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건설용 강재의 특성과 적용기술 - 자료출처 : MIDAS 토목 구조세미나

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  • 03-05-07 17:27
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 1. 철강의 개요 및 제조공정

 

 1.1 개요

 

철은 화학번호Fe, 원자번호 26이고 비중이 7.85인 금속원소 중의 하나이다.

철강재는 Fe를 주성분으로 하고 탄소(C),규소(Si),망간(Mn),인(P),황(S)등의 원소가 함유되어 있으며, 금속조직학상으로 탄소함량에 따라 선철 (Pig Iron), 강(Steel), 순철로 분류할 수 있다.

 

 1.2 철강제조공정

1.gif

 

2. 강재의 종류및특성

 

2.1 강재의표시기호

강 종

강재종류별 기호

비  고

SI 단위

(N/㎟, MPa)

종전단위

(Kgf/㎟)

일반구조용

압연강재

- KS D3505

- JIS G3101

SS330

SS400

SS490

SS540

SS33

SS41

SS50

SS55

-SI단위 : International System of Units

          [(파리의)국제도량형국]

-SS  : Steel for Structure

-SM  : Steel for Marine

-SMA : Steel for Marine Atmospheric

-숫자 : 최저 인장강도를 표시

-X   : Charpy 흡수에너지(충격인성치)에

       따라 A,B,C로 구분

-Y   : 항복강도를 향상시킨 강종

-W   : 보통압연한 그대로 또는 녹안정화

       처리를 하여 사용

-P   : 도장(Painting)하여 사용

 

※ 용접구조용 내후성열간압연강재의 KS규격

   은 1999년 SI단위로 개정될 예정임.

 

※ 단위환산 : 1 Kgf/㎟ = 9.8 N/㎟

용접구조용

압연강재

- KS D3515

- JIS G3106

SM400X

SM490X

SM490YX

SM520X

SM570

SWS41X

SWS50X

SWS50YX

SWS53X

SWS58X

용접구조용

내후성 열간

압연강재

 

 

<JIS G3114>

 

SMA400XW

SMA400XP

SMA490XW

SMA490XP

SMA570W

SMA570P

<KS D3529>

 

SMA41XW

SMA41XP

SMA50XW

SMA50XP

SMA58W

SMA58P

 

2.2 강재의특성

 

2.2.1 화학성분이 강에 미치는 영향

 

강재는 탄소함유량이0.04~1.7% 정도로 극히 적어 유연하고 연성이 풍부하여 가공에 적합하다. 탄소의 함유량이 증가함에 따라 강도가 커지고 취성도 증가한다. 강은 탄소(C) 외에 인(P),유황(S),규소(Si),망간(Mn) 등을 소량 함유하고 있으며 이러한 화학성분 들이 강의 성질에 미치는 영향은 다음과 같다.

 

C  : 강의 기계적성질에 가장 큰 영향을 주는 원소로써 탄소량 0.8%이하에서 함유량에 거의 비례하여 강도를 증가시키나 연신율과 충격치는 감소되고 용접성도 저하된다.

Mn : 강도를 증가시키는 원소이나 강도상승에 비해 연성감소가 작기 때문에 용접성과 연성 개선을 위해 사용한다.

Si  : 통산 탈산제로 사용되며 강도를 높이는 대신 연신율, 충격치는 감소시킨다.

P, S : 강에 존재하는 불순원소. 탄소 등 기타 원소와 결합하여 편석을 형성하므로 강의 기계적성질을 불균일하게 한다. 특히 S는 강의 인성,연성을 저하시켜 취성파괴의 요인이 된다.

Nb, Ti: 결정립을 미세화시키며 소량의 첨가로도 강도를 크게 향상시키므로 고장력강의 생산 시 첨가하고 있다.

 

(*主) Killed강 : 고로에서 생산된 쇳물을 용선이라 하며, 용선에는 강도와 품질에 유해한  불순물이 다량 함유되어 있다. 이 용선에100% 순수 산소를 취입하여 불순물을 제거하는 과정을 취련이라 하고 , 취련과정을 전후로 탈황, 탈인, 탈가스의 공정을 시행한다. Killed강은 취련과정에서 용강(강철쇳물) 내에 혼입된 산소를 제거하기 위해 산소와 친화력이 좋은 규소(Si)나 알류미늄(Al)을 투입하여SiO 또는 AlO의 형태로 탈산을 하는데 이러한 탈산과정을 시행한 강을 Killed 강 이라 한다. 포항제철에서는 모든 강재에 대해Killed강으로 제조한다.

 

2.2.2 품질특성과 물성TEST 방법

 1-1.gif

 

2.2.3 인장시험(KS B0802)

 

인장시험기를 사용하여 시험편을 서서히 인장하여 항복점,항복강도,인장강도,연신율 등을 측정하는 것으로 구조용강재의 역학적 성질을 파악하는데 가장 적합한 시험으로 정하중하에서 실시한다. 시편에 인장하중을 가하였을 때 최대의 하중이 작용하는 순간을 인장강도(TS)라 하며, 소성변형이 시작되는 순간의 응력을 항복점(YP)라고 한다. 또한 시편이 완전히 파단되었을 때의 늘어난 길이와 줄어든 단면적을 비교하여 연신율과 단면수축을 구할 수 있다.

2.gif  

- 인장강도 : A점의 응력도  

- 하항복점 : B

- 항복강도 : 응력의 증가없이 변형도가 크게 증가하기 시작하는 점의 강도

   (옵셋법 : 영구신장률 ε=0.2% 일때 응력)

 

2.2.4 충격시험(KS B0810)

 

인성은 강재가 파괴에 저항하는 능력으로서 파괴에 이르기까지의 에너지 흡수능력이다. 강판에 충격을 가하여 파단되는데 필요한Energy를 측정하는 시험으로 Charpy-V Notch 시험이 가장 많이 적용되는데 동일온도에서 3개의 시편을 시험하여 그 평균값을 실적으로 판정하며 단위는Kgf×m나Joule을 사용한다.

 3.gif

<충격시험편 형상>

 

① Charpy-V Notch 시험방법

Charpy-V Notch 충격시험기를 이용하여 시험편을40mm 떨어져 있는 두개의 지지대로 지지하고 시험편의V-Notch부를 지지대 사이의 중앙에 놓아 뒷면을 해머로 1회 충격을 주어 시험편을 파단하여 흡수에너지,충격치,천이온도를 측정하는 시험을 말한다.

 

② Charpy 흡수에너지

Charpy 충격시험기를 사용하여 시험편을 파단하는데 소요되는 에너지(Kgf×m 또는Joule)를 말하며Charpy 흡수에너지가 크다는 것은 외부의 충격에 저항할 수 있는 강재의 성질이 우수하다는 것을 의미한다.

 

    - SM400B,SM490B,SM490YB,SM520B :  0℃에서 27J 이상, 4호압연방향 시험편

    - SM400C,SM490C,SM520C               :  0℃에서47J 이상, 4호압연방향 시험편

    - SM570                                          : -5℃에서 47J 이상, 4호압연방향 시험편

 

③ Charpy 충격치

Charpy 흡수에너지(Kgf×m)를 시험편의 V-Notch부 단면적(㎠ )으로 나눈값(Kgf×m/㎠ )

 

④ 천이온도

시험편을 여러가지 온도로 시험하였을 때 흡수에너지가 급격하게 저하 (또는 상승)하거나 파면의 겉모양이 연성에서 취성(또는 취성에서 연성)으로 변화하는 시점의 온도를 말하며 천이온도가 낮을수록 저온용 강재로 적합하다.

 

2.2.5 Z-방향 인장시험

 

내 Lameller Tear성을 요구하는 강재(Z-Plate)에 대해 두께방향(Z 방향)으로 시편가공 후 인장시험을 행하는 것으로 통상 두께12.5mm 이상에서 실시된다. 본 시험은 용접에 의해 두께 방향으로 응력이 작용하는 해양구조물,대형빌딩의 H Beam, Box Column용 후판재에 대해 두께방향의 단면수축율을 측정하는 것이다.  Z-Plate는 일반강재에 비해 특별히 두께방향의 연성을 향상시킨 강판을 말한다.

 

2.2.6 강재의열처리

 

열처리란 금속의 내부조직을 변화시켜 필요로 하는 기계적성질을 얻고자 행하는 가열 및 냉각과정을 말한다. 금속재료의 성질은 화학적성분에 기초를 두며 열처리 및 가공에 의하여 금속조직이 변하는데 이 조직에 의해 제성질이 결정된다.열처리 방법은 강의 요구성질에 의해 다르나 일반적으로 후판공장에서 행해지는 것은 Normalizing (소준), Quenching (소입:담금질), Tempering (소려) 등이 있다. 다음 그림은 후판재 열처리 방법 및 모식도를 나타낸 것이다.

 

<후판재 열처리 방법 및 모식도>

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5.gif

 

3. 강재의 종류

 

강재는 그 사용용도 및 목적,성분 등에 따라 여러가지로 분류되어지나 건설용에 주로 사용되는 강재는 후판제품과 열연제품이다.

 

▪형태별 분류 : HR Coil, HR Skelp, HR Sheet, HR Plate, Checkered Sheet 

▪성분별 분류 : 저탄소강, 중탄소강, 고탄소강, 합금강

▪용도별 분류 : 일반구조용, 용접구조용, 선체구조용, 자동차구조용, 압력용기용 등

 

3.1 일반구조용 압연강재(KS D3505, SS재)

 

기계적성질에 중점을 두고 제조한 반면 용접성은 특별히 고려하지 않은 강재이다. SS재(SS400등)의 경우 판두께가 22mm이하는 용접성이 특별히 문제가 되지 않으므로 용접구조에도 사용되나 한냉지이거나 주요부재인 경우에는 용접구조용강재를 사용하는 것이 바람직하다.

 

* 일반구조용 압연강재 관련 규격

KS D3505

JIS G3101

ASTM

SS330, SS400

SS490, SS540

SS330, SS400

SS490, SS540

ASTM A36

 

3.2 용접구조용압연강재(KS D 3515, SM재)

 

용접성을 고려해서 성분을 조정하여 제조한 강재로 기계적성질에 의해 5종류로 대별된다. 화학적성분 및 인성에 대한 규정이 있으며 인성을 나타내는 값으로 샤르피 충격시험에 의해 흡수에너지를 규정하고 그 정도에 따라 A,B,C 종이 있다.

 

* 용접구조용 압연강재 관련 규격

KS

JIS

ASTM

KS D3515

SM400A, B, C

SM490A, B, C

SM490YA,YB

SM520B, C

SM570

JIS G3106

SM400A, B, C

SM490A, B, C

SM490YA, YB

SM520B, C

SM570

 

ASTM A283 - A, B, C

ASTM A283-C, D

A572-42,50

A573-58,65

A633-A, B, C

 

3.3 무도장내후성강 (용접구조용 내후성열간압연강재 KSD 3529)

 

강교량의 자존심을 살리고자 미국과 영국의 철강회사들은"부식한다"라는 강재의 가장 큰 단점을 극복하고 , 공업재료로서의 강재의 경쟁력을 더욱 높이고자 하는 연구 노력에 몰두하기 시작하였다. 철에 특정한 원소를 첨가함으로써 부식의 발생을 최소화하고자 하는 "내후성강"에 대한 연구가 본격화되기 시작한 것이다. 여기서, 내후성강이란 일반강에 Cu,Cr,P,Ni 등의 내식성이 우수한 원소를 소량 첨가한 저합금강으로서, 스테인레스 등의 고합금강에 비해서는 뒤지지만 일반강에 비해서는 4∼8배의 내식성을 갖고 있는 강재이다. 내후성강이 대기에 노출되면 초기에는 일반강과 유사하게 녹이 발생하지만 시간의 경과에 따라서 그 녹의 일부가 서서히 모재에 밀착하게 되는 녹층(안정 산화피막)을 형성한다. 이 녹층이 외부 대기에 대한 보호막이 되어 도장과 같은 역할을 하게 되고 따라서, 더 이상의 부식진행을 억제하게 되는 것이다. 내후성 강재의 종류에는 표 1과 같이 크게 용접구조용 내후성 열간압연강재와 고내후성 압연 강재가 있다.

무도장 내후성강은 도장을 실시하지 않은 상태(나사용이라고도 함)로 사용하는 것을 말하며SMA41W, SMA50W, SMA58W가 사용된다. 이들 강재는 각각 일반 도장 교량용으로 쓰이는 용접구조용 압연강재(KS D 3515 : SM재)와 인장강도 등 그 기계적 성질에는 별 차이가 없다

 

<내후성강의 분류>

6.gif  

 

3.4 고장력강

 

3.4.1 개 요

 

고장력강이란 일반적으로50kgf/mm2 이상100kgf/mm2 이하의 인장강도를 갖는 용접구조용강을 말하는데 최근에는 60kgf/mm2 이상의 인장강도를 갖는 강재를 지칭한다. 교량용 강재로서 규정되어 있는 고장력강은 인장강도60kgf/mm2급의 용접구조용 압연강재(도로교표준시방서, SWS570) 및 용접구조용 내후성 열간압연강재(도로교표준시방서,SMA58)이고 60kgf/mm2급이 넘는 강은 아직 규정되어 있지 않다.

 

<고장력강의 교량적용 역사>

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<국내 교량적용 실적>

8.gif

 

<일본 교량 주요적용 실적>

8-1.gif

 

3.4.2 고장력강의 교량적용시 유의점

 

가. 설계상 유의점

교량의 단면은 응력만으로 결정되는 것이 아니고 최소 판두께 규정이나 처짐 및 피로규정 등으로 단면이 결정되기 때문에 고장력강 사용에 따른 경제성등을 도모하기가 어려울 경우도 있다.

 

1) 단면강성의 저하

단면이 작아지면 단면강성이 저하되기 때문에 처짐, 변형, 진동 등이 커지게 되고 특히 형교일 경우, 고장력강이 가진 높은 허용응력을 충분히 활용하지 못하고 처짐제한 등 사용성 규정에 의해 단면이 결정되는 경우가 많이 발생한다

 

2) 좌굴

압축부재일 경우, 세장비에 따라 허용압축응력이 결정된다. 따라서, 고장력강을 사용함으로써 부재의 세장비가 커지게 되면 상대적으로 허용압축응력이 작아짐에 따라 고장력강을 사용하는 잇점이 감소될 우려가 있다. 다음 그림은 혼슈-시코쿠 연락교 공단의 상부구조 설계기준(1989)에 규정되어 있는 국부좌굴을 고려하지 않은 허용축방향압축응력을 나타내었다. 그림을 보면 세장비가 커짐에 따라 고장력강의 잇점이 점점 감소됨을 알 수 있다.

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<그림> 국부좌굴을 고려하지 않은 허용축방향압축응력(혼슈-시코쿠 연락교 공단,1989)

 

3) 피로

이음부가 존재하지 않는 평판부재일 경우, 일반적으로 고강도일수록 피로강도도 상승하지만 용접이음부의 피로강도는 모재의 정적강도와는 별로 관련이 없고 용접종류, 용접결함,이음부의 모양, 응력의 작용방향 등에 의해 결정되므로 보통강재나 고장력강을 사용하나 피로강도 측면에서는 동일한 강도를 갖는다고 볼 수 있는 것이다.다음 그림은 합성 I-형 판형교를 대상으로 AASHTO의 하중저항계수설계법(LRFD)에 기초해서 고장력강의 사용에 의해 최적화 단면의 중량이 어느 정도까지 감소될 수 있는지를 검토한 결과이다. 지간 30m인 단순교일 경우, 사용강재의 항복강도가 증가함에 따라 단면 강중은 급격히 감소되나 항복강도가 500MPa(60kgf/mm2급 강)을 넘으면서 피로한계상태가 단면결정의 지배인자로 되어 항복강도가 증가하더라도 더 이상 단면 강중이 감소되지 않는다.

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<그림> 고장력강의 사용에 의한 강중의 변화와 단면결정을 지배하는 한계상태

 

나. 제작상 유의점

 

1) 용접균열

고장력강, 특히80kgf/mm2급 강일 경우, 보통강에 비해 탄소당량 Ceq가 높기 때문에 용접에 의해 경화되기 쉬워 저온균열의 발생이 우려된다. 따라서 균열발생을 방지하기 위해서는 적절한 예열을 실시함과 동시에 수소량이 작은 용접봉을 사용해야 한다. 다음 표는 일본도로교시방서(1996)와 혼슈-시코쿠 연락교 공단의"강교등 제작기준(1989)"에 규정되어 있는 60kgf/mm2급 이상의 강재에 대한 최소 예열온도를 나타내었다.

 

<표> 60kgf/mm2급 이상 강재에 대한 최소예열온도 (단위 : ℃)

  •혼슈-시코쿠 연락교 공단의"강교등 제작기준(1989)"

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•일본 도로교시방서·동해설(1996)

12.gif

 

2) 인성의 저하

용접비드 부근은 입열량이 과대해지면 인성의 저하와 함께 조질이 흐트러져 강도가 저하될 염려가 있으므로 용접할 때 입열량 및 용접층간 온도 등에 충분한 배려가 필요하다. 다음 표는 혼슈-시코쿠 연락교 공단의 "강교등 제작기준(1989)" 에 규정되어 있는 조질 고장력강의 입열량 및 층간온도의 제한을 나타내었다.

13.gif

 

3) 가공성

고장력강은 인장강도가 높고 연신율이 작기 때문에 가공성이 보통강에 비해 낮다. 그러나 적정한 가공조건을 설정하면 가공에 지장이 있을 정도는 아니다. 단, 특히 유의하지 않으면 안되는 것은 바로 열가공이다. 조질 고장력강은 담금질, 뜨임 등 열처리에 의해 소정의 성능이 부여된 것이기 때문에 뜨임 온도 이상으로 장시간 열가공을 실시하게 되면 열처리에 의해 얻어진 특성이 상실될 우려가 있어 열간가공은 원칙적으로 실시하지 않도록 규정되어 있다.또한, 용접변형의 제거법으로 통상 사용되고 있는 가열법에서도 최고가열온도, 냉각방법 등에 엄격한 제한규정이 마련되어 있다. 따라서 조질 고장력강의 가공은 프레스 등 기계적방법에 의해 실시하는 것이 바람직하다고 볼 수 있다.

 

3.5 Tapered Plate (Longitudinally Profiled Plate)

 

Tapered Plate란 교량상판등 길이방향의 하중을 고려하여 두께를 변화시킨 신개념의 후판으로 철구조물의 중량 및 제작비 절감이 가능하다. 그 용도는 교량 Girder, Box Column, 각종Crane Girder, 선박(Bulk선 ) 격벽용 등에 주로 사용되어 진다. 부재에 걸리는 응력에 따라 판두께를 변화시켜 제작하여 생산되므로써 구조물의 중량을 경감시키고 구조물 제작시 일반재에 비해 용접작업공수를 절감할 수 있으며 용접 이음매의 감소로 외관이 미려하고 구조물의 안전성을 향상시킬 수 있다.

1) 기존Plate와 Tapered Plate 비교

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2) 이론 및 실제상의 플랜지 두께변화: 단순 지지된I-Beam 의 예

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3) Tapered Plate 용접공수 감소 예

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4) 강교량 합리화 설계 및 제작의 변천

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5) 적용사례 및 결과

1992년 기준 프랑스,독일,일본 등 90여개 교량에 적용

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•고속철도용 교량의 적용사례

 

① 교량개요

- 교량명 / 교량형식 : Haute Colme Viaduct, TGV-Nord) / 2주형강합성교

- 총연장 : 1,827 m

② Tapered Plate 적용결과

- 강재 총 사용량 (Tapered Plate량) : 5,200톤 (1,270톤)

- 자중경감 : 108톤 (전체 구조물 중량의2.1%)

- 용접이음 감소: 160Welds(용접비용의 6%),

- 공사비:구조물 건설비용의 1.5% 절감

- 피로성능 및 교량내구성 향상

 

•Dillingen 교, 독일, 고가교량

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3.6 TMCP강

 

TMCP(Thermo Mechanical Control Process)강은 열간압연시 가열,압연 및 냉각조건을 조절하여 강의 인성과 용접성을 향상시킨 강재이다. 판두께가 얇은 후판의 항복강도가 높다는 사실을 토대로 가열 및 압연조건을 제어하는 제어압연과 통상 압연후의 공냉대신에 수냉을 실시하여 열간압연 직후 특정온도 (500~800℃)에서 3~30℃/Sec의 속도로 냉각조건을 제어하는 가속냉각기술에 의해 생산되며 기존의 Off-Line 열처리 공정을 생략하므로써 제조공기를 단축할 수 있다.

 

1) 주요용도

- 대형빌딩의 기둥부재 (Box Column, H형 Column등)

- 장스팬 공간의 주요부재 (강관구조,트러스구조등)

- 적용실적 : POSCO Center, ASEM, 인천국제공항, 부산신청사등

 

2) TMCP강재의 품질특성

① 금속조직제어(저온 변태조직 형성)로 보통강재보다 두께가 40mm이상에서 항복강도가 우수하다. 즉 건축구조물에서 설계기준강도(Fy)의 감소없이 적용가능하다.

     - 두께 40mm이상에서: SM490   Fy = 3.0톤/㎠ , SM490TMC Fy = 3.3톤/㎠

② 용접성이 우수하여 고능률 용접이 가능하고 항복비 (항복강도/인장강도)가 80%이하로 규제되어 내진성능이 우수하다.

③ 모재와 용접부의 역학적 성능이 우수하다

④ 변형교정을 위한 선상가열후에도 재질변화가 적다.

 

3) TMCP 강재규격 및 기계적성질

20.gif

 

3.7 耐Lamellar Tear강

 

최근 용접구조물이 대형화 및 고층화에 따라 이러한 대형구조물에 사용되는 후판의 경우 용접작업시 강판두께 방향 (Z 방향)으로 큰 구속응력이 작용하여 층상의 용접 Crack이 발생할 우려가 있는데 이러한 강판 두께방향의 용접 Crack을 Lamellar Tear이라고 한다. 이러한 Lamellar Tear 발생을 방지하기 위해 판두께방향의 연성을 향상시키고 ,특수 정련처리를 통한 개제물 제거 및 형상을 제어하여 청정성과 이방성을 개선한 강을 耐 Lamellar Tear강이라 한다.

 

1) 품질특성

일반강 대비 S성분을 낮게 관리하고 비금속개제물 구상화처리 공정 (PI:Powder Injection)이 추가로 요구되며, 특히 엄격한 용도의 경우 후판 열처리(소준등)를 실시해야 한다. 이와 같이 품질관리된 耐 Lamellar Tear강은 일반재 대비 두께방향의 연성(단면수축율,연신율,인성)이 우수하여 Lamellar Tear를 방지할 수 있다.

 

2) Lamellar Tear 발생요인

H-Beam, Box Column과 같이 T자형 모양으로 용접할때 고온의 용접금속이 냉각되면서 발생된 수축응력이 강판의 두께방향으로 작용하여 두께 중심부의 불순물층을 따라 균열이 발생한다. 비금속개재물(MnS)과 황(S)성분이 많고 , 강판의 두께가 두꺼울때,또는 1회 용접량이 클수록 발생률이 높다.

 

<Lamellar Tear가 발생하기 쉬운 이음형태>

21.gif

 

3) 강판의 적용범위 및 등급

① 적용범위: 후판 전 규격에 대해 적용이 가능하다. 즉 기본적인 품질을 보증함과 동시에 두께방향의 연성을 추가적으로 보증한다. 적용두께는 12.5~80mm까지 이다.

② 강판등급 : 두께방향의 연성 보증수준에 따라 ZA, ZB, ZC, ZD등의 4종류로 분류한다. 규격의 표기방법은 일반 규격의 뒤에 강판등급을 붙여 표기한다.

예) KS-SM490A-ZA

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4) Lameller Tear 저감 설계 예

23.gif  

 

 

4. 건설용 강재의수요변화및개발추이

 

건설구조물의 형태를 보면 초고층화,경량화 및 장대화,첨단화 되는 추세에 있으며 이에 따른 건설용 강재의 수요패턴은 제작용이성, 고인성, 장수명, 재활용성 등 필수적인 요구성능 뿐 아니라 고성능, 고강도, 극후판화 등 신기능 강재의 요구가 증대되고 있다.

 

4.1 건설용강재의수요변화

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4.2 건설용강재의요구특성및개발추이 (국내)

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4.3 차세대구조용강(HIPERS-21) 개발 현황

 

4.3.1 개발의 개요및개발강재의특성

 

산업자원부 중기거점 사업, 18개 대학/연구소 및 3개 기업체 참여

1단계 연구(1998-2002) : 요소기술 개발, 현장적용기술 개발

2단계 연구(2003-2007) : 복합다기능 pilot압연기 제작, 신개념 강재 양산

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4.3.2 차세대 구조용강의개발목표

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4.3.3 연차별 연구개발목표

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