Uniform Elongation of Steel Reinforcing Bars manufactured to Korean Standards

Eun-Ho Lee; Se-Rim Pyo; Hyeon-Woo Lee; Tae-Won Oh; Jae-Hoon Lee

doi:10.22725/JSRP.2025.3.2.37

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Research Article

Journal of Structure Research and Practice. 31 December 2025. 37-48
https://doi.org/10.22725/JSRP.2025.3.2.37

Uniform Elongation of Steel Reinforcing Bars manufactured to Korean Standards

한국 표준에 따라 생산된 철근의 균일연신율

Eun-Ho Lee¹

Se-Rim Pyo²

Hyeon-Woo Lee³

Tae-Won Oh³

Jae-Hoon Lee⁴^*

이 은호¹

표 세림²

이 현우³

오 태원³

이 재훈⁴^*

¹Assistant Manager, Department of Structural Engineering, Dong Myeong Engineering Consultants, Hwaseong 02589, Korea

²Engineer, Department of Bridge Engineering, COWI Korea, Seongnam 13595, Korea

³Senior Student, Department of Civil Engineering, Yeungnam University, Gyeongsan 35841, Korea

⁴Professor Emeritus, Department of Civil Engineering, Yeungnam University, Gyeongsan 35841, Korea

¹동명기술공단 대리

²코비코리아 엔지니어

³영남대학교 건설시스템공학과 학생

⁴영남대학교 건설시스템공학과 명예교수

^{*Corresponding Author}

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ABSTRACT

Tensile tests were conducted on 149 reinforcing bar specimens manufactured in Korea in accordance with KS D 3504. The test results were analyzed with respect to steel grades and compared with the minimum requirements of Eurocode 2 and ACI 318-19 Code. Specimen diameters ranged from 9.53 mm (D10) to 57.3 mm (D57), with yield strengths of 426–816 MPa and tensile strengths of 571–962 MPa. It was found that uniform elongation tends to decrease as yield and tensile strength increase. For general-purpose reinforcing bars with specified yield strengths of 600 MPa or less, all specimens showed uniform elongations greater than 5 %, thus satisfying Eurocode 2. All SD400S seismic bars exhibited greater than 10 % uniform elongations, meeting both Eurocode 2 (7.5 %) and ACI 318-19 Code (9 % for Grade 420 MPa steel). However, 4 of 10 SD500S and 7 of 13 SD600S specimens fell below 7.5 %, failing to satisfy Eurocode 2, and 3 of 10 SD500S and 4 of 13 SD600S specimens did not meet the ACI 318-19 Code minimum requirement of 7 % for Grade 550 MPa steel. Based on these results, revision proposals for KS D 3504 and the Korean Concrete Bridge Design Code(Limit State Design Method) were suggested.

Keywords

steel reinforcing bars

uniform elongation

Korean Standard

Eurocode 2

ACI 318-19 code

한국의 철근표준 KS D 3504에 따라 한국에서 생산된 철근을 대상으로 인장시험을 실시하여 총 149개의 균일연신율 실측값을 얻었고, 강종에 따른 경향을 분석하였으며 Eurocode 2와 ACI 318-19 Code의 최소 균일연신율 조건과 비교하였다. 시험편의 지름은 9.53 mm (D10)에서 57.3 mm (D57)까지의 범위로, 인장시험 결과 항복강도는 426~816 MPa의 범위를 보였으며 인장강도는 571~962 MPa의 범위를 보였다. 측정된 균일연신율 값은 철근의 항복강도와 인장강도가 증가할수록 감소하는 경향을 보였다. 설계기준항복강도가 600 MPa 이하로 건설현장에서 사용되고 있는 일반구조용 철근은 모두 5 %를 초과하는 균일연신율로 Eurocode 2의 최소 균일연신율 조건을 만족하였다. 내진용 SD400S 철근 시험편은 10개 모두 10 %를 초과하는 균일연신율로 Eurocode 2의 최소 균일연신율 조건인 7.5 %를 만족하였고, 설계기준항복강도 420 MPa에 대한 ACI 318-19 Code의 최소 조건 9 % 또한 만족하였다. 그러나 내진용 SD500S 철근 시험편은 10개 중 4개, SD600S 철근 시험편은 13개 중 7개가 7.5 % 미만으로 Eurocode 2의 최소 균일연신율 조건을 만족하지 못하였다. 또 SD500S 철근 시험편 10개 중 3개, SD600S 철근 시험편은 13개 중 4개가 설계기준항복강도 550 MPa에 대한 ACI 318-19 Code의 최소 조건 7 %를 만족하지 못하였다. 이 결과를 바탕으로 KS D 3504와 한국 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법)의 개정안을 제안하였다.

키워드

철근

균일연신율

KS 한국표준

Eurocode 2

ACI 318-19 Code

MAIN

1. 서 론
2. 철근의 균일연신율 표준
2.1 균일연신율 측정방법
2.2 국제표준 ISO 6935-2
2.3 Eurocode 2
2.4 ACI 318-19
3. 철근 인장시험
3.1 철근 시험편의 변수
3.2 시험편 제작 및 시험 방법
4. 시험 결과 및 분석
4.1 시험결과
4.2 항복강도 및 인장강도에 따른 균일연신율의 경향
4.3 산업용과 연구용으로 생산된 KS 철근의 균일연신율
4.4 Eurocode 2의 최소 균일연신율에 대한 평가
4.5 ACI 318-19의 최소 균일연신율에 대한 평가
5. 철근표준과 설계기준의 균일연신율 관련 조항 제안
5.1 철근표준 KS D 3504의 최소 균일연신율 제안
5.2 KS 24 14 21 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법)의 철근 한계변형률 제안
6. 결 론

1. 서 론

철근이 늘어날 수 있는 능력을 표현하는 연신율은 균일연신율(uniform elongation)과 파단연신율(fracture elongation) 두 가지로 나타낸다. 균일연신율은 Fig. 1의 ③으로 나타낸 $ε_{u}$ 로서 인장강도가 발현될 때의 변형률 이다. 변형률이 $ε_{u}$ 를 초과하면 Fig. 1의 ④에 나타낸 바와 같이 철근 일부에 단면적이 감소하는 네킹(necking) 현상이 발생한다. 변형률 증가에 따라 네킹이 진행되어 변형률이 Fig. 1의 ⑤로 표기한 $ε_{u l t}$ 에 도달하면 네킹이 발생한 위치에서 철근이 끊어지는데, 이때의 변형률이 파단연신율이다. 이 두 가지 연신율은 일반적인 철근콘크리트 휨부재의 연성능력과 내진저항성능에 영향을 준다. 즉, 지진에 저항하는 철근콘크리트 부재에 균일연신율이 큰 철근이 배치된 경우에는 부재가 소성상태에서 강도를 유지하면서 큰 연성능력을 발휘하며, 파단연신율이 클 때는 저항성능을 잃는 변형이 크게 나타난다. 다시 말하면 균일연신율은 소성상태에서의 강도 유지에 영향을 주며 파단연신율은 최종 파괴변위에 영향을 주는 것이다.

철근 연신율에 대한 표준은 파단연신율과 균일연신율 모두에 대하여 최솟값을 규정하거나, 두 가지 중 하나를 선택하여 규정하고 있다. 예를 들면 국제표준인 ISO 6935-2(2007)는 파단연신율과 균일연신율 모두에 대하여 최소 조건을 규정한다. 한국의 철근표준 KS D 3504(2021), 미국의 철근표준 ASTM A615(2022a)와 ASTM A706(2022b), 일본의 철근표준 JIS G 3112(2004) 등은 파단연신율로 최소연신율 조건을 규정하며, 영국의 철근표준 BS 4449(2005)는 균일연신율로 최소연신율 조건을 규정한다. 철근표준 외에도 콘크리트구조설계기준에서 철근 연신율을 규정하기도 한다. 유럽의 콘크리트구조설계기준 Eurocode 2(CEN 2023)는 균일연신율로 최소연신율 조건을 규정하는데, ISO 6935-2와는 다른 철근 분류와 최소연신율 조건을 규정하고 있다. 따라서 Eurocode 2로 설계되고 시공되는 구조물에는 Eurocode 2의 최소연신율 조건을 만족하는 철근이 사용되어야 한다. 또 미국의 콘크리트구조설계기준 ACI 318 Code(2019)는 파단연신율로 최소연신율 조건을 규정하고 있는 ASTM A615와 ASTM A706의 조건을 만족하는 철근을 사용하도록 규정하고 있지만, 특별히 ASTM A706에 규정된 Grade 60(항복강도 420 MPa 급)과 Grade 80(항복강도 550 MPa 급) 철근 외에 Grade 100(항복강도 690 MPa 급) 철근을 추가하여 최소 균일연신율 조건을 추가로 규정하고 있다. 여기서 ASTM A615는 일반구조용 철근의 표준이고, ASTM A706은 용접용과 내진용 철근의 표준이다.

한편 Eurocode 2의 한계상태설계법에 근간을 두고 있는 콘크리트교 설계기준 KDS 24 14 21(KIBSE 2021)에서도 3.2.2절의 그림 3.2-1에 인장강도가 발현될 때의 변형률 $ε_{u}$ , 즉 균일연신율을 표현하고 3.2.3절 그림 3.2-2를 통하여 $ε_{u}$ 보다 작은 값의 철근 변형률 한계 $ε_{u d}$ 를 정의하며, 4.1.1.2절에서 그림 4.1-1과 함께 휨 및 축력이 작용하는 부재의 인장 설계한계변형률을 $ε_{u d}$ 로 규정하고 있다. 그러나 철근을 Class A(비구조용), B(일반구조용), C(내진용)로 구분하여 각각의 최소 균일연신율을 $ε_{u k}$ 의 기호로 규정하고 철근 변형률 한계 $ε_{u d}$ 를 $0.9 ε_{u k}$ 로 적용하도록 규정하고 있는 Eurocode 2와는 달리, 콘크리트교 설계기준 KDS 24 14 21에는 이와 같은 내용이 규정되어 있지 않다. 그 이유는 한계상태설계법의 설계기준에서는 철근의 연신율로 균일연신율을 채택하고 있으나, 한국의 철근표준 KS D 3504는 파단연신율로만 최소 조건을 규정하고 있기 때문이다.

따라서 이 연구에서는 향후 KS D 3504와 콘크리트교 설계기준 KDS 24 14 21에 연신율 표준으로 최소 균일연신율 규정을 추가할 가능성을 검토할 자료를 제공하기 위하여, 한국에서 생산된 KS D 3504의 조건을 만족하는 철근들을 대상으로 균일연신율을 측정하고 분석하고자 한다.

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Fig. 1

Stress-strain curve of steel reinforcement and definitions of elongation (Lee 2023a)

2. 철근의 균일연신율 표준

2.1 균일연신율 측정방법

균일연신율을 측정하는 방법은 국제표준 ISO 15630-1(2010)에 규정되어 있고, 균일연신율을 결정하는 방법은 국제표준 ISO 6892(1998)에 규정되어 있다. 이 두 ISO 표준은 매우 많은 항목에 대하여 규정하고 있어서 균일연신율에 대한 규정만을 선별하기 어려운 측면이 있으므로, Lee(2023b)에 기술된 내용을 기반으로 균일연신율의 측정방법과 결정방법을 설명하면 다음과 같다.

ISO 표준에서는 기호 $A_{g t}$ 로 나타내는 균일연신율의 측정방법으로, 철근 표면에 설치한 신장계(extensometer)로 변형을 직접 측정하여 결정하는 방법과 표점 사이의 변형을 측정한 후 계산에 의하여 간접적으로 결정하는 방법, 두 가지를 규정하고 있다. 신장계를 이용할 때에는 시험과정에서 응력이 최대에 도달하였을 때, 즉 네킹이 발생하기 직전에 표점 사이에서 늘어난 길이 $∆ L_{m}$ 을 측정하고 균일연신율 $A_{g t}$ 를 다음 식으로 결정하여 퍼센트 단위로 나타낸다. 여기서 $L_{e}$ 는 신장계 표점 사이의 길이이다.

(1)

A_{g t} = \frac{∆ L_{m}}{L_{e}} \times 100

간접적으로 균일연신율을 결정할 때에는 표점거리를 100 mm로 한다. 즉, 인장시험을 수행하기 전에 먼저 시험편(specimen) 표면에 100 mm 간격으로 표점을 표시하여야 한다. 인장시험으로 철근이 파단 되면 파단위치를 검토하여 시험이 유효한지 판단하여야 한다. Fig. 2에서 빗금 친 구간 a는 시험기계가 철근을 잡고 있는 부분으로, 파단 된 위치가 이 부분에서 20 mm와 철근 지름 중 큰 값인 $γ_{1}$ 만큼 떨어지지 않고 가까이 있으면 시험을 무효로 한다. 유효한 시험편은 파단 된 위치에서 50 mm와 철근 지름의 2배 중 큰 값인 $γ_{2}$ 만큼 떨어진 위치의 구간 $b$ 에서 각 표점 사이의 거리를 측정하고, 표점거리 100 mm에 대한 변형률을 각각 구한 후 변형률의 평균값 $A_{g}$ 를 구한다. $γ_{2}$ 를 적용하는 이유는 네킹이 일어난 곳에서 변형이 집중되므로 이 영향을 제거하려는 것이다.

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Fig. 2

Test specimen for measuring of uniform elongation (ISO 2010 and Lee 2023b)

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Fig. 3

Stress-strain curve of test specimen for measuring of uniform elongation (Lee 2023c)

이렇게 구한 변형률 $A_{g}$ 는 최대응력에서 실제로 발생한 변형률이 아니라 Fig. 3에 나타난 바와 같이 철근이 파단 된 후 측점 구간의 철근이 탄성회복 된 후 남은 잔류 변형률이다. 즉, Fig. 2의 $γ_{2}$ 구간은 Fig. 3에 서 네킹으로 응력이 감소하게 되는 구간이고, Fig. 2의 $b$ 구간은 Fig. 3에서 최대 응력에 도달한 후 탄성회복 된 구간이다. 따라서 최대응력에서 실제로 발생한 변형률, 즉 균일연신율 $A_{g t}$ 는 탄성변형률을 포함하여 다음 식으로 결정한다. 여기서 $R_{m}$ 은 시험으로 측정한 철근의 인장강도이고, $A_{g t}$ 와 $A_{g}$ 는 모두 퍼센트로 나타낸 변형률이므로 탄성계수 $E_{s}$ 의 값을 200,000 MPa의 1/100인 2,000으로 한 것이다.

(2)

A_{g t} = A_{g} + \frac{R_{m}}{E_{s}} = A_{g} + \frac{R_{m}}{2, 000}

2.2 국제표준 ISO 6935-2

국제표준 ISO 6935-2는 Table 1과 같이 A, B, C, D의 네 가지로 구분한 연성 등급(ductility class)에 따라 파단연신율과 균일연신율 두 가지에 대한 최소연신율을 규정하고 있다. 이때 ISO 6935-2에는 연성등급에 따른 철근의 적용방법을 언급하지 않고 있지만, 철근콘크리트 구조물의 설계에서 A 등급은 비구조용 철근, B 등급은 일반구조용 철근, C 등급은 휨모멘트 재분배를 수행하는 부재에 적용하는 구조용 철근, D 등급은 지진에 저항하는 부재에 적용하는 내진용 철근으로 구분된다. 즉, 구조물의 연성능력 크게 요구될수록 최소 균일연신율이 증가하여 A 등급은 2 %, B 등급은 5 %, C 등급은 7 %, D 등급은 8 %이다.

Table 1.

Minimum requirement of elongation in ISO 6935-2

Ductility Class	Steel grade	Minimum requirement of elongation
		Fracture elongation (%)	Uniform elongation (%)
A	B300A-R	16	2
	B400A-R & B400AWR	14
	B500A-R & B500AWR
B	B300B-R	16	5
	B400B-R & B400BWR	14
	B500B-R & B500BWR
C	B300C-R	16	7
	B400C-R & B400CWR	14
	B500C-R & B500CWR
D	B300D-R & B300DWR	17	8
	B350DWR
	B400DWR
	B420DWR	16
	B500DWR	13

2.3 Eurocode 2

유럽의 콘크리트구조설계기준인 Eurocode 2(CEN 2023)는 철근을 A, B, C의 세 등급으로 구분하고 각 등급의 요구조건을 규정하고 있다. A 등급 철근은 비구조용 철근, B 등급 은 일반구조용 철근, C 등급 철근은 내진용 철근으로, Table 2와 같이 최소 균일연신율을 각각 2.5 %, 5 %, 7.5 %로 규정하고 있다.

Table 2.

Requirement of steel reinforcing bars in Eurocode 2

Class	Characteristic value of $k = {(f_{t} / f_{y})}_{k}$	Yield strength ratio, $f_{y} / f_{y k}$	Characteristic strain at maximum force, $ε_{u k}$ (%)
A	$\geq$ 1.05	-	$\geq$ 2.5
B	$\geq$ 1.08	$\leq$ 1.3	$\geq$ 5.0
C	$\geq$ 1.15, < 1.35	$\leq$ 1.3	$\geq$ 7.5

2.4 ACI 318-19

미국의 콘크리트구조설계기준인 ACI 318-19(2019)는 용접 및 내진용 철근에 대한 추가의 최소 균일연신율 조건을 Table 3과 같이 철근의 크기에 따라 규정하고 있다. 즉, D32 이하의 철근에 대해서는 강종에 따라 Grade 60(항복강도 420 MPa 급)은 9 %, Grade 80(항복강도 550 MPa 급)은 7 %, Grade 100(항복강도 690 MPa 급)은 6 %를 최소 균일연신율로 규정하고 있으며, D35 이상의 철근에 대해서는 강종과 무관하게 모두 6 %를 최소 균일연신율로 규정하고 있다.

Table 3.

Uniform elongation requirement of ASTM A706 steel reinforcing bars in ACI 318-19

Grade	Minimum uniform elongation (%)
Grade	Bars of #3~#10 (D10~D32)	Bars of #11, #14, #18 (D35, D43, D57)
60 (420MPa)	9	6
80 (550MPa)	7	6
100 (690MPa)	6	6

3. 철근 인장시험

3.1 철근 시험편의 변수

Table 4의 변수를 갖는 철근 149개에 대하여 균일연신율을 측정하기 위한 인장시험을 수행하였다. 시험 대상은 한국의 철근표준 KS D 3504에 규정된 SD400, SD500, SD600, SD700 및 내진용 철근인 SD400S, SD500S, SD600S, SD700S의 총 8가지 강종으로, 모두 한국에서 생산된 철근들이다. 이 중에서 설계기준항복강도가 600 MPa 이하인 시험편들은 산업 현장에 유통되고 있는 철근의 시험편들이며, SD700과 SD700S 시험편들은 연구용으로 개발되어 소량 생산된 철근의 시험편들이다. 시험편들의 강종별 철근 지름, 항복강도의 범위, 인장강도의 범위는 Table 4와 같다.

Table 4.

Variables of test specimens

Classification	SD400	SD500	SD600	SD700	SD400S	SD500S	SD600S	SD700S
Diameter of reinforcing bars	D10 D13 D16 D19 D22 D25 D43 D57	D10 D13 D16 D19 D22	D16 D19 D22 D25	D13 D16 D19 D22 D25 D29 D32	D10 D13	D10 D13	D16 D19 D22	D13 D16 D19 D22
yield strength (MPa)	426~507	528~598	605~691	700~816	417~446	539~570	609~631	700~785
ultimate strength (MPa)	572~760	656~720	751~803	859~962	571~594	725~741	785~821	895~958

3.2 시험편 제작 및 시험 방법

철근 시험편은 KS B 0801(1981)과 KS B 0802(2001)에 따라 제작하였고, 균일연신율을 측정하기 위하여 100 mm 간격의 표점들을 표시하였다. 시험편의 물림부(grip)는 인장시험 기계에 물리는 부분이므로, 응력이 집중되어 파단이 발생하지 않도록 100 mm 길이의 알루미늄 슬리브(sleeve, 보강관, 덧씌움관)를 부착하였다. 인장시험은 5,000 kN 용량과 15,000 kN 용량의 만능재료시험기(UTM)를 이용하여 수행하였다. 만능재료시험기의 하중은 변위제어(displacement control) 방식으로 가하였고 시험편이 파단 된 후에 시험을 종료하였다. 시험을 종료한 후에는 2.1절에 소개한 균일연신율을 측정방법에 따라 균일연신율을 구하였다.

4. 시험 결과 및 분석

4.1 시험결과

Table 5는 시험편의 강종과 지름별 항복강도의 범위, 인장강도의 범위, 균일연신율의 범위와 평균값, 시험편의 수를 나타낸다. 여기서 SD400, SD500, SD600과 SD400S, SD500S, SD600S는 실제 철근콘크리트 구조에 적용되는 산업용으로 생산된 철근이고 SD700과 SD700S는 연구용으로 생산된 철근으로 실제 건설현장에서는 사용되지 않는 철근이므로, 두 가지를 분리하여 분석하였다.

Table 5.

Test results of specimens

Classification	Diameter	Yield strength (MPa)	Ultimate strength (MPa)	Uniform elongation (%)	Average uniform elongation (%)	Number of test specimens
SD400	D10	436~445	582~629	8.69~10.31	9.7	3
	D13	441~471	581~597	11.04~14.63	12.96	5
	D16	426~489	587~699	11.69~14.3	12.97	8
	D19	438~485	572~760	9.79~16.49	13.31	8
	D22	441~449	572~576	8.59~11.49	9.98	5
	D25	503~507	755~760	12.25~13.75	12.92	3
	D43	466~467	654~655	13.23~16.23	14.73	2
	D57	464	673	14.73	14.73	1
SD500	D10	567~568	691~692	7.38~8.08	7.73	2
	D13	589~598	712~720	7.06~9.81	8.35	5
	D16	530~563	665~685	8.14~11.63	9.49	4
	D19	528~548	656~670	6.83~10.58	9.27	4
	D22	531~564	679~699	6.59~9.64	8.19	5
SD600	D16	639~691	768~803	5.1~6.5	5.9	5
	D19	623~652	751~765	6.23~11.08	8.68	4
	D22	605~645	752~781	5.24~7.69	6.69	5
	D25	630~670	780~803	9.32~11.33	10.33	2
SD700	D13	700~811	910~937	4.98~14.33	9.28	6
	D16	724~762	882~889	3.39~13.08	6.83	6
	D19	725~780	866~896	4.09~13.3	7.18	8
	D22	727~763	896~914	5.63~6.61	5.95	5
	D25	761~773	859~874	12.99~14.41	13.7	2
	D29	755~773	896~933	13.78~16.5	14.8	3
	D32	809~816	949~962	11.7~13.21	12.56	3
SD400S	D10	417~420	571~576	11.22~13.04	12.05	5
SD400S	D13	440~446	588~594	10.04~12.6	11.31	5
SD500S	D10	541~570	731~741	6,52~7.77	6.99	5
SD500S	D13	539~546	725~731	7.56~9.02	8.29	5
SD600S	D16	618~631	795~811	7.35~9.25	7.99	3
	D19	609~624	785~800	4.5~16.69	8.67	5
	D22	616~628	799~821	5.7~9.1	7.5	5
SD700S	D13	700~704	895~902	7.83~8.38	8.11	2
	D16	720~740	928~938	3.92~5.96	4.72	4
	D19	720~738	841~958	2.92~4.61	3.49	3
	D22	744~785	944~976	3.17~4.87	4.15	3

4.2 항복강도 및 인장강도에 따른 균일연신율의 경향

Fig. 4와 Fig. 5는 산업용으로 생산된 일반구조용 철근(SD400, SD500, SD600)과 내진용 철근(SD400S, SD500S, SD600S)의 균일연신율로, Fig. 4는 항복강도와 균일연신율의 관계를 나타내며 Fig. 5는 인장강도와 균일연신율의 관계를 나타낸다. Fig. 6은 연구용으로 생산된 SD700과 SD700S의 균일연신율로, Fig.6(a)는 항복강도와 균일연신율의 관계를 나타내며 Fig. 6(b)는 인장강도와 균일연신율의 관계를 나타낸다.

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Fig. 4

Uniform elongation-yield strength relationship of SD400~SD600 and SD400S~SD600S steel bars

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Fig. 5

Uniform elongation-ultimate strength relationship of SD400~SD600 and SD400S~SD600S steel bars

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Fig. 6

Uniform elongation of SD700 and SD700S steel bars

Fig. 4와 Fig. 5에 나타난 바와 같이 산업용으로 생산된 철근들은 항복강도 및 인장강도가 증가할수록 균일연신율이 감소하는 경향을 보였다. 이와 같은 경향은 금속학적 관점에서 일반적으로 나타나는 현상으로 알려지고 있다. 연구용으로 생산된 SD700S 철근도 Fig.6에 나타난 바와 같이 항복강도 및 인장강도가 증가할수록 균일연신율이 감소하는 경향을 보였지만, SD700 철근은 그 반대로 강도 증가에 따라 균일연신율이 상승하는 경향을 보였다. 이러한 현상은 항복강도 700 MPa 급의 연구용 철근들이 철근콘크리트 구조물에 대한 실험 연구를 위하여 소량으로 생산됨으로써 품질의 변동성이 다소 크게 나타났기 때문인 것으로 추측된다.

4.3 산업용과 연구용으로 생산된 KS 철근의 균일연신율

Table 6은 149개 균일연신율 측정값의 최댓값 및 최솟값, 평균(Average), 최댓값과 최솟값 차이(Range), 표준편차(Standard deviation)를 강종에 따라 나타낸다. 산업용으로 생산된 일반구조용 철근 SD400, SD500, SD600의 균일연신율 평균값은 각각 12.49 %, 8.66 %, 7.39 %로 강도가 높은 강종일수록 감소하였다. 그러나 SD400, SD500, SD600의 균일연신율 최댓값과 최솟값 차이는 각각 7.90 %, 5.04 %, 6.23 % 포인트, 표준편차는 각각 2.04, 1.33, 1.94로 SD400보다는 SD500의 값이 작았지만 SD600의 값들은 오히려 SD500보다 큰 값을 보였다.

산업용으로 생산된 내진용 철근 SD400S, SD500S, SD600S의 균일연신율 평균값은 각각 11.68 %, 7.64 %, 7.68 %로, SD400S 철근이 가장 큰 값을 보였다. SD400S, SD500S, SD600S의 균일연신율 최댓값과 최솟값 차이는 각각 3.00 %, 2.50 %, 12.19 % 포인트, 표준편차는 각각 0.91, 0.90, 2.41로 SD600S가 SD400S나 SD500S보다 큰 값을 보였다.

연구용으로 생산된 일반구조용 철근 SD700의 균일연신율 평균값은 8.89 %로, 산업용으로 생산된 일반구조용 철근과 큰 차이는 보이지 않았다. 그러나 SD700의 균일연신율 최댓값과 최솟값 차이는 13.11 % 포인트, 표준편차는 4.15로, 산업용으로 생산된 일반구조용 철근보다는 상대적으로 큰 값을 보였다. 연구용으로 생산된 내진용 철근 SD700S는 균일연신율 평균값이 4.84 %로, 산업용으로 생산된 내진용 철근보다는 작은 값을 보였다. SD700S의 균일연신율 최댓값과 최솟값 차이는 5.46 % 포인트, 표준편차는 1.77 %로, 산업용으로 생산된 SD400S과 SD500S보다는 큰 값을 보였으나 SD600S보다는 상대적으로 작은 값을 보였다.

Table 6.

Range, average, and standard deviation of measured uniform elongation

Classification	SD400	SD500	SD600	SD700	SD400S	SD500S	SD600S	SD700S
Uniform elongation (min~max) (%)	8.59~16.49	6.59~11.63	5.10~11.33	3.39~16.50	10.04~13.04	6.52~9.02	4.50~16.69	2.92~8.38
Average (%)	12.49	8.66	7.39	8.89	11.68	7.64	7.68	4.84
Range (max–min) (% point)	7.90	5.04	6.23	13.11	3.00	2.50	12.19	5.46
Standard deviation	2.04	1.33	1.94	4.15	0.91	0.90	2.41	1.77

4.4 Eurocode 2의 최소 균일연신율에 대한 평가

Table 7은 Eurocode 2의 최소 균일연신율 기준과의 비교를 위하여 강종별 균일연신율 측정값 분포를 나타낸 것이다. Table 7에 나타난 바와 같이, 일반구조용 철근 중 산업용으로 생산된 SD400, SD500, SD600의 균일연신율은 모두 Eurocode 2의 최소 균일연신율 기준 5.0 %를 초과하였다. 그러나 연구용으로 생산된 일반구조용 철근 SD700의 균일연신율은 33개의 실측값 중 23개가 최소 기준 5.0 %를 초과하였지만 10개는 5.0 % 미만의 값을 나타내었다.

내진용 철근 중에서는 산업용으로 생산된 SD400S의 균일연신율이 모두 10.0 %를 초과하는 값을 보임으로써 Eurocode 2의 최소 균일연신율 기준 7.5 %를 초과하였다. 그러나 산업용으로 생산된 내진용 철근 SD500S는 10개의 실측값 중 6개가 최소 기준 7.5 %를 초과하였지만 4개는 7.5 % 미만의 값을 나타내었고, SD600S는 13개의 실측값 중 6개가 최소 기준 7.5 %를 초과하였지만 7개는 7.5 % 미만의 값을 나타내었다. 연구용으로 생산된 내진용 철근 SD700S는 12개의 실측값 중 2개가 최소 기준 7.5 %를 초과하였지만 10개는 7.5 % 미만의 값을 나타내었다.

Table 7.

Number of specimen in each range of measured uniform elongation

Classification	SD400	SD500	SD600	SD700	SD400S	SD500S	SD600S	SD700S
$10 % \leq ε_{u}$	31	3	2	16	10	-	1	-
$9 % \leq ε_{u} < 10 %$	1	6	1	-	-	1	2	-
$8 % \leq ε_{u} < 9 %$	3	5	2	-	-	2	3	1
$7.5 % \leq ε_{u} < 8 %$	-	1	2	-	-	3	-	1
$5 % \leq ε_{u} < 7.5 %$	-	5	9	7	-	4	6	1
$ε_{u} < 5 %$	-	-	-	10	-	-	1	9
total number of specimen	35	20	16	33	10	10	13	12

4.5 ACI 318-19의 최소 균일연신율에 대한 평가

Table 8은 ACI 318-19의 용접 및 내진용 철근에 대한 최소 균일연신율 기준과의 비교를 위하여 내진용 철근의 균일연신율 측정값 분포를 나타낸 것이다. 다만 ASTM 표준에 따른 항복강도 420 MPa, 550 MPa, 690 MPa의 세 가지 분류가 100 MPa 단위로 구분하는 KS 표준의 분류와 다르기 때문에 ACI 318-19의 최소 균일연신율 기준을 직접 적용하기는 어렵다. 따라서 엄정한 판정보다는 경향을 살펴보기 위한 것으로 유사한 강종의 기준 값과 비교하고자 한다.

산업용으로 생산된 내진용 철근 SD400S에 대하여 Grade 60(항복강도 420 MPa 급)의 최소 균일연신율 기준 9 %와 비교한다면, Table 8에 나타난 바와 같이 D10과 D13 철근 10개가 모두 9 %를 초과하는 값을 보임으로써 ACI 318-19의 조건을 만족하였다. SD500S의 경우에는 Grade 60(항복강도 420 MPa 급)의 최소 균일연신율 기준 9 %와 비교한다면 10개의 실측값 중 D13 철근 1개만 기준을 만족하였으나, Grade 80(항복강도 550 MPa 급)의 최소 균일연신율 기준 7 %와 비교한다면 10개의 실측값 중 D10 철근 3개를 제외한 D10 철근 2개와 D13 철근 5개가 기준을 만족하였다. SD600S의 균일연신율을 Grade 80(항복강도 550 MPa 급)의 최소 균일연신율 기준 7 %와 비교한다면, D16 철근의 경우 3개 모두가 기준을 만족하였고 D19 철근과 D22 철근은 각각 5개의 실측값 중 각각 3개가 기준을 만족하였다.

연구용으로 생산된 내진용 철근 SD700S의 균일연신율을 Grade 100(항복강도 690 MPa 급)의 최소 균일연신율 기준 6 %와 비교한다면, D13 철근의 경우 2개 모두가 기준을 만족하였다. 그러나 D16 철근, D19 철근, D22 철근은 모두 기준을 만족하지 못하였다.

Table 8.

Number of specimens per uniform elongation range for seismic reinforcing bars

Classification	SD400S		SD500S		SD600S			SD700S
Classification	D10	D13	D10	D13	D16	D19	D22	D13	D16	D19	D22
$9 % \leq ε_{u}$	5	5	-	1	1	1	1	-	-	-	-
$7 % \leq ε_{u} < 9 %$	-	-	2	4	2	2	2	2	-	-	-
$6 % \leq ε_{u} < 7 %$	-	-	3	-	-	1	1	-	-	-	-
$ε_{u} < 6 %$	-	-	-	-	-	1	1	-	4	3	3
total number of specimen	5	5	5	5	3	5	5	2	4	3	3

5. 철근표준과 설계기준의 균일연신율 관련 조항 제안

5.1 철근표준 KS D 3504의 최소 균일연신율 제안

1장 서론에서 언급한 바와 같이 한국의 철근표준 KS D 3504는 파단연신율로만 최소 조건을 규정하고 있지만, KDS 24 14 21 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법)에서 철근의 변형률 한계상태 검증에 대한 조항으로 균일연신율을 기반으로 한 철근의 변형률 한계를 규정하고 있다. 따라서 KS D 3504에도 최소 균일연신율 표준을 추가하여 최소 파단연신율 표준과 함께 병기할 필요가 있다. 이와 같은 필요성에 따라 최소 균일연신율 표준을 추가한다면, 2.2절에 소개한 국제표준 ISO 6935-2와 동일하게 규정하는 안을 생각해 볼 수 있을 것이다. 그러나 ISO 6935-2는 A, B, C, D의 네 가지 연성등급에 따른 철근의 적용방법을 언급하지 않고 있고, 또한 한국 설계기준의 철근 구분에 대한 내용과 일치하지 않기 때문에 일관성이 유지되지 않는 문제가 있다.

따라서 KS D 3504의 최소 균일연신율 표준으로 콘크리트 구조물의 설계기준인 Eurocode 2나 ACI 318-19를 참조할 수 있는데, 이 연구에서는 Eurocode 2의 최소 균일연신율 기준을 채택할 것을 제안한다. 그 이유는 최소 균일연신율로 비구조용 철근은 2.5 %, 일반구조용 철근은 5 %, 내진용 철근은 7.5 %로 규정하고 있는 Eurocode 2가 한국 설계기준의 철근 구분에 대한 내용과 상치되지 않기 때문이다. ACI 318-19의 최소 균일연신율 기준을 추천하지 않는 이유는 이 설계기준이 용접 및 내진용 철근에 대해서만 추가의 최소 균일연신율 조건을 규정하고 일반구조용 철근에 대해서는 규정하지 않고 있기 때문이며, 또한 철근의 크기에 따라 다른 값을 규정하는 것은 콘크리트 구조물의 설계에서 일관성과 합리성이 결여되는 결과가 되기 때문이다.

5.2 KS 24 14 21 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법)의 철근 한계변형률 제안

KDS 24 14 21 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법)의 4.1.1.2절은 휨 및 축력이 작용하는 부재의 극한한계상태 검증에서 철근과 프리스트레싱 강재의 극한한계변형률을 설계한계변형률 $ε_{u d}$ 이하로 제한한다. 철근에 대해서는 3.2.3절에서 변형률 한계상태 검증이 필요한 경우 Fig. 7과 같이 항복 이후 변형률 한계 $ε_{u d}$ 까지 기울기를 갖는 설계 응력-변형률 곡선을 사용하도록 규정하고 있다. $ε_{u d}$ 는 극한한계상태의 철근 변형률 $ε_{u}$ 보다 작은 값으로, 여기서 $ε_{u}$ 는 균일연신율을 의미한다. 그러나 $ε_{u}$ 와 $ε_{u d}$ 로 어떤 값을 적용해야 하는지는 규정하고 있지 않다. 이는 KS D 3504에 철근의 균일연신율에 대한 규정이 존재하지 않기 때문이다.

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Fig. 7

Design stress-strain relationship of reinforcing steel

프리스트레싱 강재에 대해서는 3.3.3절에서 설계 응력-변형률 곡선을 규정하고 있는데, 그 형태는 철근에 대한 Fig. 7과 동일하기 때문에 극한변형률로 균일연신율을 적용한다고 할 수 있다. 단, 극한한계상태의 프리스트레싱 강재 변형률은 $ε_{u k}$ 로 표현하는 차이가 있으며, 변형률 한계 $ε_{u d}$ 는 $ε_{u k}$ 의 0.9배를 적용하도록 규정하고 있다. 한편 이 설계기준에서는 프리스트레싱 강재 변형률 $ε_{u k}$ 값에 대하여 규정하고 있지 않지만, 프리스트레싱 강재의 경우에는 변형률 연화(strain softening) 구간이 나타나지 않아서 균일연신율과 파단연신율이 같은 값을 가지므로, 실무 설계에서는 KS D 7002(2018)에 규정된 최소연신율 표준을 적용하고 있다.

KS D 3504에 최소 균일연신율 표준이 추가된다는 전재 하에, 이에 대한 보완 개정안으로는 극한한계상태의 철근 변형률 $ε_{u}$ 로 KS D 3504의 최소 균일연신율 표준을 적용하고 설계한계변형률 $ε_{u d}$ 로는 $ε_{u}$ 의 0.9배를 적용하도록 규정할 것을 제안한다.

6. 결 론

철근표준 KS D 3504에 따라 한국에서 생산된 철근의 149개 균일연신율 실측값에 대하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

1) 산업용으로 생산된 일반구조용 철근(SD400, SD500, SD600)과 내진용 철근(SD400S, SD500S, SD600S)들은 항복강도 및 인장강도가 증가할수록 균일연신율이 감소하는 경향을 보였다.

2) 일반구조용 철근 SD400, SD500, SD600의 균일연신율 평균값은 각각 12.49 %, 8.66 %, 7.39 %, 내진용 철근 SD400S, SD500S, SD600S의 균일연신율 평균값은 각각 11.68 %, 7.64 %, 7.68 %의 값을 나타내었다.

3) 일반구조용 철근 SD400, SD500, SD600의 균일연신율은 모두 Eurocode 2의 최소 균일연신율 기준 5.0 %를 초과하였다.

4) 내진용 철근 SD400S의 균일연신율은 모두 Eurocode 2의 최소 균일연신율 기준 7.5 %를 초과하였지만, SD500S는 10개의 실측값 중 6개가 최소 기준 7.5 %를 초과하였고 SD600S는 13개의 실측값 중 6개가 최소 기준 7.5 %를 초과하였다.

5) ACI 318-19의 용접 및 내진용 철근에 대한 최소 균일연신율 기준과의 비교는 ASTM 표준과 KS 표준의 강종 분류가 달라서 일관성 있는 평가가 가능하지 않기 때문에 대체적인 경향만 말한다면, 내진용 철근 SD400S의 균일연신율은 모두 Grade 60(항복강도 420 MPa 급)의 최소 균일연신율 기준 9 %를 초과하는 값을 보였으나 SD500S와 D600S는 강도가 높을수록 ACI 318-19의 기준을 만족하지 못하는 시험편의 수가 증가하였다.

6) KS D 3504에는 최소 균일연신율 표준을 추가하여 최소 파단연신율 표준과 함께 병기할 것과 최소 균일연신율 표준으로는 일반구조용 철근은 5 %, 내진용 철근은 7.5 % 로 규정하는 Eurocode 2의 최소 균일연신율 기준을 채택할 것을 제안한다.

7) KS D 3504에 최소 균일연신율 표준이 추가된다는 전제 하에, KDS 24 14 21 콘크리트교 설계기준(한계상태설계법)의 보완을 위한 개정안으로는 극한한계상태의 철근 변형률 $ε_{u}$ 로 KS D 3504의 최소 균일연신율 표준을 적용하고 설계한계변형률 $ε_{u d}$ 로는 $ε_{u}$ 의 0.9배를 적용하도록 규정할 것을 제안한다.

Acknowledgements

이 연구는 산업통상자원부(MOTIE)가 지원하는 산업기술혁신사업-산업핵심기술개발사업의 “사회 안전 확보를 위한 700 MPa급 철근 활용 내진용 철근콘크리트 개발”(과제번호: 10063488)과 ㈜한국수력원자력의 “수출형 원전 철근콘크리트 구조물 공극방지 및 최적화 설계 기술 개발”(계약번호 : 제 L21S048000호)로 수행되었으며, 시설장비 및 실험을 지원해 준 서울대학교 극한성능실험센터와 계명대학교 첨단건설재료실험센터에 감사드립니다.

References

ACI Committee 318 (2019) Building Code Requirements for Structural Concrete (ACI 318-19) and Commentary. Farmington Hills, MI; American Concrete Institute (ACI).

ASTM (2022a) Standard Specification for Deformed and Plain Carbon-Steel Bars for Concrete Reinforcement (ASTM A615/A615M), USA, American Society for Testing and Materials (ASTM)

ASTM (2022b) Standard Specification for Low-Alloy Steel Deformed and Plain Bars for Concrete Reinforcement (ASTM A706/A706M), USA, American Society for Testing and Materials (ASTM)

BS 4449 (2005) Steel for the Reinforcement of Concrete-Weldable Reinforcing Steel-Bar, Coil and Decoiled Product Specification, British Standards.

CEN (2023) Eurocode 2: Design of Concrete Structures – Part 1-1: General rules and rules for buildings, bridges and civil engineering structures (BS EN 1992-1 : 2023), London, UK; European Committee for Standardization (CEN), British Standards Institute (BSI).

ISO (1998) Metallic materials-Tensile testing at ambient temperature (ISO 6892), International Organization for Standardization, 1998.

ISO (2007) Steel for the Reinforcement of Concrete-Part 2 : Ribbed Bars (ISO 6935-2), International Organization for Standardization (ISO).

ISO (2010) Steel for the Reinforcement and Prestressing of Concrete-Test Methods-Part 1: Reinforcing bars, wire rod and wire (ISO 15630-1), International Organization for Standardization, 2010.

JIS G 3112 (2004) Steel Bar for Concrete Reinforcement, Japanese Standards Association.

KATS (Korea Agency for Technology and Standards) (1981) Test pieces for tensile test of metallic materials (KS B 0801), Seoul, Korea. (In Korean)

KATS (Korea Agency for Technology and Standards) (2001) Method of tensile test for metallic materials (KS B 0802), Seoul, Korea. (In Korean)

KATS (Korea Agency for Technology and Standards) (2018) Uncoated stress-relieved steel wires and strands for prestressed concrete (KS D 7002), Seoul, Korea. (In Korean)

KATS (Korea Agency for Technology and Standards) (2021) Steel Bars for Concrete Reinforcement (KS D 3504), Seoul, Korea. (In Korean)

KIBSE (Korean Institute of Bridge and Structural Engineers) (2021) Concrete Bridge Design (Limit State Design Method) (KDS 24 14 21) Design Code and Commentary. Seoul, Korea: KIBSE. (In Korean)

Lee, J. H. (2023a) Reinforced Concrete-Strength Design and Limit State Design, Paju, Korea; Dong Myeong Publishers. (p. 104) (In Korean)

Lee, J. H. (2023b) Reinforced Concrete-Strength Design and Limit State Design, Paju, Korea; Dong Myeong Publishers. (p. 106) (In Korean)

Lee, J. H. (2023c) Reinforced Concrete-Strength Design and Limit State Design, Paju, Korea; Dong Myeong Publishers. (p. 107) (In Korean)

Journal of Structure Research and Practice ISSN:3022-4241(Print) 3022-7267(Online) 한국교량및구조공학회 논문집

Preview

Uniform Elongation of Steel Reinforcing Bars manufactured to Korean Standards

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1

Stress-strain curve of steel reinforcement and definitions of elongation (Lee 2023a)

(1)

Fig. 2

Test specimen for measuring of uniform elongation (ISO 2010 and Lee 2023b)

Fig. 3

Stress-strain curve of test specimen for measuring of uniform elongation (Lee 2023c)

(2)

Table 1.

Minimum requirement of elongation in ISO 6935-2

Table 2.

Requirement of steel reinforcing bars in Eurocode 2

Table 3.

Uniform elongation requirement of ASTM A706 steel reinforcing bars in ACI 318-19

Table 4.

Variables of test specimens

Table 5.

Test results of specimens

Fig. 4

Uniform elongation-yield strength relationship of SD400~SD600 and SD400S~SD600S steel bars

Fig. 5

Uniform elongation-ultimate strength relationship of SD400~SD600 and SD400S~SD600S steel bars

Fig. 6

Uniform elongation of SD700 and SD700S steel bars

Table 6.

Range, average, and standard deviation of measured uniform elongation

Table 7.

Number of specimen in each range of measured uniform elongation

Table 8.

Number of specimens per uniform elongation range for seismic reinforcing bars

Fig. 7

Design stress-strain relationship of reinforcing steel

Acknowledgements

References