[논문]일정 축력을 받는 Double CFT기둥의 내화성능 평가

정상근; 김선희; 이성희; 최성모

일정 축력을 받는 Double CFT기둥의 내화성능 평가
Fire Resistance of Concrete Filled Double Skin Tubular Columns under Axial Load 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.23 no.1 = no.110, 2011년, pp.51 - 59

정상근 (서울시립대학교 구조연구실) , 김선희 (서울시립대학교 구조연구실) , 이성희 (서울시립대학교, (주)티섹구조엔지니어링) , 최성모 (서울시립대학교 건축학부)

초록
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높은 축력비가 적용된 무피복 CFT기둥은 보통 중저층 건물에서 2시간 이하의 내화성능을 확보하는데 적용 가능하나, 고층건물에서 요구되는 3시간의 내화성능을 만족시키지는 못한다. 따라서 고층건물에 무피복 CFT기둥을 적용하기 위해서는 추가적인 내화성능 향상방안이 제시되어야 한다. 이에 본 연구에서는 무피복 CFT기둥의 내화성능 향상방안으로써 Double CFT기둥을 설정하였다. 본 연구에서는 실대크기의 무피복 CFT기둥과 Double CFT기둥에 대한 재하가열실험을 수행하였다. 이를 통해, Double CFT기둥의 적용에 따른 내화성능 향상 효과 및 강관의 단면형상 변화에 따른 영향을 비교 평가해 보고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Although an uncoated CFT column with a high axial-force ratio can be used to secure fire resistance for two hours or less in low-rise buildings, it does not satisfy the three-hour-long fire resistance required in high-rise buildings. Accordingly, so that the uncoated CFT column could be used for high-rise buildings, additional measures for the improvement of its fire resistance should be proposed. In this regard, the use of a Double CFT column as a measure for improving the fire resistance of the uncoated CFT column was proposed in this paper. A fire resistance test was conducted on an uncoated CFT column and a Double CFT column in real scale, under a load. Through such test, the effect of the Double CFT column on fire resistance was evaluated and then compared with that of a variant shape of the cross-section of a steel column.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 Double CFT기둥의 재하가열실험을 수행하기 위하여 표 1과 같이 5개의 실험체를 계획하였다.
본 연구에서는 실대크기 무피복 CFT기둥과 Double CFT 기둥에 대한 재하가열실험을 수행하였다. 이를 통해, Double CFT기둥의 적용에 따른 내화성능 향상 효과 및 강관의 단면 형상 변화에 따른 영향을 비교 평가해 보고자 한다.
따라서 고층건물에 무피복 CFT기둥을 적용하기 위해서는 추가적인 내화성능 보강방안이 제시되어야 한다. 이에 본 연구에서는 무피복 CFT기둥의 내화성능을 향상시킴과 동시에 기둥의 내력까지 향상 시킬 수 있는 보강방안으로써 그림1과 같은 Double CFT기둥을 제시하고자 한다. Double CFT기둥의 내화성능 평가에 관한 연구는 근래 들어 중국에서 실험 및 해석적 연구가[2], [14]에 의해 일부 진행된 바 있다.

가설 설정

그림 10에서 보듯이 각 실험체별로 상부에서 약 1/3위치에서 좌굴이 발생되는 것을 확인하였다. 본 실험에서는 양단 힌지 조건으로 좌굴의 위치가 기둥의 파괴에 영향을 끼치지 않는다. 좌굴은 강관이 팽창 후 내화시간 15-20분 경과 되었을 때 내력을 상실함에 따라 콘크리트만 축하중에 저항하게 되어 수축이 진행됨으로 인하여 발생된 것으로 판단된다.

제안 방법

(1) 3시간이상 내화성능을 확보하고자 하는 연구로 CFT기둥에 보강방법을 변수로 동일축력비 상태에서의 내화실험을 수행하였다. 무피복 CFT기둥은 90분 이상에서 110분이하의 내화성능을 충분히 발휘하였다.
외부단면형상에 따른 영향을 평가하기 위하여, 내-외동일형상 CFDST기둥인 C-C 실험체를 외부각형 S-C 실험체와 함께 내화성능 및 축변형 응답을 비교 분석하였다. C-C 실험체는 S-S 실험체와 콘크리트단면적과 내부강관의 면적을 동일하게 계획하였으며, S-C실험체는 약 4% 단면적 증가되어 큰 차이가 없게 계획하였다. 이에 따라 C-C 실험체를 기준으로 S-S와 S-C 실험체의 작용 축력은 그림 12(a)에서 보듯이 서로 1% 내외의 차이를 보였다.
Double CFT의 내화성능에 끼치는 영향인자로써 본 연구에서는 내부 강관의 보강 유무와 내부에 강관의 보강된 Double CFT기둥의 내화성능과 축변형을 통하여 내화성능을 비교 분석 하였다. 재하가열 실험을 진행하는 동안 각 실험체에는 동일한 축력비(0.
실험체는 단면형상에 따라 구분된다. S-N 실험체와 C-N 실험체는 각각 무피복 각형, 원형 CFT기둥이며, S-C 실험체와 S-S실험체는 각형 Double CFT기둥 실험체로써 내부 강관의 단면 형상이 각각 원형과 각형 단면을 계획하였다. 또한, C-C 실험체는 원형 Double CFT기둥 실험체로써 내부 강관 역시 원형단면을 계획하였으며, 콘크리트와 내부강관의 단면적을 각각 S-S실험체와 동일하게 하였다.
기둥 재하가열로의 상세는 그림 4와 같으며, 가열로의 온도, 실험체의 내부온도, 실험체의 수직변위 등을 측정할 수 있다. 가력장치는 가열로 바닥에 위치하고 있는 재하능력이 3,000kN인 유압잭에 의해 가력되어지며, 유압잭 측면에 변위계를 통해 기둥의 축변위를 측정하였다. 내부 가열장치는 4면에 각각 위치한 각각 4개의 가스버너로부터 나오는 화력에 의해서 작동된다.
본 연구에서는 Double CFT기둥의 재하가열실험을 수행하기 위하여 표 1과 같이 5개의 실험체를 계획하였다. 내부강관의 보강 유무와 내부강관의 단면형상, 외부강관의 단면형상을 실험 변수로 설정하였다. 모든 실험체의 기둥 전체 길이는 3, 000㎜이며, 상하 엔드플레이트 두께는 각각 50㎜이다.
단면의 깊이별 온도분포를 검토하기 위하여 그림 7과 같이 각 위치별 온도분포를 비교 평가하였다.
S-N 실험체와 C-N 실험체는 각각 무피복 각형, 원형 CFT기둥이며, S-C 실험체와 S-S실험체는 각형 Double CFT기둥 실험체로써 내부 강관의 단면 형상이 각각 원형과 각형 단면을 계획하였다. 또한, C-C 실험체는 원형 Double CFT기둥 실험체로써 내부 강관 역시 원형단면을 계획하였으며, 콘크리트와 내부강관의 단면적을 각각 S-S실험체와 동일하게 하였다. CFT기둥을 가열하게 되면 20분 정도 후에 외부 강관 온도가 600℃까지 상승하게 된다.
보강에 따른 영향을 평가하기 위하여, 무보강 각형 CFT기둥인 S-N 실험체와 이중강관 보강 각형 CFT기둥인 S-C와 S-S실험체을 그림 11과 같이 내화시간과 축변형 응답을 비교하였다. 이때, 모든 실험체의 축력비(NA/NC+S)를 0.
본 연구에서는 실대크기 무피복 CFT기둥과 Double CFT 기둥에 대한 재하가열실험을 수행하였다. 이를 통해, Double CFT기둥의 적용에 따른 내화성능 향상 효과 및 강관의 단면 형상 변화에 따른 영향을 비교 평가해 보고자 한다.
본 연구에서는 실대크기 무피복 CFT기둥과 DoubleCFT 기둥에 대한 재하가열실험을 수행하여, DoubleCFT기둥의 적용에 따른 내화성능 향상 효과 및 강관의 단면형상 변화에 따른 영향을 비교 평가하였으며, 다음과 같은 결론을 도출하였다.
하지만, 외부강관에 의해 내부 콘크리트는 열이 전도되고, 그로인해 단면내 온도분포도는 상이한 결과를 갖게 된다. 외부단면형상에 따른 영향을 평가하기 위하여, 내-외동일형상 CFDST기둥인 C-C 실험체를 외부각형 S-C 실험체와 함께 내화성능 및 축변형 응답을 비교 분석하였다. C-C 실험체는 S-S 실험체와 콘크리트단면적과 내부강관의 면적을 동일하게 계획하였으며, S-C실험체는 약 4% 단면적 증가되어 큰 차이가 없게 계획하였다.
CFT기둥을 가열하게 되면 20분 정도 후에 외부 강관 온도가 600℃까지 상승하게 된다. 이점을 감안하여 Double CFT기둥의 내력은 외부강관을 포함하지 않은 상태에서 내부에 채워진 콘크리트와 내부 강관의 내력(Pn)을 계산하였다. 내력의 계산은 내부에 채워진 콘크리트와 내부 강관의 내력만을 계산하였다.

대상 데이터

내화실험 수행은 한국건설기술연구원에 설치되어진 기둥 재하가열로를 사용하였다. 기둥 재하가열로의 상세는 그림 4와 같으며, 가열로의 온도, 실험체의 내부온도, 실험체의 수직변위 등을 측정할 수 있다.
외부와 내부보강에 사용된 강관은 SPSR400및 SPS400급 강재를 사용하였으며, 실험체 길이방향을 따라 강재 쿠폰을 채취하였다. 강재의 쿠폰실험 결과는 표1과 같다.

성능/효과

(2) 동일 축력비에서, S-S실험체의 내화성능은 180분 이상으로 C-C실험체와 비교적 유사하게 나타났다. 반면, S-C실험체의 내화성능은 153분으로 내-외부 동일 형상을 갖는 부재에 비해, 15%낮게 나타났다.
(3) 각형CFT기둥의 내부보강변화에 따른 내화성능을 비교한 결과 내부에 같은 형상을 갖는 S-S실험체는 축변형 저항성능(1.78배)과 내화성능(1.82배)에 가장 우수하게 나타내고 있다. 본 실험에 의해 이중강관 보강된 CFT기둥에 의해 보다 효율적인 내화성능이 확보 가능함을 확인하였다.
(4)실험체가 축방향으로 전체 수축량의 L/100(㎜)에 도달하였을 경우와 분당 변형량이 3L/1000(㎜/min)에 도달하였 때, 또는 가열 시간이 180분이 되는 시점에 실험을 종료한다.
S-N 실험체의 경우, 그림 8(a)와 같이 축방향 수축이 점차 증가되어 파괴시까지 도달되는 구간에서 가장 기울기가 완만하게 저감되어 파괴에 도달되었으나 콘크리트가 내력을 다하는 순간 갑자기 파괴가 발생됨을 확인할 수 있다. 그림 8(b)-(d)의 Double CFT기둥 실험체들에서, 외부강관이 내력을 다하고 콘크리트와 내부강관이 함께 하중에 저항하므로 1시간 이상 수축되지 않고 원래의 기둥길이를 유지하며, 파괴시까지 완만하게 저감되었다.
ISO-834의 표준가열곡선과 실험에서 측정된 가열곡선을 그림 5에서 나타내고 있다. 각 실험체의 재하가열실험에서 나타난 가열온도는 오차범위 5% 내에 있으며 거의 정확히 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 각 실험체의 내화성능은 KSF 2257-1에서 규정하고 있는 축 방향 재하 부재의 내화성능 기준은 실험체에 발생하는 변위와 변형률에 의해 결정된다.
무피복 CFT기둥은 90분 이상에서 110분이하의 내화성능을 충분히 발휘하였다. 강관 내부 보강을 함으로써 내화성능은 2시간 이상에서 3시간의 내화성능을 만족하는 결과를 얻을 수 있었다.
내부콘크리트의 열용량이 온도상승을 억제하는 영향으로 콘 크리트 표면에서 단면 중앙으로 갈수록 180분을 기준으로할 때, 온도상승이 1000℃에서 300℃이하로 온도 증가폭이 상당히 적어짐을 알 수 있다. 그림 7(b)-(e)를 통해 내부 강관 보강 유무 및 보강형태에 따른 콘크리트의 온도 차이를 구별할 수 있다.
정리해보면 각형 CFT기둥 내부에 같은 형상을 갖는 S-S실험체는 축변형 저항성능과 내화성능에 가장 우수하게 나타내고 있다. 따라서 충분히 3시간 이상의 내화성능이 확보 가능하며 무피복 CFT기둥의 내화성능 향상방안으로써 매우 효과적인 방안이라 판단된다.
55배 향상되었다. 또한, 내부 각형강관이 보강된 S-S 실험체(강관비 3.3%)는, S-N 실험체에 비해 내화시간이 1.82배 이상으로 향상되었다.
82배)에 가장 우수하게 나타내고 있다. 본 실험에 의해 이중강관 보강된 CFT기둥에 의해 보다 효율적인 내화성능이 확보 가능함을 확인하였다.
축변형 응답을 비교한 결과, 콘크리트 또는 콘크리트와 내부 강관이 작용축력에 저항하는 구간인 ‘a’에서 S-C 와 S-S 실험체는 S-N 실험체에 비해 각각 약 1.78배와 약 2.18배 증가되었다.
이는 C-C 실험체의 콘크리트표면에서의 거리가 나머지 실험체들보다 약 6㎜ 떨어져 위치해 있기 때문이다. 콘크리트코어의 중심으로 갈수록 S-S와 C-C 실험체가 가장 높게 온도가 상승되며 그림 7(d)의 내부강관 바깥쪽 표면의 온도분포를 제외하고는 두 실험체는 거의 동일한 온도분포를 보이고 있음을 확인하였다. 이는 두 실험체가 서로 단면적이 동일하면서 4개의 실험체 중 가장 콘크리트면적이 적기 때문인 것으로 판단된다.
각 실험체의 실험종료 시간과 실험체의 최종 변위를 표4에 정리 하였다. 파괴에 도달되는 시점은 무보강 각형, 무보강 원형, 외부각형 내부 원형 실험체 순으로 파괴에 도달하였다. S-S와 C-C 실험체는 180분에 실험이 종료되었으나 아직 파괴에 도달되지 않았음을 확인할 수 있다.
S-S실험체와 C-C 실험체의 경우 파괴가 발생되기 전에 실험이 종료되었으므로 명확히 내화시간 증가율을 규명하기 어려운 상황이다. 하지만 데이터를 근거로 비교해 볼 때, 외부강관의 단면 직경이 동일한 경우, 무피복 CFT기둥에 비해 Double CFT기둥은 55-82% 정도의 내화성능이 향상됨을 확인하였다.

후속연구

향후 후속연구로 강관 폭비와 내부 강관비, 단면형상에 따른 영향분석이 추가되어 정량적인 결과를 얻을 수 있을 거라 판단된다. 또한 실제 구조물 적용을 위해서는 경제성과 시공성에 대한 고찰이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무피복 콘크리트충전 강관기둥은 높은 축력비 하에서 얼만큼 내화성능이 확보되는가?	, 1995)에 의해 연구가 활발히 진행되어 왔으며, 부재의 성능에 따라 내화피복두께를 조절하거나 무피복 상태로 설계하도록 제시하고 있다. 무피복 콘크리트충전 강관(CFT)기둥은 높은 축력비 하에서 2시간 이하의 내화성능이 확보됨을 선행 연구(D.K.
	콘크리트충전 강관기둥은 어떤 효과와 성능을 가지고 있다고 평가되는가?	콘크리트충전 강관(CFT, Concrete-filled Tube)기둥은 강관 내에 채워진 콘크리트의 축열효과로 인하여 기둥자체만으로 우수한 내화성능을 갖고 있다고 평가되고 있다. 미국 및 유럽, 일본에서는 콘크리트충전 강관기둥의 내화성능에 대한 연구는 기존연구자(Kodur etal.

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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