콘크리트 충전 강관구조는 강관과 콘크리트의 장점을 극대화시킨 합성구조로 두 소재의 합성효과에 의한 강성, 내력, 변형, 내화, 시공성 등의 여러 측면에서 우수한 특성을 발휘하며 경제성이 우수하고 범용성도 높으며, 기둥단면의 최소화, 장스팬 등이 가능한 구조 부재이다.
본 연구에서는 건물의 고층화 및 대형화로 인하여 요구되어지는 구조성능과 내화성능을 동시에 해결할 수 있는 이중강관 콘크리트 충전기둥(Double ...
콘크리트 충전 강관구조는 강관과 콘크리트의 장점을 극대화시킨 합성구조로 두 소재의 합성효과에 의한 강성, 내력, 변형, 내화, 시공성 등의 여러 측면에서 우수한 특성을 발휘하며 경제성이 우수하고 범용성도 높으며, 기둥단면의 최소화, 장스팬 등이 가능한 구조 부재이다.
본 연구에서는 건물의 고층화 및 대형화로 인하여 요구되어지는 구조성능과 내화성능을 동시에 해결할 수 있는 이중강관 콘크리트 충전기둥(Double CFT)을 제안하고자 하며, 실험 및 해석적 방법을 통하여 구조성능, 내화성능, 잔존강도를 평가하고 이를 분석하여 설계 및 시공을 위한 기초자료를 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위하여 첫번째로 Double CFT구조의 기둥부재로서의 구조적 성능을 분석하고자 하였으며, 구조실험과 유한요소해석을 통한 구조내력을 평가하였다. 두번째로 Double CFT기둥의 내화성능을 분석하고자 하였으며, 재하가열실험 및 유한요소해석을 통해 단면 내 온도분포를 측정하고 내화성능을 평가하여 3시간 내화성능 확보를 위한 가능성을 분석하였다. 마지막으로 Double CFT기둥의 화재 후 보수 보강 방안을 명확히 판단하기 위해 잔존강도를 평가하고자 하였으며, 3시간 동안 비 재하 가열실험과 강도실험을 수행하였고 화재발생시간 경과에 따른 온도변화와 잔존내력을 평가하였다.
이를 통하여 다음과 같은 결론에 도달하였다.
1. Double CFT 기둥의 구조성능 평가결과 소성변형능력에서 SC-Type은 타 실험체들보다 4.2~4.4배 높은 소성변형능력을 나타냈으며, CC-Type은 2차적인 응력증가곡선을 나타내면서 우수한 연성능력을 나타냈다. 또한, SC-Type은 SS-Type보다 내력에서는 0.3% 낮게 평가가 되었으나, 연성능력에서는 약 25% 높게 평가 되어 Double CFT의 외부강관을 각형강관을 적용할 경우, 내부강관에 원형강관(SC-Type)을 사용하게 되면 연성능력이 크게 증가되는 것으로 나타났다.
2. Double CFT 기둥의 내화성능 평가결과 Double CFT기둥은 무보강 CFT기둥에 비하여 약 70 – 80% 내화성능이 향상되어 충분히 3시간 이상의 내화성능이 확보 가능한 것으로 나타났다. 따라서 무보강 CFT기둥의 내화성능 향상방안으로써 매우 효과적인 방안이라 판단된다. 또한, 각형 Double CFT기둥의 경우 내부강관이 각형(SS-Type)인 경우가 원형(SC-Type)인 경우에 비해 화재 시 거동 및 내화성능 면에서 보다 더 효율적인 단면구성이라 판단된다. 동일 축력비에서, 동일 단면적의 내부와 외부강관이 모두 각형(SS-Type)인 Double CFT기둥은 내부와 외부강관이 모두 원형(CC-Type)인 Double CFT기둥에 비해 내화성능이 다소 향상되며, 내부강관이 원형인 각형(SC-Type) Double CFT기둥보다는 내부와 외부강관이 모두 원형(CC-Type)인 Double CFT기둥이 내화성능 면에서 더 우수하다고 판단된다. 무보강 CFT기둥과 동일하게 콘크리트강도는 주요 변수이며, 이와 함께 강관폭비와 내부강관강도는 주요 내화성능 향상 요인으로 나타났다.
3. Double CFT기둥의 잔존강도 평가결과 화재 시 내화시간에 따른 단면 내부의 온도분포에 따라 콘크리트와 강재의 고온특성에 따른 내력저감 계수를 적용하여 CFT기둥의 화재 시 잔존내력을 예측 할 수 있었다.
화재손상 전후 실험체의 재하실험을 통하여 잔존강도 비를 비교한 결과 철근 보강한 FSB실험체의 경우 0.66으로 무보강 각형(SN-Type) CFT기둥보다 오히려 더 낮은 잔존강도를 나타 내었다. 내부에 각형강관을 보강한 FSS 실험체는 0.75로 측정되었고 원형 강관을 보강 한 FSC실험체의 경우 0.83으로 가장 높은 잔존강도 비를 나타내었다. 각형 CFT기둥의 화재 발생시 모서리 부분의 화해에 의한 강도 손실이 크다 판단된다. 각형 CFT기둥의 잔존강도를 확보하기 위해서는 외부에서 유입되는 온도의 영향이 적은 위치에 적절한 보강이 필요할 것으로 판단된다.
단면 내 온도분포를 열전대 측정결과와 해석으로 비교한 결과 대체로 유사한 양상을 보였으며, 무보강 실험체 보다는 보강된 실험체의 강도저감 비율이 작게 평가 되었고, 철근보강보다는 내부 강관보강이 더 우수한 결과를 나타내었다. 내부 강관은 콘크리트에 피복된 형상으로 강관재는 화염에 노출되지 않아 일정내력을 유지하고 있다고 판단된다.
콘크리트 충전 강관구조는 강관과 콘크리트의 장점을 극대화시킨 합성구조로 두 소재의 합성효과에 의한 강성, 내력, 변형, 내화, 시공성 등의 여러 측면에서 우수한 특성을 발휘하며 경제성이 우수하고 범용성도 높으며, 기둥단면의 최소화, 장스팬 등이 가능한 구조 부재이다.
본 연구에서는 건물의 고층화 및 대형화로 인하여 요구되어지는 구조성능과 내화성능을 동시에 해결할 수 있는 이중강관 콘크리트 충전기둥(Double CFT)을 제안하고자 하며, 실험 및 해석적 방법을 통하여 구조성능, 내화성능, 잔존강도를 평가하고 이를 분석하여 설계 및 시공을 위한 기초자료를 제공하는데 그 목적이 있다.
이를 위하여 첫번째로 Double CFT구조의 기둥부재로서의 구조적 성능을 분석하고자 하였으며, 구조실험과 유한요소해석을 통한 구조내력을 평가하였다. 두번째로 Double CFT기둥의 내화성능을 분석하고자 하였으며, 재하가열실험 및 유한요소해석을 통해 단면 내 온도분포를 측정하고 내화성능을 평가하여 3시간 내화성능 확보를 위한 가능성을 분석하였다. 마지막으로 Double CFT기둥의 화재 후 보수 보강 방안을 명확히 판단하기 위해 잔존강도를 평가하고자 하였으며, 3시간 동안 비 재하 가열실험과 강도실험을 수행하였고 화재발생시간 경과에 따른 온도변화와 잔존내력을 평가하였다.
이를 통하여 다음과 같은 결론에 도달하였다.
1. Double CFT 기둥의 구조성능 평가결과 소성변형능력에서 SC-Type은 타 실험체들보다 4.2~4.4배 높은 소성변형능력을 나타냈으며, CC-Type은 2차적인 응력증가곡선을 나타내면서 우수한 연성능력을 나타냈다. 또한, SC-Type은 SS-Type보다 내력에서는 0.3% 낮게 평가가 되었으나, 연성능력에서는 약 25% 높게 평가 되어 Double CFT의 외부강관을 각형강관을 적용할 경우, 내부강관에 원형강관(SC-Type)을 사용하게 되면 연성능력이 크게 증가되는 것으로 나타났다.
2. Double CFT 기둥의 내화성능 평가결과 Double CFT기둥은 무보강 CFT기둥에 비하여 약 70 – 80% 내화성능이 향상되어 충분히 3시간 이상의 내화성능이 확보 가능한 것으로 나타났다. 따라서 무보강 CFT기둥의 내화성능 향상방안으로써 매우 효과적인 방안이라 판단된다. 또한, 각형 Double CFT기둥의 경우 내부강관이 각형(SS-Type)인 경우가 원형(SC-Type)인 경우에 비해 화재 시 거동 및 내화성능 면에서 보다 더 효율적인 단면구성이라 판단된다. 동일 축력비에서, 동일 단면적의 내부와 외부강관이 모두 각형(SS-Type)인 Double CFT기둥은 내부와 외부강관이 모두 원형(CC-Type)인 Double CFT기둥에 비해 내화성능이 다소 향상되며, 내부강관이 원형인 각형(SC-Type) Double CFT기둥보다는 내부와 외부강관이 모두 원형(CC-Type)인 Double CFT기둥이 내화성능 면에서 더 우수하다고 판단된다. 무보강 CFT기둥과 동일하게 콘크리트강도는 주요 변수이며, 이와 함께 강관폭비와 내부강관강도는 주요 내화성능 향상 요인으로 나타났다.
3. Double CFT기둥의 잔존강도 평가결과 화재 시 내화시간에 따른 단면 내부의 온도분포에 따라 콘크리트와 강재의 고온특성에 따른 내력저감 계수를 적용하여 CFT기둥의 화재 시 잔존내력을 예측 할 수 있었다.
화재손상 전후 실험체의 재하실험을 통하여 잔존강도 비를 비교한 결과 철근 보강한 FSB실험체의 경우 0.66으로 무보강 각형(SN-Type) CFT기둥보다 오히려 더 낮은 잔존강도를 나타 내었다. 내부에 각형강관을 보강한 FSS 실험체는 0.75로 측정되었고 원형 강관을 보강 한 FSC실험체의 경우 0.83으로 가장 높은 잔존강도 비를 나타내었다. 각형 CFT기둥의 화재 발생시 모서리 부분의 화해에 의한 강도 손실이 크다 판단된다. 각형 CFT기둥의 잔존강도를 확보하기 위해서는 외부에서 유입되는 온도의 영향이 적은 위치에 적절한 보강이 필요할 것으로 판단된다.
단면 내 온도분포를 열전대 측정결과와 해석으로 비교한 결과 대체로 유사한 양상을 보였으며, 무보강 실험체 보다는 보강된 실험체의 강도저감 비율이 작게 평가 되었고, 철근보강보다는 내부 강관보강이 더 우수한 결과를 나타내었다. 내부 강관은 콘크리트에 피복된 형상으로 강관재는 화염에 노출되지 않아 일정내력을 유지하고 있다고 판단된다.
Concrete Filled Tube Column is a Composite Structure which has several advantages : Strength, Ductility and high fire resistance by Heat Storage effect of the Concrete. Also CFT columns is mainly applied to stand high axis load, lengthen span, minimize the cross-section, so it is economical. In this...
Concrete Filled Tube Column is a Composite Structure which has several advantages : Strength, Ductility and high fire resistance by Heat Storage effect of the Concrete. Also CFT columns is mainly applied to stand high axis load, lengthen span, minimize the cross-section, so it is economical. In this study, Double Concrete filled steel tube column is suggested to satisfy not only appropriate structural performance but also fire resistance of mega high-rise buildings. Structural performance, fire performance, residual strength is evaluated through experimental and analytical methods, so that it can provide basic data for planning and construction.
First of all, Double CFT analysis of the structure and structural performance, structural strength through experiments and finite element analysis were evaluated. Secondly, Double CFT columns analyzing the performance of the fire was heat loading experiments and finite element analysis to measure the temperature distribution through the cross-section in evaluating the fire performance to secure a three-hour fire resistance performance was analyzed for the possibility. Finally, Double CFT columns three-hour a non-heating experiments and loading history of the residual strength was evaluated through experiments to draw reinforcement method after a fire.
The results obtained from the Experiments and analysis can be summarized as follows.
1. Performed Plastic Deformation Capacity and Non-Dimension evaluation for behavior capacity by section shapes. SC-Type specimens show higher plastic deformation capacity 4.2~4.4 times above other specimens. All CC-Type specimens show secondary stress rising curve and superior ductility. SC-Types are evaluated 0.3% lower strength, 25% higher ductility than SS-Type. Therefore if using a square steel tube for Double CFT exterior steel tube, ductility increase significantly by using a circular steel tube for inner steel tube.
2. The Double CFT column can fully secure a more than three hour long fire resistance with the increase of 70 to 80% of fire resistance performance compared to un-coated CFT. It can thus be considered a very effective measure for improving the fire resistance of the un-coated CFT column. Moreover, the square shaped Double CFT column with a square shaped internal steel tube cross section appears to be more effective than the one with a circular internal steel tube cross section in terms of behavior and fire resistance on fire. With the same axial force ratios, the Double CFT column whose internal and external steel tubes were square shaped and had the same cross-section areas showed an increase in fire resistance, as opposed to the Double CFT column whose internal and external steel tubes were circular. The Double CFT column whose internal and external steel tubes are circular is thus considered superior to the square shaped Double CFT column whose internal steel tube is circular in terms of fire resistance.
3. The specimens reinforced with steel bars or steel tubes showed relatively high residual strength ratios. The CFT square column reinforced with a circular tube in particular maintained over 80% of the initial load capacity. The evaluation of the residual strength of the CFT columns reinforced with steel bars or steel tubes in an attempt to improve the residual strength and mitigate deformation after fire-damage showed that the steel bars and internal tubes were vulnerable to the high temperatures during the 3 hour heating. The residual strength ratios of the reinforced CFT columns were similar to or slightly higher than those of unreinforced columns. Therefore, it is required to reinforce the columns with the focus of the reinforcement given to the area having a small influence from the temperatures.
Temperature distribution in cross-sectional interpretation of results and comparison of the results were generally similar behavior. Smaller reduction of the intensity ratio of the reinforced specimens were assessed, rather than reinforcing rebar reinforcement inside the steel tube showed better results. It is considered that coated steel tube can maintain constant axial force because the steel pipe inside the concrete is not exposed to fire.
Concrete Filled Tube Column is a Composite Structure which has several advantages : Strength, Ductility and high fire resistance by Heat Storage effect of the Concrete. Also CFT columns is mainly applied to stand high axis load, lengthen span, minimize the cross-section, so it is economical. In this study, Double Concrete filled steel tube column is suggested to satisfy not only appropriate structural performance but also fire resistance of mega high-rise buildings. Structural performance, fire performance, residual strength is evaluated through experimental and analytical methods, so that it can provide basic data for planning and construction.
First of all, Double CFT analysis of the structure and structural performance, structural strength through experiments and finite element analysis were evaluated. Secondly, Double CFT columns analyzing the performance of the fire was heat loading experiments and finite element analysis to measure the temperature distribution through the cross-section in evaluating the fire performance to secure a three-hour fire resistance performance was analyzed for the possibility. Finally, Double CFT columns three-hour a non-heating experiments and loading history of the residual strength was evaluated through experiments to draw reinforcement method after a fire.
The results obtained from the Experiments and analysis can be summarized as follows.
1. Performed Plastic Deformation Capacity and Non-Dimension evaluation for behavior capacity by section shapes. SC-Type specimens show higher plastic deformation capacity 4.2~4.4 times above other specimens. All CC-Type specimens show secondary stress rising curve and superior ductility. SC-Types are evaluated 0.3% lower strength, 25% higher ductility than SS-Type. Therefore if using a square steel tube for Double CFT exterior steel tube, ductility increase significantly by using a circular steel tube for inner steel tube.
2. The Double CFT column can fully secure a more than three hour long fire resistance with the increase of 70 to 80% of fire resistance performance compared to un-coated CFT. It can thus be considered a very effective measure for improving the fire resistance of the un-coated CFT column. Moreover, the square shaped Double CFT column with a square shaped internal steel tube cross section appears to be more effective than the one with a circular internal steel tube cross section in terms of behavior and fire resistance on fire. With the same axial force ratios, the Double CFT column whose internal and external steel tubes were square shaped and had the same cross-section areas showed an increase in fire resistance, as opposed to the Double CFT column whose internal and external steel tubes were circular. The Double CFT column whose internal and external steel tubes are circular is thus considered superior to the square shaped Double CFT column whose internal steel tube is circular in terms of fire resistance.
3. The specimens reinforced with steel bars or steel tubes showed relatively high residual strength ratios. The CFT square column reinforced with a circular tube in particular maintained over 80% of the initial load capacity. The evaluation of the residual strength of the CFT columns reinforced with steel bars or steel tubes in an attempt to improve the residual strength and mitigate deformation after fire-damage showed that the steel bars and internal tubes were vulnerable to the high temperatures during the 3 hour heating. The residual strength ratios of the reinforced CFT columns were similar to or slightly higher than those of unreinforced columns. Therefore, it is required to reinforce the columns with the focus of the reinforcement given to the area having a small influence from the temperatures.
Temperature distribution in cross-sectional interpretation of results and comparison of the results were generally similar behavior. Smaller reduction of the intensity ratio of the reinforced specimens were assessed, rather than reinforcing rebar reinforcement inside the steel tube showed better results. It is considered that coated steel tube can maintain constant axial force because the steel pipe inside the concrete is not exposed to fire.
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