냉간성형강
Cold-formed steel | 이 글의 사례와 관점은 주로 미국을 다루며, 주제에 대한 세계적인 관점을 나타내지 않는다. (2010년 12월)(이과 시기 |
냉간성형강(CFS, Cold-Feed Steel)은 굴림, 누름, 스탬프, 굽힘 등 상온 가까이에서 진행되는 냉간공정에 의해 형성된 강철 제품의 통칭이다. 냉연강재(CRS)의 스톡바와 시트는 제조의 모든 영역에서 일반적으로 사용된다. 이 용어는 열성형강철과 열연강철에 반대된다.
특히 얇은 게이지 시트 형태로 냉간성형 강철은 기둥, 보, 조이스트, 스터드, 바닥 데크업, 빌트업 섹션 및 기타 부품과 같은 구조 또는 비구조적 품목에 일반적으로 사용된다. 그러한 용도는 1946년 표준화된 이후 미국에서 점점 더 인기를 끌었다.
냉간성형 강철 부재는 교량, 창고, 곡물통, 차체, 철도차량, 고속도로 생산품, 송전탑, 송전 폴, 배수설비, 화기, 각종 장비 등에도 사용되어 왔다.[1][2] 이러한 유형의 섹션은 프레스 브레이크(머신 프레스) 또는 벤딩 작동에 의해 롤링 성형 기계의 강철 시트, 스트립, 플레이트 또는 플랫 바에서 냉간 성형된다. 그러한 박벽 강재 부재의 재료 두께는 일반적으로 0.0147인치(0.373mm)에서 약 ¼인치(6.35mm)까지 다양하다. 1인치(25.4 mm) 두께의 강철판과 막대도 구조 형태로 성공적으로 냉간 성형할 수 있다(AISI, 2007b).[3]
역사
건물 건설에 냉간성형 강철 부재의 사용은 1850년대 미국과 영국 양쪽에서 시작되었다. 1920년대와 1930년대에 건축자재로서 냉간성형강재의 수용은 여전히 제한적이었다. 왜냐하면 건축법규에서 재료 사용에 대한 적절한 설계기준과 제한된 정보가 없었기 때문이다. 냉간성형 강철을 건축 재료로 사용한 최초의 문서로 기록된 것 중 하나는 버지니아 린치버그에 1925년경에 건설된 버지니아 침례 병원이다.[4] 벽은 하중을 견디는 석조물이었지만, 바닥 시스템에는 뒤쪽으로 이중으로 냉간성형 강철 리핑 채널이 틀어져 있었다. Nolen Frisa Associates의 Chuck Greene, P.[5]E에 따르면, 조이스트들은 현재의 분석 기법에 근거하여 초기 부하와 스팬을 운반하기에 충분했다. 그린은 최근 보수공사를 통해 대부분의 조이스트들이 여전히 좋은 성과를 내고 있다고 말했다. 이 보수공사 기간 동안의 현장 관찰 결과, "이 '로어링 20대' 출신의 조이스트들이 80년이 지난 지금도 여전히 짐을 지탱하고 있다!"는 사실이 확인되었다. 1940년대에 Lustron Homes는 냉간 성형 강철로 만든 골격, 마감, 캐비닛, 가구와 함께 거의 2500채의 강철 프레임 집을 짓고 팔았다.
AISI 설계기준의 역사
열연강(구조용강 참조)에 대한 설계기준은 1930년대에 채택되었지만, 좌굴에 취약한 상대적으로 얇은 강철 벽 때문에 냉간성형 단면에는 적용되지 않았다. 냉간성형 강철 부재는 단면 주위로 일정한 두께를 유지하는 반면 열연형 모양은 일반적으로 테이퍼링 또는 필릿을 나타낸다. 냉간성형 강철은 기존의 열연형 모양과는 큰 차이를 보였다. 그 물질은 쉽게 작동할 수 있었다. 그것은 많은 가능한 모양으로 변형될 수 있었다. 지오메트리가 조금만 바뀌어도 단면의 강도특성에 상당한 변화가 생겼다. 버클링과 강도 특성을 제어하기 위한 몇 가지 최소 요건과 법률을 제정할 필요가 있었다. 또한 얇은 벽은 일부 구간에서 작은 하중 하에서 국부좌굴을 거친 후 부재의 국부좌굴 후에도 더 높은 하중을 운반할 수 있는 것으로 관찰되었다.
미국에서는 1946년 미국철강연구소(AISI)가 발간한 경량게이지강구조부재 설계 명세서 초판이 발간되었다(AISI, 1946년).[6] 첫 번째 허용 응력설계(ASD) 명세서는 고 조지 윈터 교수[2]의 지시로 코넬대학교 AISI가 후원한 연구에 기초하였다.[7] 이 작업의 결과, 조지 윈터는 현재 냉간성형 강철 디자인의 할아버지로 여겨지고 있다. ASD 규격은 이후 코넬과 다른 대학에서 기술 발전과 지속적인 연구의 결과를 반영하기 위해 1956년, 1960년, 1962년, 1968년, 1980년, 1986년에 개정되었다(Yu et al., 1996).[8] 1991년에 AISI는 미주리 롤라 대학과 워싱턴 대학교에서 위웬 유[3]와 테오도르 V. 갈람보스 (AISI, 1991년)의 지시로 개발된 부하 및 저항 계수 설계 명세 초판을 발행하였다.[9] ASD와 LRFD 사양 모두 1996년에 단일 사양으로 결합되었다(AISI, 1996).[10]
2001년에는 AISI 규격위원회, 캐나다표준협회(CSA) 기술위원회, Camara Nacional de la Industria de la Industria De La Industria Del Eler Ac의 공동 노력으로 북미 냉간 냉간성형강구조부재 설계규격 제1판이 개발되었다.멕시코의 o (CANACERO) (AISI, 2001).[11] 그것은 미국과 멕시코를 위한 ASD 및 LRFD 방법과 캐나다를 위한 LSD(Limit States Design) 방법을 포함했다. 이 북미 사양은 1996년 AISI 사양과 1994년 CSA 표준을 대체하기 위해 미국 국립 표준 연구소(ANSI)에 의해 ANSI 표준으로 인가되었다. 2001년판 북미사양이 6년간 성공적으로 사용된 데 이어 2007년 개정·확장됐다.[12]
이 업데이트된 규격에는 부록 1의 직접 강도 방법 및 부록 2의 구조 시스템의 2차 분석 추가와 함께 새로운 설계 조항과 수정된 설계 조항이 포함된다.
미국철강연구소는 AISI 규격 외에도 다양한 규격판, 설계 매뉴얼, 프레임 설계 표준, 다양한 설계 가이드, 냉간성형강 사용용 설계 보조기구 등에 대한 해설서도 발간했다. 자세한 내용은 AISI [4] 웹 사이트를 참조하십시오.
국제규격 및 표준
미국, 멕시코 및 캐나다는 냉간성형강 구조부재 설계에 대한 북미 규격(문서 번호 AISI S100-2007)을 사용한다. 유럽연합의 회원국들은 냉간성형 강철 부재의 설계를 위해 유로코드 3의 1-3절(EN 1993)을 사용한다. 다른 나라들은 AISI S-100에 기초한 다양한 설계 규격을 활용하는데, 이는 아래 나열된 건축 법규에 의해 채택된 것이다. 또 다른 국제 냉간성형강코드 목록과 표준은 전 세계 냉간성형강코드(Cold-Formed Steel Code)에서 유지(허가를 받아 편집할 수 있음)된다.
아프리카
에티오피아 건축 법규: EBCS-1 구조물의 설계 및 조치 기준 EBCS-3 강구조물의 설계
아메리카
미국 사양: 북미 냉간성형강구조부재 설계 규격, 2007년 10월 미국철강연구소가 발간한 문서번호 AISI S100-2007. 건물 코드: IBC 및/또는 NFPA가 시행될 수 있지만, 두 가지 모두 AISI S100을 참조한다.
캐나다 사양: 북미 냉간성형강구조부재 설계 규격, 캐나다표준협회가 발표한 문서 번호 CAN/CSA S136-07은 표지를 제외하고 AISI S100과 동일하다. 건물 코드: 캐나다의 국가 건축 법규는 개별 주와 영토에 의해 개정과 함께 채택된 모델 코드다. 연방정부는 주/지방자치단체의 관할권 밖이지만 일반적으로 건축부지의 주/지방 내에서 입법화된 요건을 준수하지 않는다.
Brazil Specification: NBR 14762:2001 Dimensionamento de estruturas de aço constituídas por perfis formados a frio - Procedimento (Cold-formed steel design - Procedure, last update 2001) and NBR 6355:2003 Perfis estruturais de aço formados a frio - Padronização (Cold-formed steel structural profiles, last update 2003) Building Code: ABNT - Associação 브라실리라 데 노르마스 테크니카스 (www.abnt.org.br)
칠레 NCH 427 - 1970년대에 쓰여졌기 때문에 중단되었다. 냉간성형 강철 섹션은 부분적으로 AISI(미국)를 기반으로 했다. 지역 건축 코드 INN은 최근 내진 설계를 위한 강령에 설계자가 반드시 AISC의 마지막 판을 영어로 원래 버전의 영어로 사용해야 한다고 명시했다.
냉간성형강철이 포함된 경량강구조용 아르헨티나 CIRSOC 303. 현재 20년이 넘은 이 명세서는 새로운 명세서로 대체되고 있으며, 일반적으로 현재의 AISI 명세서를 채택하게 될 것이다. 이전의 CIRSOC 303은 당시의 캐나다 코드를 개작한 것이었다. 이때 CIRSOC 303은 매우 오래된 것으로, 현재 CIRSOC 301은 미국 코드(LRFD 설계)에 맞추어 혁명을 이루고 있다. 가까운 장래에 두 코드 모두 명칭과 용어로 정렬될 것이다.
아시아
필리핀 2010년 국가구조규약 제1권 건물, 타워 및 기타 수직구조물, 제5장 제3부 냉간성형강구조부재의 설계는 AISI S100-2007에 근거한다.
인도 사양: 인도 표준국 뉴델리(1975) 인도 표준국(Bureau of Indian Standards, Bureau of Indian Standards, Bureau of New Delhi(1975)에서 냉간성형 광 게이지 강재 부재의 사용에 대한 인도 표준 실천 코드. (현재 개정중) 건축법규 : 모델코드 인도 국가건축법규 참조
중국 사양: 냉간성형 박벽 강구조물의 기술규범 : GB 50018-2002 (현재 버전)
일본 사양: 광 게이지 강구조물 설계 매뉴얼: 경량강 구조물에 관한 기술표준고시 제1641호
말레이시아는 영국 표준 BS5950, 특히 BS5950을 사용한다.제5부; AS4600(호주)도 참조한다.
유럽
EU 국가 사양: EN 1993-1-3 (Eurocode 3 파트 1-3과 동일), 강철 구조 설계 - 냉간 형성 얇은 게이지 부재 및 시트링. 유럽 각국은 자국의 국가별 부속문서(NAD)를 받게 된다.
독일 사양: 독일 강구조위원회(DAST), DAST-지침서 016: 1992: 박벽 냉간성형 구성원이 있는 구조물의 계산 및 설계; 독일 건축법칙: EN 1993-1-3: 2006(Eurocode 3 Part 1-3): 강구조 설계 – 일반 규칙 – 냉간성형 부재 및 시트에 대한 보충 규칙, 독일 버전 prEN 1090 2: 2005(prEN 1090 Part 2; 초안): 강구조 및 알루미늄 구조물의 실행 – 강구조물의 실행을 위한 기술 요건, 독일어 버전 EN 10162: 2003: 냉연강 섹션 - 기술 전달 조건 - 치수 및 단면 공차, 독일어 버전
이탈리아 사양: UNI CNR 10022 (국가 문서) EN 1993-1-3 (필수 사항이 아님)
영국의 냉간성형 강철에 대한 영국 유로코드. BS EN 1993-1-3:2006: 유로코드 3 철골 구조물의 설계. 총칙
오세아니아
오스트레일리아 사양: AS/NZS 4600 AS/NZS 4600:2005 NAS 2007과 유사하지만 모든 섹션에 대해 G550과 같은 고강도 강철을 포함한다. (Greg Hancock) 건축 법규: 오스트레일리아의 건축 법규(국가 문서)는 AS/NZS 4600:2005를 호출한다.
뉴질랜드 사양: AS/NZS 4600(호주와 동일)
공통 섹션 프로필 및 응용 프로그램
건물 건설에는 기본적으로 열연강 모양과 냉간성형강 모양의 두 가지 구조강철이 있다. 고온 압연강 모양은 상승된 온도에서 형성되는 반면 냉간성형강 모양은 상온에서 형성된다. 냉간성형강 구조부재는 일반적으로 강판, 판금 또는 스트립 재료로 제조되는 형상이다. 제조 공정에는 원하는 모양을 얻기 위해 프레스브레이킹 또는 콜드롤링 성형 중 하나로 재료를 형성하는 과정이 포함된다.
프레스브레이킹이나 냉간 압연성형에 의해 강철을 형성할 때 금속의 냉간 가공에 의해 재료의 기계적 특성에 변화가 생긴다. 강철 섹션이 평평한 시트로부터 냉간 성형되거나 항복 강도를 벗겨낼 때, 특히 섹션의 굴곡부에서 이러한 냉간 작업으로 인해 최종 강도가 증가된다.
냉간성형강의 주요 성질은 다음과 같다.[13]
- 무게의 가벼움
- 고강도 및 강성
- 조립 및 대량 생산의 용이성
- 빠르고 쉬운 발기 및 설치
- 날씨로 인한 지연의 실질적인 제거
- 보다 정확한 세부 정보
- 외부 온도에서 수축 및 크리핑하지 않음
- 거푸집 작업이 필요 없음
- 흰개미 방지와 썩는 방제
- 균일품질
- 운송 및 취급 시의 경제
- 비가연성
- 재활용가능재료
- 패널과 갑판은 도관을 위한 밀폐된 셀을 제공할 수 있다.
건설업에서 사용되는 냉간성형 모양에 대한 광범위한 분류는 개별 구조 골격 부재 또는 패널과 갑판으로 만들 수 있다.
인기 있는 응용 프로그램 및 선호 섹션 중 일부는 다음과 같다.
- 지붕 및 벽 시스템(산업용, 상업용 및 농업용 건물)
- 저장 팰릿을 지원하는 강철 랙
- 평면 및 공간 트러스의 구조 부재
- 프레임 없는 응력 피부 구조: 내부 프레임워크가 없는 30ft 클리어 스팬까지의 작은 구조물에 가장자리가 보강된 골판지 또는 시트링 프로파일이 사용된다.
CFS 데킹
CFS 퍼린
CFS X-Brace 벽 시스템
CFS 스터드/거트 벽 연결부
AISI 규격은 아래 표의 다음 ASTM 사양에 따라 강철을 사용할 수 있다.[14]
| 강철 지정 | ASTM 지정 | 제품 | 항복 강도 Fy(ksi) | 인장 강도 푸(ksi) | Fu / Fy | 최소 신장률(%)(2-in) Gage 길이 |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 탄소강 | A36 | 36 | 58-80 | 1.61 | 23 | |
| A36 | 50 | 70 | 1.4 | 21 | ||
| 고강도 저합금 구조용 강재 | A242 | 46 | 67 | 1.46 | 21 | |
| 저·중간 인장강도 탄소강판 | A283년 | |||||
| A | 24 | 45-60 | 1.88 | 30 | ||
| B | 27 | 50-65 | 1.85 | 28 | ||
| C | 30 | 55-75 | 1.83 | 25 | ||
| D | 33 | 60-80 | 1.82 | 23 | ||
| 원형 및 형태의 냉간성형 용접 및 매끄러운 탄소강 구조용 튜브 | A500 | 라운드 튜빙 | ||||
| A | 33 | 45 | 1.36 | 25 | ||
| B | 42 | 58 | 1.38 | 23 | ||
| C | 46 | 62 | 1.35 | 21 | ||
| D | 36 | 58 | 1.61 | 23 | ||
| 쉐이프 튜브 | ||||||
| A | 39 | 45 | 1.15 | 25 | ||
| B | 46 | 58 | 1.26 | 23 | ||
| C | 50 | 62 | 1.24 | 21 | ||
| D | 36 | 58 | 1.61 | 23 | ||
| 고강도탄소망간강 | A529 Gr. 42 | 42 | 60-85 | 1.43 | 22 | |
| A529 Gr. 50 | 50 | 70-100 | 1.40 | 21 | ||
| 열연 탄소강판 및 구조품질 스트립 | A570 | |||||
| GR 30절 | 30 | 49 | 1.63 | 21 | ||
| Gr. 33 | 33 | 52 | 1.58 | 18 | ||
| Gr. | 36 | 53 | 1.47 | 17 | ||
| GR 40 | 40 | 55 | 1.38 | 15 | ||
| 45도 | 45 | 60 | 1.33 | 13 | ||
| GR 50도 | 50 | 65 | 1.30 | 11 | ||
| 고강도 저합금 컬럼비아-바나듐강 구조품질 | A572년 | |||||
| 제42장 | 42 | 60 | 1.43 | 24 | ||
| GR 50도 | 50 | 65 | 1.30 | 21 | ||
| 60도 | 60 | 75 | 1.25 | 18 | ||
| Gr. 65 | 65 | 80 | 1.23 | 17 | ||
| 최소 항복점 50ksi의 고강도 저합금 구조용 강재 | A588 | 50 | 70 | 1.40 | 21 | |
| 내식성이 향상된 열연 및 냉연 고강도의 저합금강판 및 스트립 | A606년 | 압연 절단 길이로 열간 압연 | 50 | 70 | 1.40 | 22 |
| 압연 코일로 열간 압연 | 45 | 65 | 1.44 | 22 | ||
| 열간 압연 아닐레드 | 45 | 65 | 1.44 | 22 | ||
| 냉연연 | 45 | 65 | 1.44 | 22 | ||
| 열간 압연 및 냉간 압연 고강도 저합금 콜럼비아 및/또는 바나듐강판 및 스트립 | A607 클래스 I | |||||
| 45도 | 45 | 60 | 1.33 | 열간 압연(23) 냉간 압연(22) | ||
| GR 50도 | 50 | 65 | 1.30 | 열간 압연(20) 냉간 압연(20) | ||
| Gr.55 | 55 | 70 | 1.27 | 열간 압연(18) 냉간 압연(18) | ||
| 60도 | 60 | 75 | 1.25 | 열간 압연(16) 냉간 압연(16) | ||
| Gr. 65 | 65 | 80 | 1.23 | 열간 압연(14) 냉간 압연(15) | ||
| GR.70 | 70 | 85 | 1.21 | 열간 압연(12) 냉간 압연(14) | ||
| A607 클래스 II | ||||||
| 45도 | 45 | 55 | 1.22 | 열간 압연(23) 냉간 압연(22) | ||
| GR 50도 | 50 | 60 | 1.20 | 열간 압연(20) 냉간 압연(20) | ||
| Gr.55 | 55 | 65 | 1.18 | 열간 압연(18) 냉간 압연(18) | ||
| 60도 | 60 | 70 | 1.17 | 열간 압연(16) 냉간 압연(16) | ||
| Gr. 65 | 65 | 75 | 1.15 | 열간 압연(14) 냉간 압연(15) | ||
| GR.70 | 70 | 80 | 1.14 | 열간 압연(12) 냉간 압연(14) | ||
| 냉연 탄소 구조 강판 | A611 | |||||
| A | 25 | 42 | 1.68 | 26 | ||
| B | 30 | 45 | 1.50 | 24 | ||
| C | 33 | 48 | 1.45 | 22 | ||
| D | 40 | 52 | 1.30 | 20 | ||
| 아연 코팅 또는 아연 철 합금 코팅 강판 | A653 SS | |||||
| Gr. 33 | 33 | 45 | 1.36 | 20 | ||
| 37도 | 37 | 52 | 1.41 | 18 | ||
| GR 40 | 40 | 55 | 1.38 | 16 | ||
| 50 클래스 1 | 50 | 65 | 1.30 | 12 | ||
| 50 클래스 3 | 50 | 70 | 1.40 | 12 | ||
| HSLAS 유형 A | ||||||
| 50 | 50 | 60 | 1.20 | 20 | ||
| 60 | 60 | 70 | 1.17 | 16 | ||
| 70 | 70 | 80 | 1.14 | 12 | ||
| 80 | 80 | 90 | 1.13 | 10 | ||
| HSLAS 유형 B | ||||||
| 50 | 50 | 60 | 1.20 | 22 | ||
| 60 | 60 | 70 | 1.17 | 18 | ||
| 70 | 70 | 80 | 1.14 | 14 | ||
| 80 | 80 | 90 | 1.13 | 12 | ||
| 열간 압연 및 냉간 압연 고강도 저합금강판 및 스트립으로 조형성 개선 | A715 | |||||
| GR 50도 | 50 | 60 | 1.20 | 22 | ||
| 60도 | 60 | 70 | 1.17 | 18 | ||
| 70도 | 70 | 80 | 1.14 | 14 | ||
| 80도 | 80 | 90 | 1.13 | 12 | ||
| 열간섭취 공정에 의한 55% 알루미늄 합금강판 | A792 | |||||
| Gr. 33 | 33 | 45 | 1.36 | 20 | ||
| 37도 | 37 | 52 | 1.41 | 18 | ||
| GR 40 | 40 | 55 | 1.38 | 16 | ||
| Gr. 50A | 50 | 65 | 1.30 | 12 | ||
| 냉간성형 용접 및 매끄러운 고강도 저합금 구조용 튜브로 대기식 내식성 개선 | A847 | 50 | 70 | 1.40 | 19 | |
| 핫딥 공정에 의한 아연 5% 알루미늄 합금 코팅 강판 | A875 SS | |||||
| Gr. 33 | 33 | 45 | 1.36 | 20 | ||
| 37도 | 37 | 52 | 1.41 | 18 | ||
| GR 40 | 40 | 55 | 1.38 | 16 | ||
| 50 클래스 1 | 50 | 65 | 1.30 | 12 | ||
| 50 클래스 3 | 50 | 70 | 1.40 | 12 | ||
| HSLAS 유형 A | ||||||
| 50 | 50 | 60 | 1.20 | 20 | ||
| 60 | 60 | 70 | 1.17 | 16 | ||
| 70 | 70 | 80 | 1.14 | 12 | ||
| 80 | 80 | 90 | 1.13 | 10 | ||
| HSLAS 유형 B | ||||||
| 50 | 50 | 60 | 1.20 | 22 | ||
| 60 | 60 | 70 | 1.17 | 18 | ||
| 70 | 70 | 80 | 1.14 | 14 | ||
| 80 | 80 | 90 | 1.13 | 12 |
일반적인 응력-변형성
그 행동을 설명하는 데 사용되는 강철의 주요 특성은 응력-스트레인 그래프다. 냉간성형 강판의 응력 변형 그래프는 주로 두 가지 범주로 나뉜다. 각각 아래 그림 1과 그림 2에 예시된 예리한 항복형 및 점진 항복형이다.
이 두 가지 응력 변형 곡선은 장력 시험 중 냉간성형 강판에 일반적으로 사용된다. 두 번째 그래프는 제조 공정 중 냉간저감(경질구름)을 거친 강판을 표현한 것이므로 수율 고원의 수율점을 나타내지 않는다. 선작업의 결과로 곡선의 초기 기울기가 낮아질 수 있다. 그림 1과 달리, 그림 2의 응력-변형 관계는 압연 강판의 동작을 나타낸다. 이러한 유형의 강철의 경우 항복점은 응력-스트레인 곡선이 수평이 되는 수준으로 정의된다.
냉간성형은 강철의 항복 강도를 증가시키는 효과가 있는데, 그 증가는 냉기가 변형강화범위에 잘 작용한 결과물이다. 이 증가는 재료가 구부러지거나 작용하여 변형되는 구역에서 발생한다. 항복 응력은 설계 목적으로 15% 이상 증가했다고 가정할 수 있다. 냉간성형강의 항복응력 값은 보통 33ksi에서 80ksi 사이이다. 표준방법에 의한 탄성계수의 측정치는 보통 29,000 ~ 30,000 ksi(200 ~ 207 GPA)이다. AISI는 설계 목적을 위해 규격에서 29,500ksi(203 GPA)의 값을 권고한다. 단면 내 강판의 궁극적인 인장 강도는 그러한 부재들의 설계와 거의 직접적인 관계가 없다. 냉간성형 강철 휨 및 압축 부재의 하중 전달 용량은 특히 평폭 비율이 상대적으로 크고 가느다란 비율을 가진 압축 부재의 경우 강철의 항복점보다 작은 항복점 또는 좌굴 응력에 의해 제한된다. 볼트와 용접 접합부는 예외로 하며, 강도는 항복점뿐만 아니라 재료의 궁극적인 인장 강도에 따라 달라진다. 연구 결과에 따르면 냉간 작업이 형성된 강철 부재의 효과는 주로 처녀자재의 인장 강도 및 항복 강도 사이의 확산에 의존한다.
연성 기준
연성은 ''자재가 파열 없이 소성변형을 유지할 수 있는 정도'''로 정의된다. 연성은 성형 공정에서뿐만 아니라 응력 집중이 발생하는 부재와 연결부의 응력의 플라스틱 재분배에도 필요하다. 냉간성형 부재 및 연결부에 대한 저유도강재의 연성기준과 성능은 코넬대학의 달라, 윈터, 에레라가 연구하였다. 표준 장력 시험의 연성 측정에는 국부 연성과 균일한 연성이 포함된 것으로 조사되었다. 국부 연성은 최종 파괴 구역에서 국부적 연장으로 지정된다. 균일한 연성은 장력 쿠폰이 목걸이 전 길이를 따라 크기 가능한 플라스틱 변형을 겪을 수 있는 능력이다. 또한 이 연구는 조사된 다른 연성강의 경우 2인치(50.8-mm) 게이지 길이의 연성이 소재의 국소 또는 균일한 연성과 만족스럽게 상관관계가 없음을 밝혀냈다. 플라스틱 범위의 스트레스를 재분산하여 조기 파손을 방지하고 응력 농도를 가진 장력 부재에서 완전한 순절강도를 달성할 수 있도록 하기 위해 다음을 제안한다.
- 목을 포함한 표준 장력 쿠폰의 a - 1/2인치(12.7-mm) 게이지 길이의 최소 국부 신장률은 20% 이상이어야 한다.
- 3인치(76.2-mm) 게이지 길이의 최소 균일 연신율에서 목과 골절을 포함하는 1인치(25.4-mm) 게이지 길이의 연신율을 뺀 값은 3% 이상이어야 한다.
- 인장강도 대 항복점 비율 Fu/Fy는 최소 1.05이다.
용접성
용접성은 강철이 조립 조건에서 문제 없이 만족스럽고 균열이 없는 견고한 접합부에 용접될 수 있는 용량을 말한다.[1] 냉간성형 강철 소자에서는 용접이 가능하지만 AISI S100-2007, 섹션 E에 제시된 표준을 따라야 한다.
1.두께가 3/16"(4.76mm)보다 작거나 같은 경우:
연결부에서 가장 얇은 원소의 두께가 3/16" 이하인 냉간 성형 강철 섹션에 가능한 다양한 용접 부위는 다음과 같다.
- 버트 조인트의 홈 용접
- 아크 스폿 용접
- 아크 심 용접
- 필릿 용접
- 플레어 그루브 용접
2.두께가 3/16"(4.76mm)보다 크거나 같은 경우:
가장 얇은 연결 호 두께가 3/16"(4.76mm) 이상인 용접 접합부는 ANSI/AISC-360에 따라야 한다. AISI S100-2007에 따라 용접 위치를 커버한다(표 E2a)[12]
용접 접합부에 권장되는 최소 재료 두께
| 적용 | 상점 또는 현장 제작 | 전극법 | 제안 최소 CFS 두께 |
|---|---|---|---|
| CFS와 구조용 강철 연결 | 현장조립 | 스틱 용접 | 5400만6800만 달러 |
| CFS와 구조용 강철 연결 | 숍 조립 | 스틱 용접 | 5400만6800만 달러 |
| CFS에서 CFS로 | 현장조립 | 스틱 용접 | 5400만6800만 달러 |
| CFS에서 CFS로 | 현장조립 | 와이어식 MIG(금속 불활성 가스) 용접 | 43~5400만 대 |
| CFS에서 CFS로 | 숍 조립 | 와이어식 MIG(금속 불활성 가스) 용접 | 3300만 |
건물에서의 적용
냉간성형강골조
냉간성형강골조(CFSF)는 특히 주변 온도에서 다양한 모양으로 형성된 판재로 전적으로 만들어진 경량골조 건축물의 부재를 말한다. CFSF 멤버가 가장 많이 사용하는 모양은 "Z", "C", "관형", "hat" 및 다른 모양과 변형이 사용되었지만, CFSF 멤버가 가장 많이 사용하는 모양은 리핑된 채널이다. 냉간성형 강철로 가장 많이 프레임되는 건물 요소는 바닥, 지붕 및 벽이지만, 다른 건물 요소와 구조 및 장식용 조립품은 모두 강철 프레임일 수 있다.
건축 시공 시 냉간성형강을 여러 제품에 사용하지만 벽면 스터드, 바닥 조이스터, 서까래, 트러스 부재 등에 주로 사용한다는 점에서 골조제품이 다르다. 프레임으로 간주되지 않는 냉간성형 강철의 예로는 금속 지붕, 지붕 및 바닥 데크, 복합 데크, 금속 사이딩 및 금속 건물의 퍼린과 스커트가 있다.
프레임 부재는 일반적으로 중심에서 16인치 또는 24인치 간격으로 배치되며, 하중과 커버에 따라 간격 편차가 점점 더 낮아진다. 월 멤버는 전형적으로 수직 리핑 채널 "스터디" 멤버로, 위아래에 있는 언리핑 채널 "트랙" 섹션에 들어맞는다. 바닥 조이스터와 서까래 조립체 모두에 유사한 구성이 사용되지만, 바닥의 수평 적용과 지붕 골격의 수평 또는 경사 적용에 사용된다. 프레임 시스템의 추가 요소로는 고정 장치 및 커넥터, 브레이싱 및 브레이싱, 클립 및 커넥터가 있다.
북미에서는 회원 유형이 크게 5가지 범주로 나뉘었고, 제품 명칭은 그 범주에 기반을 두고 있다.
- S 부재는 고정된 채널로, 벽 스터드, 바닥 조이스터, 천장 또는 지붕 서까래에 가장 많이 사용된다.
- T부재는 언리핑 채널로 벽면 상판 및 하판판(트랙)에, 바닥면 시스템의 림 조이스트에 사용된다. 트랙은 또한 창문의 머리와 실(sill)을 형성하며, 일반적으로 박스형 또는 백투백 헤더의 상단과 하단을 덮는다.
- U회원은 선로보다 깊이가 작은 언리핑 채널이지만, 천장 지지 시스템뿐 아니라 브레이스 멤버에도 사용된다.
- F 부재는 "모서리" 또는 "모자" 채널이며, 일반적으로 벽이나 천장에서 수평으로 사용된다.
- L 부재는 각도로, 경우에 따라 개구부를 가로지르는 헤더에 사용되어 인접한 잼 스터드에 하중을 분배할 수 있다.
고층 상업 및 다세대 주택 건설에서 CFSF는 일반적으로 내부 칸막이와 외벽 및 외피 지지에 사용된다. 많은 중층 및 저층 애플리케이션에서 전체 구조 시스템을 CFSF로 프레임화할 수 있다.
냉간 압연 강철 빌딩은 사전 아연도금 강철 코일로 제조된다. 이를 통해, 추가 코팅이나 도장이 필요 없는 냉간 압연 프레임과 아연도금 마감의 모든 구성요소를 얻을 수 있다는 것을 의미한다.[16]
프레임의 커넥터 및 고정 장치
커넥터는 냉간성형 강철 구조에서 하중 전달 및 지지 목적으로 부재(즉 스터드, 조이스트)를 서로 부착하거나 1차 구조에 부착하기 위해 사용된다. 어셈블리는 가장 약한 구성 요소만큼만 강하므로 각 연결부를 설계하여 특정 성능 요구사항을 충족하도록 하는 것이 중요하다. 고정 및 이동 허용(슬립)의 두 가지 주요 연결 유형이 있다. 프레임 부재의 고정 연결은 연결된 부품의 이동을 허용하지 않는다. 축하중 베어링 벽, 커튼월, 트러스, 지붕 및 바닥에서 볼 수 있다. 이동-허용 연결부는 활하중에 의한 수직방향 또는 풍하중이나 지진하중에 의한 수평방향, 또는 수직방향과 수평방향 모두에 의한 일차구조물의 편향이 가능하도록 설계되었다. 수직 이동 허용 연결에 대한 한 가지 적용은 비축하하중 베어링 벽(건벽)을 구조물의 수직 활하중으로부터 격리하고 마감재의 손상을 방지하는 것이다. 이 어플리케이션의 일반적인 클립은 층 사이에 끼울 수 있는 벽을 위한 L자 모양의 벽면 상단 클립이다. 이 클립들은 클립의 벤드에 수직인 슬롯을 가지고 있다. 또 다른 일반적인 클립은 바닥 구조물의 가장자리 바깥을 우회하는 벽의 바이패스 클립이다. 이러한 클립이 L자형일 경우 클립의 벤드와 평행한 슬롯이 있다. 구조물이 능동 지진대에 있는 경우, 수직 및 수평 이동 허용 연결부를 사용하여 구조물의 수직 편향과 수평 표류를 모두 수용할 수 있다.
커넥터는 용접부, 볼트 또는 자체드릴링 나사를 사용하여 냉간 성형 강철 부재 및 1차 구조에 고정할 수 있다. 이러한 고정 방법은 미국철강연구소(AISI) 2007 북미 냉간성형강구조부재 설계 명세서 E장에서 인정된다. 기타 고정 방법(임클칭, 동력 작동식 고정 장치(PAF), 기계식 앵커, 접착식 앵커 및 구조용 접착제)는 제조업체의 성능 기반 시험에 기초하여 사용된다.
열연강 대 냉연강과 어닐링의 영향
| 핫롤드 | 냉간 압연 | ||
|---|---|---|---|
| 재료 특성 | 항복강도 | 재료는 변형되지 않으며, 재료에 초기 변형력이 없으므로 원재료로서 실제 항복가치로 산출된다. | 수율 값은 사전 작업(초기 변형)으로 인해 15%~30% 증가한다. |
| 탄성계수 | 29,000ksi | 29,500ksi | |
| 단위중량 | 단위 중량은 비교적 크다. | 그것은 훨씬 작다. | |
| 연성 | 자연에서 더 연성적이다. | 연성이 덜하다. | |
| 디자인 | 대부분의 경우, 우리는 구성원의 전세계적인 책임만을 고려한다. | 국부좌굴, 왜곡좌굴, 글로벌좌굴이 고려되어야 한다. | |
| 주요 용도 | 하중 지지 구조, 일반적으로 무거운 하중 지지 구조 및 연성이 더 중요한 경우(예: 지진 발생 위험이 있는 지역) | 다양한 로딩 케이스에 적용. 여기에는 건물 뼈대, 자동차, 항공기, 가전제품 등이 포함된다. 연성이 높은 경우에는 제한적으로 사용하십시오. | |
| 도형의 유연성 | 표준 형상을 따른다. 단위 중량의 높은 가치는 다양한 형태의 제조의 유연성을 제한한다. | 원하는 모양은 시트로 성형할 수 있다. 가벼운 무게는 다양한 사용법을 향상시킨다. | |
| 이코노미 | 단위 중량이 높을수록 전체 비용 증가 - 재료, 리프팅, 운송 등 (연계 등)로 작업하는 것은 어렵다. | 단위 중량이 낮으면 상대적으로 비용이 줄어든다. 시공 용이성(예: 연결) | |
| 연구 가능성 | 현재 진행 단계에서는. | 상대적으로 새로운 개념이고 소재가 다양한 용도를 찾기 때문에 더 많은 가능성이 있다. |
앞 절에서도 설명한 아닐링은 냉간성형강판 제조 공정의 일부다. 냉감쇠강재의 미세구조를 바꿔 연성을 회복하는 열처리 기술이다.
대체 설계 방법
직접강도법(DSM)은 북미 냉간성형강구조부재설계규격(AISI S100-07) 부록 1에 위치한 대체설계법이다. 명목상의 부재 용량을 결정하기 위해 주 규격 대신 DSM을 사용할 수 있다. 특정 장점에는 알려진 총 단면 특성만 사용하면서 유효 너비와 반복이 없다는 것이 포함된다. 예측 신뢰도의 증가는 탄성 좌굴 분석에서 단면 플랜지와 웹 사이의 강제 호환성에 기인한다. 모든 단면 기하학에 대한 예측 정확도의 증가는 합리적인 분석 확장의 견고한 기초를 제공하며 단면 최적화를 장려한다. φ 또는 Ω 인자는 두 방법이 모두 정확하다는 것을 보장하도록 설계되었기 때문에 DSM 또는 주 규격을 자신 있게 사용할 수 있다. 현재 DSM은 보와 기둥에 대한 솔루션만 제공하고 있으며, 완전한 설계를 위해서는 본규격과 연계하여 사용해야 한다.
DSM 사용에 대한 사전 자격이 없는 주 사양의 범위를 벗어난 최적화된 콜드 폼 형태를 사용할 경우 합리적인 분석이 허용된다. 이러한 사전 자격 없는 섹션은 합리적인 분석과 관련된 ϕ 및 Ω의 안전 계수를 사용한다(AISI 2001 섹션 A1.1 (b) 참조). 합리적인 분석 시간의 결과는 해당 섹션의 설계 강도로 적절한 안전 요소를 사용할 것이다.
DSM의 합리적인 분석 애플리케이션을 사용할 수 있는 몇 가지 상황이 존재할 수 있다. 일반적으로 여기에는 (1) 탄성 좌굴 값 결정 및 (2) 부록 1의 DSM 방정식을 사용하여 공칭 휨 및 축 용량 Mn 및 Pn이 포함된다. DSM의 전제 자체가 합리적 분석의 한 예다. 탄성 좌굴 결과를 사용하여 경험적 강도 곡선의 사용을 통해 궁극적인 강도를 결정한다. 이것은 설계자들에게 여러 가지 독특한 상황에서 합리적인 분석을 수행할 수 있는 방법을 제공한다.
어떤 경우에는 DSM에 대한 합리적인 분석 확장이 식별이 어려운 관찰된 좌굴 모드를 다루는 것과 같이 간단할 수 있으며, 어떻게 모드를 분류할 것인가에 대한 판단 호출을 할 수 있다. 그러나 그것은 엔지니어가 모든 좌굴 모드에 대한 모멘트 구배의 영향, 다른 엔드 조건의 영향 또는 비틀림의 영향을 포함하도록 하는 데 사용될 수 있다.
현재 DSM 내에는 전단, 웹 불능, 부재 구멍, 또는 형성되는 냉간 작업으로 인한 강도 증가와 관련된 조항이 없다. 이 주제들 중 몇 가지에 대한 연구가 완료되었거나 완료되는 과정에 있으며 AISI 규격의 다음 업데이트에 포함되어야 한다. DSM은 또한 매우 가느다란 요소가 사용되는 섹션에 대한 강도를 결정하는 데 한계가 있다. 이는 단면을 여러 개의 유효 요소로 분할하는 규격의 유효폭 방법을 사용하는 대신 DSM으로 단면 전체를 예측하는 단면 강도에 기인한다. 가느다란 원소 하나가 DSM으로 저강도 유발하는데, 이는 현재 사양법으로는 그렇지 않다. CUFSM을 사용한 유한 스트립 방법은 탄성 좌굴 하중을 결정하기 위해 가장 일반적으로 사용되는 접근법이다. 또한 이 프로그램은 홀을 고려할 수 없고, 부재를 따라 하중이 균일해야 하며, 단순하게 지원되는 경계 조건만 고려되며, 좌굴 모드가 상호 작용하여 어떤 경우에는 쉽게 구별할 수 없기 때문에 DSM을 제한한다.
참조
- ^ a b Wei-Wen Yu, John Wiley and Sons Inc. (2000). Cold-Formed Steel Design. John Wiley & Sons, New York, NY.
- ^ "Custom Cold Rolled & Cold Drawn Metal Profiles Rathbone Precision Metals". www.rathboneprofiles.com. Retrieved 28 August 2018.
- ^ 미국철강연구소, 냉간성형강구조부재 설계를 위한 북미규격 해설, 2007년 워싱턴 D.C.
- ^ "Archived copy". Archived from the original on 3 May 2009. Retrieved 13 August 2009.
{{cite web}}: CS1 maint: 타이틀로 보관된 사본(링크) - ^ [1][영구적 데드링크]
- ^ 미국철강연구소, 뉴욕, 뉴욕, 뉴욕, 1946년 발간된 경량계 철골구조부재
- ^ 구조분과의 일지, ASCE, 제85권, No.ST9, 냉간성형 경량 Gage 강재 시공, 1959년 출판
- ^ Yu, W.W., D.S. 울포드, A.L. 존슨, A.L. Johnson, AISI 규격의 황금 기념일, MO. St. Louis, St. Louis, MO., Cold-Format Steel Structures에 관한 제13회 국제 전문 회의의 진행, 1996 출판
- ^ 미국철강연구소, 냉간성형강재 부재의 하중 및 저항계수 설계 명세, Washington D.C. 출판 1991
- ^ 미국철강연구소, 냉간성형강구조부재 설계기준, 워싱턴 D.C. 1996 발간
- ^ 미국철강연구소, 북미 냉간성형강구조부재 설계기준, 워싱턴 D.C. 2001년 발간
- ^ a b American Iron and Steel Institute (2007). North American Specification for the Design of Cold-Formed Steel Structural Members. Washington, D.C.
- ^ 그레고리 J. 핸콕, 토마스 M. 머레이, 듀안 S 엘리프리트, Marcel Dekker Inc., "AISI 사양에 따른 냉간성형 강철 구조물", 2001
- ^ ASTM 표준, "철 및 강철 제품", Vol. 01.04, 2005
- ^ 이데, 브라이언, S.E., P.E.와 앨런, 돈, P.E. SECB.Structural Engineer Magazine. 2009년 9월 26페이지
- ^ "Steel Buildings with 25-year warranty Cold Rolled Steel Building".
외부 링크
단체들
- 미국철강연구소(AISI) [5]
- 철골공업협회[6]
- 강철 골격동맹(SFA)
- 강 스터드 제조업체 협회[8]
- 냉간성형강기술연구소 [9]
- 구조안정화연구회[10]
- MBMA(Metal Building Manufacturers Association) [11]
- 강철 조이스트 연구소(SSI) [12]
- 스틸 데크 연구소(SDI) [13]
- 철강재활용연구소 [14]
기타 관련 링크는 다음 페이지에서 찾을 수 있다.
