACI 318 Building Code, KCI 콘크리트구조설계기준
- 콘크리트 압축강도 제한 규정 없음.
- 단, 적용 제한 규정을 두고 있음.
(예) 전단, 정착길이 규정에서,
1
Vn  Vc  Vs 
6
f ck bw d 
f ck  8.4
Av f y d
s
f ck  70 MPa
0.90d b f y    
ld 
 c  K tr 
f ck


 db 
- 즉, 70 MPa 이상의 고강도 콘크리트의 성능은 70 MPa 콘크리트의
성능을 기준으로 제한하고 있음.
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철근 항복강도 제한 : 외국 설계기준
1. Eurocode 2 : 460 MPa이 일반적, 600 MPa까지 적용.
2. ACI 318 Building Code
f y ,actual  1.3 f y
- 일반, 주철근 : 420 MPa 일반적 (560 MPa까지 적용)
- 전단철근 : 420 MPa 이하
- 압축부재 횡철근 : 560 MPa(띠철근), 700 MPa(나선철근) 이하
3. AASHTO-LRFD : 420∼520 MPa
(5.4.3.3) Where ductility is to be assured or where welding is required,
use steel conforming to the ASTM A706M.
(C5.4.3.3) A706M reinforcement should be considered for seismic
design because of the greater quality control by which
unanticipated overstrength is limited.
내진설계 시 교각 주철근에 A615M(일반철근) 사용 제한.
max . f u ,actual  1.25 f y ,actual
f y  f y ,actual  1.286 f y for 420 MPa
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철근 항복강도 제한 : 국내 설계기준
구분
수평부재
(휨부재)
수직부재
(기둥 등)
콘크리트구조
도로교설계
설계기준 (MPa) 기준 (MPa)
축방향 철근
주철근
550
400
(안 500)#
횡방향 철근
전단철근
400
400
횡방향 철근
띠철근
550(띠)
700(나선)
400
(안 500)#
축방향 철근
주철근
550
400
(안 500)#
철도교
설계기준
수처리구조
물 설계기준
철도교의
특별사항에
대한 규정
외에는, 기
본적으로
도로교설계
기준의 내
용을 준용
함
수처리구조
물의 특별사
항에 대한
규정 외에는
기본적으로
콘크리트구
조설계기준
의 내용을
준용함
도로교설계기준 : 교량은 처짐, 균열 등의 조절이 일반구조보다 더 엄격하게
해설
다루어야 하므로 일반구조의 상한값보다 낮게 취함.
# 2010년 도로교설계기준 개정안의 철근제한 규정
KS D 3504 (2001) : 철근 항복강도 최대값 제한 삭제
문제 유발
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실제 철근 항복강도의 문제점
외국 : 실제 항복강도가 호칭강도의 약 1.3배를 초과하지 못하도록 규정.
국내 설계기준 : KS D 3504에 따르도록 규정함.
KS D 3504 : 철근 항복강도 최대값 제한 삭제
휨 부재 (보, 슬래브)에서 연성확보 실패 가능성
문제 발생
취성 파괴 가능성
- 인장철근 단면적 제한 기준 무의미
- (예) 설계 때는 400 MPa, 실제값은 600 MPa
큰 오차 유발
0.851 f ck
 cu
max .   0.75

fy
f y / E y   cu
기둥 교각 (내진설계)에서 연성확보 실패 가능성
- 실제 휨 강도가 설계에 사용된 것보다 매우 큼
취성의 전단파괴 가능성 큼
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구조거동에 영향을 주는 재료 특성
주요 역학적 특성 : 강도(Strength) – 항복강도, 인장강도
강성(Stiffness) - 탄성계수
fs
콘크리트 합성구조 : - (일반) 철근 콘크리트
바람직한 고장력
- FRP 보강 콘크리트
- 고장력 철근 보강 콘크리트
현행 고장력
구조설계 지배 역학적 특성
stress
- 강도 ≈ 강성 : 강도한계상태 또는
GFRP
일반 철근 fy
사용한계상태가 설계 지배
(일반) 철근 콘크리트
- 강도 >> 강성 : 사용한계상태가 설계 지배
FRP 보강 콘크리트
- 강도 < 강성 : 강도한계상태가 설계 지배
※ 고강도 철근 보강 콘크리트의 경우는 ?
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고강도 철근 적용의 예상 문제점 - 휨연성
고강도 철근을 수평부재 주철근으로 사용하는 경우 - 1
휨 연성능력 감소 :
fck = 30 MPa b = 300 mm d = 550 mm
단면-A : fy = 300 MPa As = 5,000 mm2
단면-B : fy = 500 MPa As = 3,000 mm2
- 휨강도는 동일하지만 연성도는 단면 B가 낮음.
구분
fy
My
fu
Mult
mf
m
A
5.63 x 10-6 670
13.5 x 10-6 686
2.40 2.95
B
8.26 x 10-6 685
13.5 x 10-6 686
1.64 1.77
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고강도 철근 적용의 예상 문제점 - 사용성
고강도 철근을 수평부재 주철근으로 사용하는 경우 - 2
사용하중 (설계하중) 상태에서 과도한 반응으로 구조물로서의 성능 저하
[1] 균열 (Cracks)
[2] 처짐 (deflection)
[3] 진동 (Vibration)
[4] 피로 (Fatigue)
예) A : SD300 철근 6개
B : SD600 철근 3개
- 휨강도는 동일하지만,
균열폭은 약 2배
(0.2 mm 와 0.4 mm)
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고찰 – 휨연성, 균열, 처짐
비교 단면 특성 : (1) 항복강도 1, 탄성계수 1, 단면적 1
(2) 항복강도 2, 탄성계수 1, 단면적 ½
fs
(3)
동일 휨강도
(3) 항복강도 2, 탄성계수 2, 단면적 ½
현행 고장력
stress
(2)
구조 특성 : 휨연성, 처짐, 균열
일반 철근
(1)
- 휨연성 : (1) ≈ (3) >> (2)
- 처 짐 : (1) ≈ (3) < (2)
w : crack width
- 균 열 : (1) ≈ (3) <<< (2)
균열폭 ∝ 평균철근변형률
εs
εs,mean
εc
εc,mean
lt
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고강도 철근 적용의 예상 문제점 - 부착
고강도 철근을 수평부재 주철근으로 사용하는 경우 - 3
부착 및 정착 성능과 철근 상세 규정의 적용성 불확실
[1] 정착길이
[2] 겹침이음길이
[3] 철근 간격
[4] 피복두께 등
예) 정착길이 설계식의 적용성 불확실
0.90d b f y    
ld 
 c  K tr 
f ck


 db 
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고강도 철근 적용의 예상 문제점 - 전단
고강도 철근을 수평부재 횡철근(전단철근)으로 사용하는 경우
전단강도 해석 모델의 적용성 불확실
1
Vn  Vc  Vs 
6
f ck bw d 
Av f y d
s
- 현행 설계기준 전단 강도 모델의 적합성 문제
(1) 45° 트러스 전단 모델의 적합성 : 인장 주철근과도 관계 있음.
(2) 골재 맞물림 작용을 고려한 전단강도해석의 적합성 :
고강도 철근의 항복변형률이 크므로 골재 맞물림 효과가 감소
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고강도 철근 적용의 예상 문제점 - 축압축
고강도 철근을 일반구조의 수직부재 주철근으로 사용하는 경우
fs
바람직한 고장력 fy
stress
고장력 fy
일반 철근 fy
순수 축강도 해석 모델의 적용성 불확실
Pn  Pc  Ps  0.85 f ck Ag  Ast  f y Ast
- 고강도 철근의 항복변형률이 크므로, 압축력을 받는 기둥에서
콘크리트가 1축 강도(최대응력)에 도달하였을 때 고강도 철근이
항복하지 않는다면 축강도 계산식을 적용할 수 없음.
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고강도 철근 적용의 예상 문제점 - 내진
고강도 철근을 내진 교각 주철근과 횡철근으로 사용하는 경우
일반적인 내진 교각의 파괴형태
파괴모드-1 : 주철근이 압축 좌굴-인장 반복으로
저주파 피로(low-cycle fatigue) 파단
파괴모드-2 : 횡구속 철근이 반복 인장 후 파단
Tempcore 고장력 철근 역학적 성능의 불확실성
- 연신율이 작은 고장력 철근의 연성능력 불확실
- 저주파 피로 (low-cycle fatigue) 저항성 불확실
- 인장강도/항복강도 > 1.25 안정적 보장 불확실
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맺음말 : 고강도 철근 적용 문제점
고강도 철근 적용의 문제점 : 현행 설계기준 적용의 문제점
1. 설계기준의 설계개념 문제
- 철근이 항복할 때까지 콘크리트가 파괴되지 않도록 설계(연성거동).
- 높은 항복강도의 경우에도 연성거동이 확보될 수 있는가 ?
2. 설계기준 설계 수식의 적용 문제
- 설계 수식(강도해석, 정착길이 등)의 입력값인 철근항복강도 fy 에
고강도 철근의 높은 항복강도를 입력해도 수식이 성립하는가 ?
3. 설계기준 철근상세 규정의 적용 문제
- 철근상세 관련 규정(각종철근을 배치할 때의 최대허용간격, 피복두께,
겹침이음길이 등)을 고강도 철근에 대해서도 적용할 수 있는가 ?
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맺음말 : 고강도 철근 적용 문제점 해결
고강도 철근 적용의 문제점을 고강도 콘크리트 적용으로 해결 가능 ?
1. 구조물 강도
2. 구조물 연성
4. 합성거동 성능 : 부착, 정착, 이음
3. 사용성 : 균열, 처짐, 진동
5. 내진 성능
6. 기타
Pn  0.85 f ck Ag  Ast  f y Ast
1
Vn  Vc  Vs 
6
f ck bw d 
Av f y d
s
0.851 f ck
 cu
max .   0.75

fy
f y / E y   cu
0.90d b f y    
ld 
 c  K tr 
f ck


 db 
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맺음말 : 고강도 콘크리트 적용 문제
압축강도 증가에 따른 설계기준의 적용성
- ACI 318에서 전단강도와 정착길이 설계에 콘크리트 압축강도를 제한
- 휨-압축 강도 설계에도 엄밀하게는 영향을 준다.
기준개정 연구 필요
고강도콘크리트 기둥의 축력-휨 강도 비교 : 영남대학교 실험 연구결과
- 고강도 콘크리트 기둥의 휨-압축강도에 등가직사각형 응력분포의 비안전성
1.2
1.2
ACI Rectangular Block
Trapezoidal Block
Ibrahim & MacGregor
By Stress-Strain Curve
Experimental Result
70.4 MPa
1
1
0.8
P/Po
P/Po
0.8
k3 = 1.0
0.6
k3 = 0.85
0.4
k3 f c'
0.6
fc' = 93.2 MPa
fy = 397 MPa
k3 = 1.0
 = 1.98 %
k3= 0.85
0.4
k3 f c'
k3 = 0.742
fc' = 70.4 MPa
0.2
ACI Rectangular Block
Trapezoidal Block
Ibrahim & MacGregor
By Stress-Strain Curve
Experimental Result
93.2 MPa
k3 = 0.707
0.2
f y = 319 MPa
 = 1.98 %
0
0
1
2
3
M/Mo
4
0
5
0
1
2
3
M/Mo
4
5
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맺음말 : 설계기준 개발 전략
고강도 재료 실용화 방안 및 현실성을 고려한 설계기준 :
1. 새로운 고강도 철근콘크리트 구조설계기준 개발
- 4개 요소철근(휨부재 주철근, 전단철근, 기둥 횡방향 철근, 축방향
철근)에 고강도 철근과 고강도 콘크리트를 사용할 수 있는 설계기준
- 새로운 설계 수식 개발 : 설계개념검토
- 연구개발 기간 : 장기 (10년 이상 ?)
2. 기존 설계기준의 철근 제한 규정 상향 조정 및 콘크리트 강도 적용 검토
- 4개 요소철근의 설계 수식 및 상세 규정의 적용성 연구
- 연구개발 기간 : 중기 (5년 ?)
3. 기존 설계기준의 fy 상향 조정 가능 항목 및 전제 조건 제시
- 4개 요소철근의 설계 수식의 적용성 연구
- 조건 예 : 철근 상세가 추후 연구로 적용성이 입증된다면 상향조정 가능
- 연구개발 기간 : 단기 기초 2년
위탁연구과제의 연구 범위
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맺음말 : 고강도 재료 적용 설계기준
구조물 설계에서 설계기준의 역할 및 성능 검증
- 구조물 설계는 안전성, 경제성, 편의성을 고려하여,
구조물의 제원(기하적, 물성적)과 상세를 결정하는 과정
- 설계 과정에서 구조물의 성능을 검증 :
강도성능(휨, 전단, 축, 정착, 피로...), 사용성능(처짐, 균열, 진동...) 등
- 검증 방법 : 실험적 검증, 구조공학 및 역학 적용 등 이론적 검증
- 설계기준에서의 검증방법 :
1. 적용규정-공인된 해석법과 수식으로 검증 : 연구(실험동반) 축적 필수
2. 인정규정-설계기준의 수식을 사용하지 않더라도, 실험적 검증이나
해석적 검증 인정(객관적이고 합리적인 검증방법이라면..)
고강도 강재를 실용화 하기 위한 콘크리트구조설계기준 연구 방향
- 합리적이고 효율적인 방안
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맺음말 : 고강도 재료와 녹색성장
시멘트 및 콘크리트
- 고강도 적용으로 구조물 단면적 감소 : CO2 배출량 감소
- 고강도는 단위 시멘트 량 증가 : 단위체적 당 CO2 증가
고강도 콘크리트 적용으로 CO2 감소 ?

철근
- 고강도 철근 적용으로 철근량 감소 : 에너지 및 CO2 감소
- 그러나, 철근항복강도 비율이 사용 철근량 비율과 일치하지 않음.
- 사용성, 최소철근 규정 등에 의한 비경제적 요인
고강도 철근 적용으로 CO2 비례적 감소 ?
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질문 및 토론
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