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문제 정의
- 본 연구에서는 Eurocode Model을 적용하여 중심 축력을 받는 원형 CFT기등의 내화성능을 수치해석적으로 평가해 보고자 한다. 본 연구의 내용 및 방법은 다음과 같다 :
- 본 연구에서는 중심 축력을 받는 경우의 원형 CFT기둥의내화성능을 평가하기 위한 목적으로 수행되었다. 온도해석 및 응력해석을 통해 기등의 단면 내 온도분포와 화재 진행하는 동안의 부재의 최대 내력 및 축변형 거동을 평가하였다.
가설 설정
- 실험체는 가열로의 중심에 수직으로 설치하고, 하중은 가열 시 열에 의해 영향을 받지 않는 기둥하부에서 재하 한다. 가열 15분 전에 실험체에 제시한 축력을 가하고, 하중 재하 상태에서 그림 3에서 보는 바와 같이 표준화재곡선(ISO 834)으로 가열하였다. 실험체의 열팽창 및 수축에 의한 연신량을 유압실린더에 부착된 선형 자동변위계(LVOT)로 측정한다.
제안 방법
- 2) 기존의 각형 CFT기등의 내화실험 및 수치해석에 의한 내화 성능평가 결과와의 비교 분석하여, 단면 형상이 CFT"】 둥의 내화성능에 끼치는 영향을 평가한다.
- 1) Eurocode Model의 재료특성을 적용한 수치해석을 통해 원형 CFT기등의 내화성능을 평가하고, 기존 실험 결과와의 비교분석을 통해 수치해석의 타당성을 검증한다.
- 3) 원형 CFT기등의 내화실험 및 수치해석 변수로 설정된 단면직경과 콘크리트강도, 작용축력비에 의한 내화성능을 비교분석하여 각 변수들의 영향도를 평가한다.
- 단면형상 및 치수는 그림 1에서 보는 바와 같다. 강관 두께는 7mm와 9mm로 하였으며, 폭 두께 비는 45.2-45.5로 상온시에 충분한 변형능력을 기대할 수 있도록 하였다. 강관의 엔드플레이트는 20mm로 하였다.
- 재료의 열적 특성을 고려한 부재의 열전달 해석을 수행하여 단면 내 온도분포를 예측해 보았고. 그 온도분포 데이터와 재료의 역학적 특성들을 고려하여 열응력 해석을 수행함에 의해 화재 시 원형 CFT기등의 거동 및 내화성능을 예측해 보았다. 실제 화재를 구현하기 위해, 수치해석에 사용되는 화재성상은 실험과 동일하게 KSF 2257 그림 3에 준한 표준가열곡선을 적용하였다.
- CFT기등의 온도. 변형 및 응력을 계산하기 위해서, 그림 5와 같이 해석모델을 설정하고 기둥단면올 30개의 동심원들로 분할하였다.
- 본 연구의 원형 CFT기등의 단면 내 위치에 따른 온도분포의 경향성은 그림9과 같이 직경 변화 및 단면 내 위치별로 구분하여 검토하였다. 이때, 일본의 콘크리트 기둥부재의 비재하 내화성능 판정기준인 내부 강재의 한계온도 5381를 적용하여 제시된 콘크리트 제한온도 500C의 규정치를 적용하여 검토하였다.
- 로 내의 가열온도 12점, 강관온도 8점. 실험체 중간지점에 설치한 콘크리트 온도(콘크리트의 표면 1점. 직경의 1/4지점 1점, 강관의 중앙지점 1점)로, 실험시작부터 종료까지 열전대로 2분 간격으로 측정하였다. 수직 변형량은 그림 2에서 보는 바와 같이 선형 자동변위계를 사용하여 측정값을 2분마다 컴퓨터에 의해 자동으로 기록되도록 하였다.
- 가열 15분 전에 실험체에 제시한 축력을 가하고, 하중 재하 상태에서 그림 3에서 보는 바와 같이 표준화재곡선(ISO 834)으로 가열하였다. 실험체의 열팽창 및 수축에 의한 연신량을 유압실린더에 부착된 선형 자동변위계(LVOT)로 측정한다. 실험체가 유효가열길이의 1/100 이상 수축할 경우나 목표 내화 시간을 만족한 경우에 실험을 종료한다.
- 표준가열 곡선 및 고온시의 열적.역학적 특성 데이터를 적용하여 진행되었다. 그러나 이전 연구들(D.
- 열전달 수치해석 결과로 도출된 단면 내 온도분포를 바탕으로, 일정 중심축력을 받는 원형 CFT기등의 내화성능을 아래와 같이 2가지로 나누어 수치해석을 수행하였다.
- 평가하기 위한 목적으로 수행되었다. 온도해석 및 응력해석을 통해 기등의 단면 내 온도분포와 화재 진행하는 동안의 부재의 최대 내력 및 축변형 거동을 평가하였다. 그에 따른 결과는 다음과 같다.
- 검토하였다. 이때, 일본의 콘크리트 기둥부재의 비재하 내화성능 판정기준인 내부 강재의 한계온도 5381를 적용하여 제시된 콘크리트 제한온도 500C의 규정치를 적용하여 검토하였다. 150분의 화재시간까지 콘크리트 단면 내 온도는 허용온도 규정치인 500t 이하의 온도분포를 보이며 안정적인 온도상승을 나타내었다.
- 위하여 단면 형상과 단면 직경, 폭길이비. 작용축력비, 콘크리트 강도의 영향을 내화실험과 수치해석 결과데이터를 함께 비교 분석하였다. 일부 실험체들은 내화성능을 다하지 않는 상황에서 실험이 종료 되었으며, 수치해석과 실험결과값의경향이 유사할 경우에는 수치해석의 결과물을 분석하였다.
- 우선. 재료의 열적 특성을 고려한 부재의 열전달 해석을 수행하여 단면 내 온도분포를 예측해 보았고. 그 온도분포 데이터와 재료의 역학적 특성들을 고려하여 열응력 해석을 수행함에 의해 화재 시 원형 CFT기등의 거동 및 내화성능을 예측해 보았다.
- 콘크리트의 강도에 따른 내화성능을 평가하기 위해서 27.5MPa와 37.8MPa의 일반 콘크리트를 적용한 원형 CFT기둥의 내화성능을 비교 분석하였다. 그림 16에서 콘크리트의 강도가 상승함에 따라서 내화성능은 저하되는 경향성을 보였다.
- 6%였다. 콘크리트의 충전방법으로는 강관의 윗부분에서 부어 충전을 하였으며, 타설 후 강관의 윗부분을 비닐로 봉하여 양생을 하였다. 강관에 내화피복은 하지 않았다.
대상 데이터
- 강관에 엔드플레이트를 그림 1에서 보는 바와 같이 용접하였다. 강관에 20mm의 증기구멍을 상부 엔드 플레이트에서 500mm, 1600mm. 2700mm 떨어진 부위에 한 쌍씩 두었다.
- 5로 상온시에 충분한 변형능력을 기대할 수 있도록 하였다. 강관의 엔드플레이트는 20mm로 하였다. 강관은 성형제품이며.
- 4x9인 원형CFT기등으로 설정하였고 해석 변수는 표 4와 같다. 강재는 SPS 400이며 콘크리트는 설계강도 23.5 MPa와 35.3MPa의 일반콘크리트를 사용하였다. 이때 각 재료의 강도값은 재료시험에 의한 값표 1과 표 3)을 적용하여 실제 기등과 동일한 조건으로 하였다.
- 4mm인 원형 강관으로. 부재 길이는 3500mm. 단면형상 및 치수는 그림 1에서 보는 바와 같다.
- 그 온도분포 데이터와 재료의 역학적 특성들을 고려하여 열응력 해석을 수행함에 의해 화재 시 원형 CFT기등의 거동 및 내화성능을 예측해 보았다. 실제 화재를 구현하기 위해, 수치해석에 사용되는 화재성상은 실험과 동일하게 KSF 2257 그림 3에 준한 표준가열곡선을 적용하였다.
- 실험체는 단면직경이 318.5mm와 406.4mm인 원형 강관으로. 부재 길이는 3500mm.
- 충전콘크리트의 설계강도는 23.5MPa와 35.3MPa의 일반 콘크리트를 사용하였으며, 슬럼프는 25cm로 하였다. 콘크리트의 배합은 표 2에 제시하였고, KSF 2405에 준한 콘크리트의 압축시험결과는 표 3에서 보는 바와 같다.
- 해석모델은 실험 변수와 동일하게 6318.5x7과 -406.4x9인 원형CFT기등으로 설정하였고 해석 변수는 표 4와 같다.
데이터처리
- 그림 15과 같이 각각 0.38 0.39 0.47 0.51 0.56의 작용축력 비에 따른 원헝 CFT기등의 내화성능을 비교평가 하였다. 동일 조건의 실험체에서 축력 변화에 따른 내화성능 변화폭은 매우 컸다.
- 내화시간에 따른 각 실험체들의 최대내력 변화는 그림 10과같이 수치해석적 방법으로 예측하였고 실험결과와 비교해 보았다. 그 결과, 화재 시 최대내력 변화는 각 실험체의 내화 시간에 따른 최대내력값을 적절히 예측하고 있음을 확인하였다.
- 작용축력비, 콘크리트 강도의 영향을 내화실험과 수치해석 결과데이터를 함께 비교 분석하였다. 일부 실험체들은 내화성능을 다하지 않는 상황에서 실험이 종료 되었으며, 수치해석과 실험결과값의경향이 유사할 경우에는 수치해석의 결과물을 분석하였다.
이론/모형
- 식(1)을 바탕으로 시간 경과에 따른 단면 내 온도분포의 예측은 유한차분법을 이용하였다.
- ; 2006). 즉 본 연구에서는 CFT기둥의 구성재료(강재 및 콘크리트)의 고온 특성을 가정하기 위하여 Eurocode Model을 사용하였다.
성능/효과
- (2) 단면 직경크기의 증가에 따른 영향을 분석한 결과, 단면 직경이 318.5mm에서 406.4mm로 기둥단면 직경이 약 1.2배 증가함에 따라 약 50%의 내화성능이 향상됨을 확인 하였다.
- (3) 콘크리트 강도가 27.5MPa에서 37.8MPa로 증가함에 따라 내화성능은 저하되는 경향^을 보였다. 또한, 축력이 저하됨에 따라 콘크리트 강도에 따른 내화 성능변화 폭이 적어짐을 확인하였다.
- (4) 406.4mm와 318.5mm의 단면직경을 가진 실험체 모두 축력비 변화에 따라 거의 일정한 비율로 내화성능이 저감되는 것을 확인하였다.
- 13에서 비교 검토하였다. 120분의 내화시간을 기준으로 콘크리트 강도가 저감함에 따른 내화성능은 그 차이가 극히 적었으나, 단면직경이 318.5에서 406.4mm로 약 90mm 증가함에 따라 화재시 최대내력 저감율은 5%정도로 나타났다.
- 이때, 일본의 콘크리트 기둥부재의 비재하 내화성능 판정기준인 내부 강재의 한계온도 5381를 적용하여 제시된 콘크리트 제한온도 500C의 규정치를 적용하여 검토하였다. 150분의 화재시간까지 콘크리트 단면 내 온도는 허용온도 규정치인 500t 이하의 온도분포를 보이며 안정적인 온도상승을 나타내었다. 또한, 150분을 기준으로 e 318.
- 동일 조건의 실험체에서 축력 변화에 따른 내화성능 변화폭은 매우 컸다. 406.4mm와 318.5mm의 단면직경을 가진 실험체 모두 축력비 변화에 따라 거의 일정한 비율로 내화성능이 저감되는 것을 확인하였다.
- 그 결과, 화재 시 최대내력 변화는 각 실험체의 내화 시간에 따른 최대내력값을 적절히 예측하고 있음을 확인하였다.
- 그 원인은 실험이 종료되지 않은 130분경 열전대가 파손됨으로 인한 것이다. 단면 내 온도분포에 대한 수치해석결과를 내화실험결과와 비교 시, 수치해석 결과가 실험에 비해 화재시간당 단면 내 온도를 더 높게 예측히고 있으며 시간에 띠른 온도변화를 유사하게 예측하고 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구의 수치해석에 의한 원형 CFT기등의 화재 시 단면 내 온도변화의 예측은 타당하다고 판단된다.
- 120분의 내화시간을 기준으로 콘크리트 강도가 저감함에 따른 내화성능은 그 차이가 극히 적었으나. 단면직경이 318.5mm에서 406.4mm로 약 90mm 증가함에 따라 화재 시 최대내력 저감율은 5%정도로 나타났다.
- 단면 내 온도분포에 대한 수치해석결과를 내화실험결과와 비교 시, 수치해석 결과가 실험에 비해 화재시간당 단면 내 온도를 더 높게 예측히고 있으며 시간에 띠른 온도변화를 유사하게 예측하고 있음을 확인하였다. 따라서 본 연구의 수치해석에 의한 원형 CFT기등의 화재 시 단면 내 온도변화의 예측은 타당하다고 판단된다.
- 그림 16에서 콘크리트의 강도가 상승함에 따라서 내화성능은 저하되는 경향성을 보였다. 또한 축력이 저하됨에 따라서 콘크리트 강도에 따른 내화성능 변화 폭이 적어짐을 확인하였다.
- 8MPa로 증가함에 따라 내화성능은 저하되는 경향^을 보였다. 또한, 축력이 저하됨에 따라 콘크리트 강도에 따른 내화 성능변화 폭이 적어짐을 확인하였다.
- 이후 기울기가 더욱 급격해져 갑자기 파괴되었다. 수치해석에 의한 CFT기등의 팽창 후 수축변형의 화재 시 전체 거동을 유사하게 예측하고 있으며, 내화시간이 실험값보다 적어 안전측으로 예측하고 있음을 확인할 수 있다.
- 화살표T는 CFT기등이 충분히 화재에 견디는 중에 화재시간의 제약으로 내화실험이 중단된 것을 의미한다. 수치해석에 의해 예측한 내화시간을 실험결과값과 비교하였을 때, 모든 실험체의 수치해석 예측값은 실험에 의한 내화성능시간과 거의 일치하거나 다소 안전 측으로 예측하고 있음을 확인하였다.
- 이때. 실험결과 중 일부 실험체는 충분한 내화 시간 확보 전에 실험이 종료되었으므로 더 높은 내화 저항 시간을 확보할 수 있음을 화살표로 표시하였다.
- Kim et al 2005, 박수회 등 2007, 류재용 등 2006)에서 각형 CFT기둥의 내화성능 평가 실험 및 CFT기등의 구성재료인 강재와 콘크리트의 각국의 열적.역학적 특성을 적용한 수치해석을 수행한 결과, Eurocode Model (Euro code 4. 2003) 의 열적 및 역학적 특성이 국내 CFT기등의 내화성능 및 화재 시 구조거동을 가장 적절히 예측하고 있다는 것이 검증되었다. 또한, Eurocode Model을 적용한 수치해석 및 실 대 내화실험을 통해 각형 CFT기등의 내화성능평가연구(박수희 등 2007)를 진행한 바 있다.
- 정립되어 있지 않은 상황이다. 이에 본 연구진은 현재의 국외 고온특성 데이터들(Eurocode Model. AIJ Model. T. T. Lie Model. J. Yin Model)을 각각 적용한 수치해석 결과값과 국내 기존 실험 데이터와의 비교 분석을 통하여 그림 6과 그림 7의 Eurocode Model (Eurocode 4: 2003) °1 국내 CFT구조의 내화성능 및 화재시 구조거동을 예측하기에 가장 적합하다고 판단하였다(Choi, S. M.; 2006). 즉 본 연구에서는 CFT기둥의 구성재료(강재 및 콘크리트)의 고온 특성을 가정하기 위하여 Eurocode Model을 사용하였다.
- 즉, 단면 직경크기의 증가에 따른 영향은 강관 내 콘크리트 단면 직경의 증가를 나타내는 것이다. 직경이 318.5mm에서 406.4mm로 기둥단면 직경이 약 1.2배 증가함에 따라 약 50%의 내화성능이 향상됨을 확인 하였다.
- 결과. 화재를 진행하여 파괴시까지의 축 변형 거동은 해석 값과 실험값이 서로 잘 일치하거나 약간 저평가 되고 있음을 확인할 수 있었다. 따라서 본 수치해석에 의한 CFT기둥 내화성능예측은 타당하다고 판단된다.
후속연구
- 따라서 현새는 국내 내화실계가 초기단계에 머물러 있지만. 구조물의 성능에 기반을 둔 내화설계 연구는 앞으로 더욱 활성화 되리라 판단된다. 이때, 내화성능 설계기술을 내화성능을 보유한 CFT구조에 적용한다면 더욱 기술개발의 가능성이 높아질 것으로 판단된다.
- 구조물의 성능에 기반을 둔 내화설계 연구는 앞으로 더욱 활성화 되리라 판단된다. 이때, 내화성능 설계기술을 내화성능을 보유한 CFT구조에 적용한다면 더욱 기술개발의 가능성이 높아질 것으로 판단된다.
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