구조, 시공 및 내화측면에서 우수한 콘크리트충전강관(CFT)부재에 대해서 구성재료의 강도가 높은 경우 즉, 콘크리트 압축강도가 100MPa 이상이면서 강관의 항복강도가 650MPa 이상인 경우에 대한 내화성능 평가실험 및 해석적 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 이러한 부재에 대해서 내화성능 거동을 파악하고자 ${\Box}-400{\times}400{\times}15$, 부재길이 3,000mm인 실물대 중심재하 내화실험을 행하였다. 실험변수는 중심축력을 5,000kN과 2,500kN로 하였다. 실험결과, 고강도 콘크리트의 폭렬 및 콘크리트 내부 균열에 의하여 축하중이 클수록 조기에 내력을 상실하였다. 또한, 유한차분법과 변형률적합조건을 이용한 비정상온도해석 및 응력해석을 수행하였으며, 고강도 재료모델은 Eurocode모델을 이용하였다. 해석모델은 시간-축변위 관계를 합리적으로 예측할 수 있었다.
구조, 시공 및 내화측면에서 우수한 콘크리트충전강관(CFT)부재에 대해서 구성재료의 강도가 높은 경우 즉, 콘크리트 압축강도가 100MPa 이상이면서 강관의 항복강도가 650MPa 이상인 경우에 대한 내화성능 평가실험 및 해석적 연구는 미비한 실정이다. 본 연구에서는 이러한 부재에 대해서 내화성능 거동을 파악하고자 ${\Box}-400{\times}400{\times}15$, 부재길이 3,000mm인 실물대 중심재하 내화실험을 행하였다. 실험변수는 중심축력을 5,000kN과 2,500kN로 하였다. 실험결과, 고강도 콘크리트의 폭렬 및 콘크리트 내부 균열에 의하여 축하중이 클수록 조기에 내력을 상실하였다. 또한, 유한차분법과 변형률적합조건을 이용한 비정상온도해석 및 응력해석을 수행하였으며, 고강도 재료모델은 Eurocode모델을 이용하였다. 해석모델은 시간-축변위 관계를 합리적으로 예측할 수 있었다.
Fire-resistant (FR) test data for a square concrete-filled steel tube (CFT) columns consisting of high-strength steel (fy>650MPa) and high strength concrete (fck>100MPa) under axial loads are insufficient. The FR behavior of square high-strength CFT members was investigated experimentally for two sp...
Fire-resistant (FR) test data for a square concrete-filled steel tube (CFT) columns consisting of high-strength steel (fy>650MPa) and high strength concrete (fck>100MPa) under axial loads are insufficient. The FR behavior of square high-strength CFT members was investigated experimentally for two specimens having ${\Box}-400{\times}400{\times}15{\times}3,000mm$ with two axial load cases (5,000kN and 2,500kN). The results show that the FR performance of the high-strength CFT was rapidly decreased at earlier time (much earlier at high axial load) than expected due to high strength concrete spalling and cracks. In addition, a fiber element analysis (FEA) model was proposed and used to simulate the fiber behaviour of the columns. For steel and concrete, the mechanical and thermal properties recommended in EN 1994-1-2 are adopted. Test results were compared to those of numerical analyses considering a combination of temperature and axial compression. The numerical model can reasonably predict the time-axial deformation relationship.
Fire-resistant (FR) test data for a square concrete-filled steel tube (CFT) columns consisting of high-strength steel (fy>650MPa) and high strength concrete (fck>100MPa) under axial loads are insufficient. The FR behavior of square high-strength CFT members was investigated experimentally for two specimens having ${\Box}-400{\times}400{\times}15{\times}3,000mm$ with two axial load cases (5,000kN and 2,500kN). The results show that the FR performance of the high-strength CFT was rapidly decreased at earlier time (much earlier at high axial load) than expected due to high strength concrete spalling and cracks. In addition, a fiber element analysis (FEA) model was proposed and used to simulate the fiber behaviour of the columns. For steel and concrete, the mechanical and thermal properties recommended in EN 1994-1-2 are adopted. Test results were compared to those of numerical analyses considering a combination of temperature and axial compression. The numerical model can reasonably predict the time-axial deformation relationship.
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문제 정의
(2008, 2009)[12],[13] 가 제안한 해석방법 및 일반강도의 CFT기둥 실험결과와의 비교를 통한 검증을 자세하게 다루고 있다. 본 논문에서는 간략히 해석방법과 고강도 재료에 대한 열적특성에 대해서 기술하고자 한다.
본 연구에서는 인장강도 800MPa급 강재와 100MPa급 콘크리트로 구성된 고강도 CFT기둥의 화재시 구조적 거동을 파악하고자 하였다. 이를 위하여 1) 고강도 CFT기둥의 내화성능평가 실험을 수행하였고, 2) 유한차분법으로 비정상 온도해석과 평면유지를 가정한 변형률 적합조건으로 열응력해석을 수행하였다.
가설 설정
가열하기 15분 전에 기둥중심에 일정축력을 가하였다. 기둥에 하중을 재하한 상태에서 표준화재곡선 (KS F 2257)으로 가열하였다.
상온에 대한 경우와 같이 축력-모멘트-곡률관계는 평면유지를 가정하여 산정하였다. 강재 및 콘크리트의 변형률은 식 (4)와 같이 가정하였다.
편심압축하중에 따른 모멘트가 기둥에 대해서 일정하기에 Fig. 7에서 보는 바와 같이, 경계조건을 고려하여 휨변형을 포물선으로 가정하여 아래식으로 구하였다.
제안 방법
본 연구에서는 인장강도 800MPa급 강재와 100MPa급 콘크리트로 구성된 고강도 CFT기둥의 화재시 구조적 거동을 파악하고자 하였다. 이를 위하여 1) 고강도 CFT기둥의 내화성능평가 실험을 수행하였고, 2) 유한차분법으로 비정상 온도해석과 평면유지를 가정한 변형률 적합조건으로 열응력해석을 수행하였다. 마지막으로 3) 해석결과와 실험결과의 비교를 통한 해석방법 검증 및 고강도 CFT기둥의 화재시 구조적 거동을 조사하였다.
이를 위하여 1) 고강도 CFT기둥의 내화성능평가 실험을 수행하였고, 2) 유한차분법으로 비정상 온도해석과 평면유지를 가정한 변형률 적합조건으로 열응력해석을 수행하였다. 마지막으로 3) 해석결과와 실험결과의 비교를 통한 해석방법 검증 및 고강도 CFT기둥의 화재시 구조적 거동을 조사하였다.
ISO 6892-2 시험편을 사전재하없이 목표온도까지 가열온도 약 10℃/min 가열 후, 강재 내부가 목표온도에서 열적 정상상태에 도달될 수 있게 10분동안 유지시킨 후, KS B 0801에 따라 인장파괴될 때까지 하중을 가하였다. 고온에 따른 HSA800강의 응력-변형률관계는 Fig.
CFT 내화성능 실험시의 콘크리트 재령은 30～60일 이었다. 강관내의 콘크리트 충전은 상부 타설공법을 적용하였으며, 타설 후 강관의 윗부분을 비닐로 봉하여 양생하였고 강관에 내화피복은 하지 않았다.
실험체 셋팅을 위하여 강관의 상․하단에 두께 40mm의 엔드플레이트를 용접하였다. 강관의 상부 엔드플레이트로부터 각각 500mm, 1,500mm, 2,500mm 떨어진 부위에 지름 20mm의 구멍을 한쌍씩 두어 충전된 콘크리트의 증기가 빠져나가도록 하였다.
17이다. 기둥 재하를 위해 재하능력이 10MN인 압축실험기를 사용하였다. 가열하기 15분 전에 기둥중심에 일정축력을 가하였다.
강재 및 콘크리트의 변형률은 식 (4)와 같이 가정하였다. 내화실험은 짧은 시간에 이루어지며, 재료의 응력-변형률관계 산정시에 크리프영향을 포함하고 있어 본 해석에서는 크리프 변형률은 무시하였다(Wang, 2002)[14].
10(a)와 (b)에 나타내었다. 사전비재하 실험은 사전재하없이 목표온도까지 1℃/min 매 50℃온도상승시 마다 30분유지하는 것으로 가열하였으며, 콘크리트 내부가 목표온도에서 열적 정상상태에 도달될 수 있게 60분동안 유지시킨 후, KS F 2405에 따라 공시체가 파괴될 때까지 하중을 가하였다.
섬유를 첨가하지 않는 100MPa급 고강도 콘크리트와 HSA800 강재를 이용한 고강도 각형 CFT기둥의 내화성능평가 실험과 해석을 하였다.
실험체의 열팽창과 수축에 의한 축변형은 유압실린더에 부착된 선형 자동변위계(LVDT)로 측정하였다. 실험체의 축방향 수축량이 유효가열길이의 1/100이상일 경우나 분당 변형량이 유효가열길이의 3/1000mm/min에 도달하는 경우, 각형 CFT기둥의 내력이 상실되었다고 판단하여 실험을 종료하였다.
1 참조). 즉, 강관은 단면 중앙부에서 온도를 측정하였으며, 콘크리트는 단면 중앙 및 강관폭의 1/4 지점에서 온도를 측정하였다.
대상 데이터
강재는 HSA800 2차 시제품으로 강재 두께는 15mm이다. 강관은 인장강도 830MPa급 K120TG 용접봉을 사용하여 4면을 용접하여 제작하였다. 실험체 셋팅을 위하여 강관의 상․하단에 두께 40mm의 엔드플레이트를 용접하였다.
0m 이다. 강재는 HSA800 2차 시제품으로 강재 두께는 15mm이다. 강관은 인장강도 830MPa급 K120TG 용접봉을 사용하여 4면을 용접하여 제작하였다.
강재의 인장시험 결과는 Table 1과 같다. 소재 인장시험은 KS B 0801에 준하여 1호 인장시험편으로 제작하였다. 강재의 항복강도와 인장강도는 KS D 5994 (건축구조용 고성능 압연강재)의 규격치를 만족하였으나, 항복비(0.
즉, 가열초기 강관의 열팽창으로 기둥 축변형 증가 ⇒ 강관 온도상승과 국부좌굴에 의한 기둥축변형 감소 ⇒ 콘크리트 온도상승에 따른 내력상실로 내화실험종료 하였다.
충전한 콘크리트의 배합표는 Table 2와 같다. 콘크리트는 레미콘 배쳐플랜트에서 생산하였으며 배합설계강도는 100MPa이다. Table 2에 나타낸 것과 같이 실리캬흄은 시멘트 볼륨의 6% 이내로 제한하였다.
이론/모형
따라서, 본 해석에서는 100MPa급 고강도 콘크리트의 재료모델은 Eurocode 모델(Lennon et al ., 2007)[17]을 적용하였다.
본 해석에서는 HSA800강의 열적특성, 고온에 따른 응력-변형률관계는 Eurocode 모델(Lennon et al ., 2007)에 따랐다.
Table 2에 나타낸 것과 같이 실리캬흄은 시멘트 볼륨의 6% 이내로 제한하였다. 콘크리트의 압축시험은 KS F 2405에 준하여 수행하였으며, 실험결과는 Table 3과 같다. CFT 내화성능 실험시의 콘크리트 재령은 30～60일 이었다.
성능/효과
(1) 고강도 CFT의 표준 화재시 거동은 일반강도 CFT와 유사한 경향을 보였다. 즉, 가열초기 강관의 열팽창으로 기둥 축변형 증가 ⇒ 강관 온도상승과 국부좌굴에 의한 기둥축변형 감소 ⇒ 콘크리트 온도상승에 따른 내력상실로 내화실험종료 하였다.
(3) HSA800강재와 100MPa급 콘크리트에 대한 고온시 열적특성 실험결과를 Eurocode 모델과 비교한 결과, 유사한 경향을 보였다.
4와 같다. 강관 표면온도는 가열 초기 60분 이전에는 표준가열곡선 온도 상승량과 차이를 보이지만, 60분 이후에는 표준가열곡선 온도상승량과 유사하게 상승하는 것을 확인하였다. 한편, 콘크리트 단면은 가열 후 40분 이전까지 단면 중앙 및 강관폭의 1/4 지점에서의 온도 상승은 발생하지 않았다.
축하중이 2,500kN인 경우, 가열 초기 30분까지는 강관의 열팽창에 의해 기둥의 축변형이 증가하였으며, 그 이후에는 강관의 온도상승에 따른 내력상실과 국부좌굴에 의해서 기둥의 축변형이 감소하였다. 강관의 내력상실에 따른 외부 축하중은 충전된 콘크리트로 전이되며, 콘크리트의 폭렬과 고온시 내력상실에 의해 축하중이 증가할수록 내화지속시간은 감소하였다. 이러한 화재시 거동은 일반강도 CFT기둥과 유사한 경향을 보였다.
소재 인장시험은 KS B 0801에 준하여 1호 인장시험편으로 제작하였다. 강재의 항복강도와 인장강도는 KS D 5994 (건축구조용 고성능 압연강재)의 규격치를 만족하였으나, 항복비(0.85이하)와 연신율(15%이상)에는 미달하였다.
본 실험결과와 해석결과의 비교를 Fig. 13에서 보는 바와 같이, 강관의 영향을 주도적으로 받는 가열 초기단계에서 축변형은 해석결과와 실험결과는 거의 일치 하였으나 강관의 국부좌굴발생이후, 강관내의 콘크리트가 온도상승에 따른 강도저하, 콘크리트의 온도상승과 강관의 부담하중 전이에 따른 응력상승과 폭렬발생으로 실험결과는 해석결과에 비하여 축하중이 5,000kN인 경우는 해석값이 106분, 실험값은 41분, 축하중이 2,500kN인 경우는 해석값이 199분, 실험값이 109분으로 50%정도로 해석값이 과대평가를 하는 것으로 나타났다. 하중비가 작은 경우에 예측값과 실험값간의 오차는 작았다.
실험체의 열팽창과 수축에 의한 축변형은 유압실린더에 부착된 선형 자동변위계(LVDT)로 측정하였다. 실험체의 축방향 수축량이 유효가열길이의 1/100이상일 경우나 분당 변형량이 유효가열길이의 3/1000mm/min에 도달하는 경우, 각형 CFT기둥의 내력이 상실되었다고 판단하여 실험을 종료하였다.
열팽창률 및 비열은 설계기준 및 일반강도 강재와 유사한 값을 나타내었다. 열전도율은 일반강도 강재의 열전도율과 유사한 값을 나타냈지만, 600℃이하 구간에서 설계기준에서 제시하고 있는 값보다는 다소 낮은 것으로 나타났다.
2% offset 방법으로 계산한 항복강도 값에서는 일반강도 강재와 큰 차이가 없었다. 탄성계수의 경우, HSA800 강재의 탄성계수는 강재의 온도가 증가함에 따라 저하되었으며, 500℃이상의 온도에서 고온탄성률 측정시험결과와의 오차가 증가하였다. 열팽창률 및 비열은 설계기준 및 일반강도 강재와 유사한 값을 나타내었다.
한편, 본 실험결과와의 비교에서는 해석결과가 50%정도 과대평가하였다. 한편, 실험체 셑팅오차와 고강도 콘크리트 랜덤한 폭렬을 고려한 편심하중을 적용한 해석결과는 실험결과를 잘 예측할 수 있었다.
HSA800 강재의 고온물성 시험결과는 기존 설계기준 및 일반강도 강재의 고온물성값과 유사한 값을 나타내었다. 항복강도인 경우, HSA800 강재의 2%변형률에서의 응력값을 기준으로 계산한 항복강도는 500～600℃ 구간에서 설계기준 및 일반강도 강재에 비해 저하되는 것으로 나타났으나, 일반적인 항복강도 계산에 사용되는 0.2% offset 방법으로 계산한 항복강도 값에서는 일반강도 강재와 큰 차이가 없었다. 탄성계수의 경우, HSA800 강재의 탄성계수는 강재의 온도가 증가함에 따라 저하되었으며, 500℃이상의 온도에서 고온탄성률 측정시험결과와의 오차가 증가하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
초고층 구조물 기둥부재에 일반강도 소재를 적용할 경우 무엇이 필요한가?
초고층 구조물에서 고축력과 휨을 동시에 받는 기둥부재는 일반강도 소재를 적용할 경우 대형 단면이 필요하게 된다. 따라서 초고층 구조물의 대형기둥에 있어서 부재단면 축소는 부재 제작 및 운반/양중 등의 측면에서 시공성을 향상시킬 수 있다.
80MPa 이상의 고강도 콘크리트의 문제점은?
최근 국내에서는 건축구조용 800MPa급 강재(HSA800)가 개발되었으며, 고층건물을 중심으로 80MPa 이상의 고강도 콘크리트가 사용되고 있다. 그러나 콘크리트의 극한압축변형률은 강도와 크게 관계없이 최대 0.003정도로서, 600MPa 이상의 강재를 사용하는 경우에는 강재의 항복이전에 콘크리트가 압괴되어 강재의 강도를 충분히 활용할 수 없게 된다(김창수 등, 2010)[1]. 그렇지만 콘크리트 충전강관(이하 CFT) 구조는 외부 강관에 의한 구속효과로 콘크리트의 극한압축변형률을 증가시키고, 또한 충전 콘크리트로 인해 강관의 좌굴강도가 증가하기 때문에 고강도 재료를 사용하는 경우에도 우수한 구조성능을 발휘한다 (Varma et al .
초고층 구조물에 강재와 콘크리트의 고강도화를 교려하는 이유는?
또한, 부재 단면축소는 구조물의 사용성 측면에서도 중요한 이슈가 된다. 즉, 부재 단면축소에 따른 임대면적 증가와 평면 효율성의 극대화를 위하여 일반적으로 사용되는 건축재료인 강재와 콘크리트의 고강도화를 고려하게 된다.
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