고강도 구조용 강재의 고온물성 평가연구에 의해서 수행되었으며, 항복점,...

J. Kor. Inst. Fire Sci. Eng., Vol. 27, No. 3, pp. 72-79, 2013

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고강도 구조용 강재의 고온물성 평가연구

권인규

강원대학교 소방방재학부

Evaluation Study on the Mechanical and Thermal Properties

of High Strength Structural Steel at High Temperature

In-Kyu Kwon

Department of Fire Protection Engineering, Kangwon National University

(Received April 22, 2013; Revised May 21, 2013; Accepted June 14, 2013)

요 약

최근 건축물은 재료의 고강도화 및 단면형상 최적화를 바탕으로 초고층화, 장대화 및 복합화 추세로 발달하고 있으나,화재 위험성에 의한 구조적 거동에 관한 연구는 매우 미진한 실정이다. 특히 고강도 구조용 강재로 구성된 강구조 건축물의 구조부재에 대한 화재 노출 시 거동평가를 위한 기초적인 자료조차 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 고층 강구조 건축물에 활용되고 있는 고강도 구조용 강재의 고온 시 구조적 내력 평가를 위한 기계적 특성과 열적 특성자료 도출을 목적으로 항복강도, 탄성계수 그리고 열전도율 등을 측정하고, 이를 일반 구조용 강재의 특성과 비교분석을통하여 상대적 안전성을 평가한다.

ABSTRACT

Recently, building constructions have been developed toward high-rise, long span, and multi-complexed using the highstrength materials, optimized section. But the structural behavior of steel structural members built with a high strengthsteel at fire condition is not clarified because of lacking of information of related references such as mechanical and ther-mal properties at high temperature situation. In this paper, to evaluate the structural stability of member or frame of steelframed building at fire situation through the engineering method, the mechanical and thermal experimental coupon testshave conducted at various high temperatures and the comparison to those of ordinary strength steels were done.

Keywords : High strength structural steels, High temperature, Mechanical properties, Thermal properties

1. 서 론

산업의 발전과 건축기술의 고도화는 고강도화, 합성화

및 장대화를 추구함으로써 초고층화를 가속화하고 있다.

특히 공간활용의 극대화를 목적으로 강재와 콘크리트 모

두 고강도화 개발이 활발히 진행되고 있다. 고강도화는 실

내 공간의 활용도를 높일 수 있고, 재료의 운반, 가공 등의

시공성이 우수하며, 경제적이기 때문에 점차적으로 그 사

용량이 증대되는 추세에 있다. 그러나 강재의 고강도화에

의한 화재 시 구조적 거동에 대한 평가는 거의 전무한 실

정에 있다. 또한 산업기술의 발달에 의한 건축물 내부의

가연물질의 양은 점차적으로 증대하고 있어, 화재 발생 시

그 위험성 또한 상대적으로 점증하고 있는 실정이다. 이와

같이 건축물 내부의 화재 위험성과 화재 규모는 점차 증대

하고 있으나, 고강도 강재의 화재 시 구조적 거동을 평가

하기 위한 기초적인 자료의 부족은 구조물 안전성 평가를

위해서 반드시 해결되어야 할 부분이라 판단된다(1). 따라

서 본 연구에서는 고강도 강재의 화재 시 구조적 내력을

평가할 수 있는 고온 시 기계적 특성과 열적 특성을 실험

을 통하여 도출하고, 그 결과를 일반 구조용 강재와 비교

평가함으로써 그 안전성을 평가하고자 한다.

2. 고강도 구조용 강재의 고온 특성 연구

고강도 구조용 강재는 일반적 항복강도가 330 MPa를 초

과하는 것을 의미하고 있으며 이는 시대의 요구사항에 따

라 점차 변화되는 경향을 보이고 있다. 유럽의 경우 S 355

강종이 고강도로 언급되었으나 현재는 항복강도 420 MPa

E-Mail: [email protected]: +82-33-570-6433, FAX: +82-33-570-6819

ISSN: 1738-7167DOI: http://dx.doi.org/10.7731/KIFSE.2013.27.3.072

고강도 구조용 강재의 고온물성 평가연구 73

J. of Korean Institute of Fire Sci. & Eng., Vol. 27, No. 3, 2013

또는 460 MPa 이상을 고강도 구조용 강재로 지칭하는 경

우도 있다.

고강도 구조용 강재는 높은 항복강도에 의한 단면감소

의 구조적 장점과 이로 인한 공간 활용성 증대의 디자인

효율성 증대, 중량감소에 의한 용접량 절감 그리고 이동

및 크레인 장비 사용 시간 절감 등의 시공적 장점이 매우

우수하기 때문에 점차적으로 그 사용은 증대될 것으로 예

측되고 있다(2).

구조용 강재를 적용한 강구조 건축물의 경우, 화재 발생

시에는 내력적 성능이 급격히 저하하기 때문에 열의 침투

에 의한 성능저하를 방지하기 위하여 내화피복을 요구하

고 있으며, 내화피복에 관한 기준은 온도와 내력 두 가지

가 있다(3). 온도기준의 설정은 각 국가별로 약간의 차이를

보이고 있다. 예로써, 영국 등 유럽지역에서는 550 oC의

기준을 설정하고 있으나, 미국은 1000 oF(약 538 oC) 그리

고 일본은 350 oC를 적용하고 있다. 이러한 온도 기준은

사용되는 대표 강재의 항복강도가 허용응력도에 도달되는

고온의 온도이다. 이러한 강재의 온도기준은 공학적 내화

설계의 필요성이 높아진 영국, 스웨덴, 독일 등의 유럽과

대양주 그리고 미국을 중심으로 많은 연구가 이루어졌으

나, 고강도 강재를 대상으로 한 결과는 매우 일부에 지나지

않는다. 최근 유럽에서는 유러코드에 제시된 구조용 강재

의 특성이 일반 강도의 범위이므로 이를 개정해야 된다는

의미의 고강도 구조용 강재의 연구가 일부 진행되고 있으

며, 이는 Qing과 Kolstein연구 그리고 Chen과 Young의 연

구 및 Makelanine과 Kesti 중심의 연구가 대표적 성과로 나

타나고 있다(4-7). 우리 나라는 권인규가 수행한 일반 구조용

강재의 고온 특성 연구가 대표적인 연구로 판단된다(8,9).

고강도 구조용 강재는 일반 구조용 강재와 항복강도 측

면에서 차별화된 강재를 의미하며, 일반적으로 500 MPa의

인장강도 이상을 의미한다. 유러코드에서는 고강도 구조용

Table 1. Mechanical Properties of High Strength Structural Steels

SpecificationMechanical properties

Thickness Yield point (N/mm2) Tensile stregnth (N/mm2) Elongation (%)

SM 520B16≥t

16<t≤40t>40

Over 365Over 355Over 335

520~640Over 15Over 19Over 21

SM 57016≥t

16<t≤40t>40

Over 460Over 450Over 430

570~720Over 19Over 26Over 20

Table 2. Testing Plan

SpecificationConditions

Total numbersMeasuring temperatures (oC) Numbers

SM 520BSM 570

20, 100, 200,300, 400, 500, 600, 700, 800, 900

3 per temperature 30×2=60

강재의 고온 기계적 특성치를 별도로 제시하고 있지 않고,

일반 구조용 강재의 특성치를 사용하도록 하고 있다. 그러

나 고강도 구조용 강재의 제조방법과 기계적 특성이 일반

구조용 강재와 차이가 있기 때문에 일반 구조용 강재의 고

온 시 특성값을 적용하는 것은 해석결과의 신뢰성 문제가

발생할 수 있다고 판단된다.

따라서 본 연구에서는 일반 구조용 강재의 고온특성 연

구와 같은 시기에 수행된 인장강도 520 MPa와 570 MPa

인 고강도 강재를 대상으로 상온에서 각 고온영역의 항복

강도, 인장강도 그리고 탄성계수 및 열전도율과 열팽창계

수의 열특성치를 평가하고, 이를 일반 구조용 강재인 SS

400과 비교분석함으로써 고강도 구조용 강재의 고온 시

구조내력 성능을 평가하고자 한다.

3. 고강도 구조용 강재의 고온특성 평가 시험

고온 특성평가에 사용된 고강도 구조용 강재의 상온에

서의 기계적 특성값은 Table 1과 같다.

3.1 기계적 특성 평가 시험

고온 특성을 평가하기 위한 시편 제작은 각 강종의 원소

재 끝부분에서 최소 10 cm 이격된 곳에서 채취하였으며, 열

영향부을 최소화하기 위해서 각 시편은 최소 5 cm 이상 거

리를 확보하였다. 또한 시편의 채취는 압연방향으로 하였다.

고온인장시험에 대한 시험계획은 Table 2와 같고, 항복

점까지는 응력제어, 그리고 항복점이후에는 변위제어를 실

시하였다(Table 3).

상온 인장시험은 KS D 0802(금속재료의 인장시험방법)

에 의해서 수행되었으며, 항복점, 인장강도, 탄성계수 및

연신율 등을 측정하였다. 온도상승에 의한 고온 시 내력저

하특성을 평가하기 위한 고온인장시험은 KS D 0026(철강

한국화재소방학회 논문지, 제27권 제3호, 2013년

74 권인규

재료 및 내열합금의 고온인장시험방법)을 적용하였으며,

상온과 동일한 항목을 측정하였다. 항복점이 나타나지 않

는 부분은 영구변형율을 적용한 0.2 % 옵 으로 평가하였

으며, 소성 시 구조물의 붕괴를 예측할 때 적용될 수 있는

1 % 옵 으로 유효내력을 평가하였다.

고온인장시험에 사용된 기기는 만능시험기 100톤 UTM

과 이에 부착되어 900 oC까지 승온이 가능한 고온챔버를

사용하였다(Figure 1).

3.1.1 SM 520

SM 520강재의 고온 인장시험 전후의 시험편은 Figure

2~3과 같고, 각 온도별 시험체의 평균값을 Table 4에 제시

하였다(8).

Table 3. Testing Speeds and Temperature Tolerance

TemperaturesRam speed

Temperature toleranceTill yield point After yield point

Room 17 N/mm2 · sec .20 %/min -

High 07 N/mm2 · sec 7.5 %/min300~600 oC=±3 oC600~900 oC=±4 oC

Figure 1. Furnace for tensile test at high temperature.

Figure 3. Specimens after test.

Figure 2. Specimens before test.

Table 4. Mechanical Properties of SM 520 at Various Temperatures

Temperature(oC)

Yield point (MPa) Tensile strength(MPa)

Elastic modulus(MPa)

Elongation(%)0.2 % offset 1.0 % offset

020 392.23 392.07 560.55 198604.52 30.42

100 362.93 369.92 522.17 205034.39 28.99

200 318.31 359.93 509.52 199376.95 24.88

300 291.26 374.42 530.08 193687.81 28.31

400 266.79 347.20 469.56 177368.95 33.66

500 243.31 300.17 356.85 134067.52 39.71

600 165.73 198.86 209.60 112258.92 50.17

700 104.80 115.04 115.54 093541.00 56.44

800 058.19 065.76 074.25 040997.56 87.52

900 032.13 035.71 056.52 034358.32 64.70



온도변화에 따른 응력-변형도 곡선은 Figure 4와 같다.

온도변화에 따른 항복강도와 탄성계수의 감소는 각각

Figure 5~6과 같다.

고온인장시험에서 도출된 SM 520강재의 온도변화에 따

른 항복강도와 탄성계수의 회귀식은 Table 5와 같다.

본 실험식을 유러코드와 비교하였을 때, 전반적으로 유

사한 감소 결과를 보이고 있으나, 항복강도의 경우 600 oC

까지 높은 저감율을 보였다. 탄성계수는 유러코드와 비스

한 감소경향을 보이고 있으나 유러코드값이 보다 안전측

으로 나타났다.

3.1.2 SM 570

SM 570강재의 각 온도영역별 시험체의 평균값을 Table 6

Table 5. Regression Equations for Mechanical Properties of SM 520

Properties Temperature Regression equation Remarks

Yield strengthT⊆100 oC Cold value (350 MPa)

100 oC<T −0.39T+389.38 R2=0.97

Elastic modulusT⊆200 oC Cold value (210,000 MPa)

200 oC<T −256.99T+261398 R2=0.98

Figure 4. Stress-strain curves at various temperatures. Figure 5. Reduction patten of yield points according to tem-perature variances (0.2 % proof stress).

Figure 6. Reduction patten of elastic modulus according totemperature variances.

Table 6. Mechanical Properties of SM 570 at Various Temperatures

Temperature(oC)

Yield point (MPa) Tensile strength(MPa)

Elastic modulus(MPa)

Elongation(%)0.2% offset 1.0% offset

Room 562.38 565.96 656.75 207555.67 24.97

100 534.57 542.15 616.23 202530.43 21.45

200 495.28 531.16 613.99 210368.53 21.28

300 495.62 551.64 645.95 188040.83 26.50

400 461.65 514.71 567.29 171875.94 25.53

500 392.56 437.43 443.42 149051.37 24.82

600 273.34 315.40 315.65 099236.59 33.08

700 102.97 115.62 115.06 026989.73 53.98

800 072.59 077.83 080.33 010152.50 85.83

900 025.67 032.96 058.85 08311.6 57.38


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제시하였다. 그리고 각 온도 응력-변형도 곡선은 Figure 7에

나타내었다(8).

온도변화에 따른 0.2 % 옵 항복강도와 탄성계수의 저

Figure 7. Stress-strain curves at various temperatures.

Table 8. Test Plan

SpecificationsConditions of test

Measuring temperatures Numbers

SM 520BSM 570

From room temperature to 1000 oC

with interval of 100 oC3 per each

Figure 8. Reduction patten of yield points according to tem-perature variances (0.2 % proof stress).

Figure 9. Reduction patten of elastic modulus according totemperature variances.

Table 7. Regression equations for mechanical properties of SM 570

Properties Temperature Regression equation Remarks

Yield strengthT⊆400 oC Cold value (450 MPa)

400 oC<T −0.93T+820.74 R2=0.95

Elastic modulusT⊆200 oC Cold value (210,000 MPa)

200 oC<T −289.29T+267858 R2=0.95

감은 각각 Figure 8~9와 같다.

향후 고온 시의 구조내력 도출에 적용될 수 있는 항복강

도와 탄성계수의 실험식은 Table 7과 같다.

본 실험식을 유러코드와 비교하였을 때, 항복강도의 경

우 400~700 oC까지 유러코드가 보수적으로 나타났고, 탄

성계수는 700 oC까지 유러코드값이 안전측으로 나타났다.

3.2 열적특성

3.2.1 고온열팽창계수

물질은 온도변화에 따라 길이변화가 발생된다. 강구조

건축물에서 화재와 같은 고온상태가 발생되면 주요구조부

인 기둥과 보부재는 팽창을 하게 되며, 단부구속인 경우는

내부응력이 발생되고, 구조물의 변형이 유발되고 지속되면

붕괴와 같은 유해한 결과를 초래할 수도 있다. 따라서 주

어진 고온환경에서 강재의 열팽창률을 측정하는 것은 강

재의 열변형을 정확히 예측하여 구조 안정성을 평가하기

위한 중요한 기초자료가 된다. 열팽창률 측정의 시편계획

및 시험조건은 Table 8과 같고, 시편은 5 mm×5 mm, 길이

50 mm의 각형 막대형태이다.

열팽창의 측정은 High Temperature Dilatometer를 이용

하였으며, 결과는 Figure 10과 같다.

고온 시 열팽창은 SM 570강재가 더 많이 발생되는 것

으로 나타났다. 특히 저온구간에서 더 많은 열팽창이 나타

나는 것으로 나타났으며, 상변태 온도인 700 oC부터는 감

소 후 증가하는 경향을 보였다.

3.2.2 고온열전도율

고체상태의 물질의 열흐름은 온도차에 의해서 온도가

높은 방향에서 낮은 방향으로 이동하게 되며, 물질의 열

흐름은 재료 각각의 열전도률이란 특성에 의해서 그 정도

가 달라진다. 재료의 상태가 고온인 경우는 상온의 경우와

는 달리 온도의 흐름 정도가 달라진다. 온도 전달의 과정

을 정확히 해석하기 위해서는 그 온도에 해당되는 열전도



률이 필요하게 된다.

열전도률 시편은 지름 10 mm, 두께 1~1.2 mm의 원형

판형태이고, 평행도는 0.01 mm 정도를 유지시켰다. 열전

도률의 측정은 상온에서 1500 oC의 온도범위까지 0.1~400

W/mK 범위를 측정할 수 있는 Sinku-Riko사의 TC 7000

를 사용하였다. 본 열전도률은 밀도를 알고 있는 시편의

열확산계수 및 비열을 Laser Flash법에 의해 직접 측정한

뒤 k=α · ρ · Cp에 의해서 계산하였다(여기서, k=열전도율,

α=열확산계수, ρ=밀도, Cp=비열).

열전도률 시험을 수행한 결과는 다음 Figure 11과 같다.

열전도률 시험결과, 상변태 온도인 700 oC 주변을 제외

하고는 SM 570강재가 SM 520강재보다 약 2~3 W/mK 정

도 높게 나타났다.

4. 고강도 구조용 강재와 일반구조용 강재의

고온특성 비교

고강도 구조용 강재의 고온 시 기계적 특성과 열적 특성

을 일반 구조용 강재(SS 400)과 비교분석을 함으로써 화

재와 같은 고열조건에서 고강도 구조용 강재의 상대적 구

조적 거동을 예측할 수 있을 것으로 판단된다.

4.1 기계적 특성

고강도 구조용 강재와 일반 구조용 강재의 0.2 % 옵

내력을 비교하여, Figure 12에 나타내었다.

SM 520은 SS 400과 전체 온도구간에서 유사한 감소경

향을 보이고 있으나, 300~5000 oC 구간에서 SS 400보다

많은 감소를 보이고 있으며, SM 570강재는 400~700 oC

구간에서는 SS 400과 SM 520강재보다 급격한 감소 경향

을 보이고 있다. 700 oC 이후구간에서는 고강도강과 일반

강 모두 유사한 경향을 보였다. 따라서 300~700 oC 구간

에서는 고강도 강재의 항복강도 저감에 따른 내력저하가

클 것으로 판단되었다.

고강도 구조용 강재와 일반 구조용 강재의 탄성계수를

비교하여, Figure 13에 나타내었다.

SM 520강재가 600~700 oC 구간에서 상대적으로 완만

한 감소를 나타내는 것 이외에는 세 가지 강재 모두 전

구간의 온도범위에서 유사한 감소 경향을 보였다. 따라

Figure 10. Results of thermal elongation at various tempera-tures. Figure 12. Comparison of yield point (0.2 offset proof

strength) between high strength structural steels and ordinarystructural steel at various temperatures.

Figure 13. Comparison of elastic modulus between highstrength structural steels and ordinary structural steel at vari-ous temperatures.

Figure 11. Results of thermal conductivity at various temper-atures.


78 권인규

서 고강도화될수록 온도증가에 따른 강성변화는 일반 구

조용 강재와 거의 동일한 수준으로 감소될 것으로 판단

되었다.

4.2 열적 특성 비교

고온에서의 온도예측이 가능한 열전도율의 비교결과는

Figure 14와 같다.

본 결과를 유러코드와 비교한 결과, 800 oC까지 감소하

는 경향은 동일하나 본 실험값이 다소 낮게 나타났다.

열팽창률의 비교결과는 Figure 15와 같다. 본 실험결과

를 유러코드의 값과 비교한 결과, 전반적으로 증가하는 경

향을 동일하나, 700 oC 구간까지 본 실험값이 다소 높은

것으로 나타났다.

SM 570강재가 SM 520 및 SS 400강재보다 다소 높은

열팽창률을 나타내었다. 따라서 SM 570강재의 경우, 고온

화될수록 열팽창에 의한 2차 응력의 발생 가능성이 높은

것으로 판단되었다.

5. 결 론

고강도 구조용 강재(SM 520, SM 570)의 고온 시 기계

적 특성과 열적 특성을 도출하고, 일반구조용 강재(SS

400)의 고온 특성과 비교, 분석한 결과 다음과 같은 결론

을 도출하였다.

(1) 고강도 구조용 강재의 고온 시 항복강도(0.2 % 옵

내력, 1.0 % 옵 내력)과 탄성계수 등을 도출하였고, 온

도변화에 따른 실험식을 제시하였다.

(2) 고강도 구조용 강재의 고온 시 열전도율과 열팽창계

수를 측정하여 그 결과를 제시하였다.

(3) 고강도 구조용 강재의 고온 시 기계적 특성과 일반

구조용 강재의 기계적 특성을 비교분석한 결과, 고강도 강

재의 항복강도는 300~700 oC 구간에서 감소하였고, 탄성

계수는 전 온도구간에서 유사한 감소특성을 보였다. 따라

서 고강도 강재를 적용한 부재와 가구는 고온으로 진행될

수록 급격한 항복강도의 감소를 인한 구조물 내력의 감소

가 상대적인 크게 나타날 것으로 판단되었다.

(4) 고강도 구조용 강재의 열전도율, 열팽창률을 일반 구

조용 강재와 비교분석한 결과, 고강도 강재가 낮은 열전도

율을 보였고, 열팽창율은 SM 570강재가 다소 높은 열팽

창률을 나타내었다. 따라서 SM 570강재의 경우, 고온화될

수록 열팽창에 의한 2차 응력의 발생 가능성이 높은 것으

로 판단되었다.

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