재하가열시험에 의한 무내화피복 콘크리트충전 각형강관기둥의 내화성능평가 Evaluation of Fire Resistance of Unprotected Concrete-filled Rectangular Steel Tubular Columns under Axial Loading원문보기
본 연구에서는 표준화재에 노출된 무피복 콘크리트충전강관(CFT)기둥의 내화성능 및 거동 특성을 파악하고자 화재실험 및 수치해석 연구를 수행하였다. 실험변수로는 기둥높이, 하중비, 단면크기를 고려하였고, 이들이 CFT 기둥의 내화성능에 미치는 영향을 알아보고자 단면내 온도변화 및 축변형을 분석하였다. 실험결과 모든 실험체의 강관에서 국부좌굴이 발생, 콘크리트로 하중전이가 일어났고, 이후 콘크리트 압괴로 이어졌다. 이는 CFT 기둥의 전체 휨좌굴과 함께 국부좌굴이 내화설계의 주요 변수로 고려되어야 함을 시사한다. 하중비가 증가할수록 콘크리트저항구간이 줄어들면서 전체적인 내화시간이 감소하였다. 강재한계온도에 근거한 합성부재의 내화성능평가는 실제 하중지지력에 의한 내화시간에 비해 다소 보수적임을 확인하였고, 기존 연구자들의 제안식에 의한 성능예측결과도 실제 내화성능과 비교해볼때 개선의 여지가 있었다. 화재시 CFT 기둥의 내화성능을 예측하기 위하여 유한요소해석을 수행하였고, 실험결과와 비교할 때 신뢰성 있는 예측값을 나타냄을 확인하였다.
본 연구에서는 표준화재에 노출된 무피복 콘크리트충전강관(CFT)기둥의 내화성능 및 거동 특성을 파악하고자 화재실험 및 수치해석 연구를 수행하였다. 실험변수로는 기둥높이, 하중비, 단면크기를 고려하였고, 이들이 CFT 기둥의 내화성능에 미치는 영향을 알아보고자 단면내 온도변화 및 축변형을 분석하였다. 실험결과 모든 실험체의 강관에서 국부좌굴이 발생, 콘크리트로 하중전이가 일어났고, 이후 콘크리트 압괴로 이어졌다. 이는 CFT 기둥의 전체 휨좌굴과 함께 국부좌굴이 내화설계의 주요 변수로 고려되어야 함을 시사한다. 하중비가 증가할수록 콘크리트저항구간이 줄어들면서 전체적인 내화시간이 감소하였다. 강재한계온도에 근거한 합성부재의 내화성능평가는 실제 하중지지력에 의한 내화시간에 비해 다소 보수적임을 확인하였고, 기존 연구자들의 제안식에 의한 성능예측결과도 실제 내화성능과 비교해볼때 개선의 여지가 있었다. 화재시 CFT 기둥의 내화성능을 예측하기 위하여 유한요소해석을 수행하였고, 실험결과와 비교할 때 신뢰성 있는 예측값을 나타냄을 확인하였다.
In this paper, experimental program and associated numerical study were carried out to evaluate the fire resistance of unprotected concrete-filled rectangular steel tubular (CFT) columns subjected to the standard fire. The key testing parameters included the length effect, the load ratio, and the se...
In this paper, experimental program and associated numerical study were carried out to evaluate the fire resistance of unprotected concrete-filled rectangular steel tubular (CFT) columns subjected to the standard fire. The key testing parameters included the length effect, the load ratio, and the sectional dimensions of the CFT columns. Temperature distribution and axial deformation of the CFT column specimens were measured and analyzed. Rather early local buckling of steel tubes was observed in all the specimens. This caused subsequent load transfer from steel tube to concrete, and eventually triggered concrete crushing, or complete loss of the load bearing capacity of the column. This implies that the limit state of local buckling as well as overall flexural buckling should be incorporated in fire design procedure. As expected, the fire resistance time of specimen with higher load ratio consistently lessened. The prediction of fire resistance time of unprotected CFT columns based on the limiting steel temperature in current design codes or the formula proposed by previous studies is slightly conservative compared to the fire test results available. To establish the finite element analysis model that can be used to predict the thermal and structural behaviour of unprotected CFT columns in fire, the fully coupled thermal-stress analysis was also tried by using the commercial code ABAQUS. The numerical results showed a reasonable global correlation with the experimental results.
In this paper, experimental program and associated numerical study were carried out to evaluate the fire resistance of unprotected concrete-filled rectangular steel tubular (CFT) columns subjected to the standard fire. The key testing parameters included the length effect, the load ratio, and the sectional dimensions of the CFT columns. Temperature distribution and axial deformation of the CFT column specimens were measured and analyzed. Rather early local buckling of steel tubes was observed in all the specimens. This caused subsequent load transfer from steel tube to concrete, and eventually triggered concrete crushing, or complete loss of the load bearing capacity of the column. This implies that the limit state of local buckling as well as overall flexural buckling should be incorporated in fire design procedure. As expected, the fire resistance time of specimen with higher load ratio consistently lessened. The prediction of fire resistance time of unprotected CFT columns based on the limiting steel temperature in current design codes or the formula proposed by previous studies is slightly conservative compared to the fire test results available. To establish the finite element analysis model that can be used to predict the thermal and structural behaviour of unprotected CFT columns in fire, the fully coupled thermal-stress analysis was also tried by using the commercial code ABAQUS. The numerical results showed a reasonable global correlation with the experimental results.
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문제 정의
본 연구에서는 무피복 CFT 기둥의 표준화재실험 및 수치 해석연구를 통하여 단면 내 온도변화 및 축변형을 분석하고 이를 통하여 다양한 설계변수들이 내화성능에 미치는 영향을 비교, 분석하였다.
본 연구에서는 자체 수행한 실험 외에 기존의 국내 CFT 기둥 화재실험연구를 활용하여 유한요소해석 모델링의 타당성을 추가 검증하고자 하였다. 비교 실험체들은 본 연구의 실험체들과 유사한 내화피복을 하지 않은 무근각형 CFT 기둥을 대상으로 실험결과 내화시간이 60분이내였던 실험체를 선정하였다(Table 5).
본 연구에서는 재하가열시험을 통하여 화재시 무피복 CFT 기둥의 고유한 내화성능 및 거동 특성을 파악함으로써 합성부재의 내화설계기술개발을 위한 정량적 데이터를 구축하고 향후 실무현장에서 내화피복두께의 절감 혹은 무내화 피복을 통하여 합리적이고 경제적으로 CFT 기둥을 설계할 수 있는 근거를 마련하고자 하였다. 이를 위하여 기둥높이, 하중비, 단면크기 등을 변수로 하여 표준화재시험에 의거한 무피복 CFT 기둥의 내화성능평가를 수행하였고, 온도분포 및 축변형 등의 실험결과분석을 통해 화재시 CFT 기둥의 거동 특성 및 설계변수들이 CFT 기둥의 내화성능에 미치는 영향 등을 검토하였다.
5의 범위에서 하중비를 변화시키면서 CFT의 내화성능을 평가하였다[2]. 이를 고려하여 본 실험에서는 하중비 0.4～0.5의 범위에서 하중비 영향을 살펴보고자 하였다. 그리고 Lie 등[1]은 화재 시 고온에서 강관의 내력이 빠르게 손실되므로, 내화설계의 경우 콘크리트 코어의 내력에 대한 작용하중의 비(Napp/Ncon)가 일반적인 하중비(Napp/Nu)보다 좀 더 유용하게 여겨져야 한다고 주장하였다.
가설 설정
이는 향후 연구에서 고비용의 실물내화실험의 보완수단으로 수치해석법을 활용하는 가능성을 모색하기 위한 시도이다. CFT 기둥 화재노출면의 가열온도는 기둥의 길이방향 및 4면에서 균일하다고 가정하였다. 강관은 쉘, 콘크리트는 솔리드로 모델링하였으며 각각 Coupled temperature-displacement 요소인 S4RT, C3D8RT을 사용하여 분할하였다.
제안 방법
□-300× 300×9 단면의 경우 기둥길이가 다른 3개의 시험체(L=4,500, 3,900, 3,600mm)를 통해 기둥길이의 영향을 알아보고자 하였고, 같은 단면이지만 작용하중이 큰 실험체(L=4,500mm)를 추가하였다.
강관은 모두 단일 강종을 사용하였고, 실험체의 엔드플레이트와 강관 상하 단부간의 접합부에는 각각 4개의 리브로 보강하였다. 가열된 CFT 기둥의 내부수증기를 배출하기 위하여 총 3개 높이에 20mm 직경으로 앞뒤 한 쌍씩 증기구멍을 뚫었으며, 이들은 Fig. 2(a)와 같이 실험체 길이에 따라 상하부 엔드플레이트에서 각각 700mm(L=4,500mm), 600mm(L=3,900 mm), 500mm(L=3,300mm) 떨어진 곳과 기둥의 중앙부에 위치하도록 하였다.
CFT 기둥 화재노출면의 가열온도는 기둥의 길이방향 및 4면에서 균일하다고 가정하였다. 강관은 쉘, 콘크리트는 솔리드로 모델링하였으며 각각 Coupled temperature-displacement 요소인 S4RT, C3D8RT을 사용하여 분할하였다. 온도변화에 따른 콘크리트와 강재의 재료모델은 Eurocode 4[12] 모델을 따랐다.
실험 중에는 설치한 열전대의 온도 측정과 동시에 가열로의 유압실린더에 부착된 변위계를 통하여 가열 중 실험체의 팽창 및 수축에 의한 축변형을 측정하였다. 그리고 KS F 2257-1의 내화성능기준을 적용하여 기둥의 축방향 수축량이 L/100(mm)을 초과하거나 분당 변형량이 3L/1,000(mm/min)을 초과할 경우 실험을 종료하였다(여기서 L는 실험체의 유효가열길이). 모든 실험체의 경계조건은 회전방향에 대해서는 양단고정이었고, 단부 횡변위에 대해서는 하단부는 구속, 상단부는 구속하지 않았다(이러한 단부구속상태를 고려하여 유효좌굴길이 KL에서 K값은 1.
온도변화에 따른 콘크리트와 강재의 재료모델은 Eurocode 4[12] 모델을 따랐다. 그리고 강관과 콘크리트 경계면에서의 열저항(thermal contact resistance) 를 해석에 고려하고자 경계면의 열저항계수를 100(W/m2K)으로 반영하였다[17].
2절에서 언급한 기둥재하가열시험의 하중지지력 성능기준에 따른 실험체별 축방향 수축량과 분당 변형량의 한계값을 Table 4에 나타내었다. 그리고 이에 근거한 실험체별 내화시간과 Kodur[2](식 7) 및 NUHA[14](식 8)와 같은 기존 연구에서 제시한 CFT 기둥 내화성능 예측식으로 산정한 내화시간을 비교하였다.
3과 같은 기둥재하가열로에 실험체를 설치하고 가열로 하단에서 축력을 가하였다. 기둥 중심에 일정한 축하중이 가해진 15분 후 KS F 2257-1의 표준화재곡선을 따라 기둥을 가열하였다.
대류열전달계수는 25(W/m2K), 복사 경계조건으로 방사율 0.7, 스테판-볼츠만 상수(σ)는 5.67×10-8W/m2K4로 적용하였다.
또한 본 연구에서는 기둥에 작용하는 하중비에 따라 산출한 강재한계온도(critical temperature or limiting temperature)[15]에 근거한 내화성능을 구하였다(Table 4). Eurocode의 경우 같은 단면에 대하여 하중비가 증가할 경우 강재한계온도는 낮아지는 것이 일반적이다.
이를 위하여 기둥높이, 하중비, 단면크기 등을 변수로 하여 표준화재시험에 의거한 무피복 CFT 기둥의 내화성능평가를 수행하였고, 온도분포 및 축변형 등의 실험결과분석을 통해 화재시 CFT 기둥의 거동 특성 및 설계변수들이 CFT 기둥의 내화성능에 미치는 영향 등을 검토하였다. 또한 유한요소해석을 통하여 CFT 기둥의 화재거동을 예측하고 실제 실험결과와 비교하였다.
본 연구에서는 범용 유한요소해석프로그램인 ABAQUS[16]에서 제공하는 열-구조 완전연성해석(fully coupled thermalstress analysis)을 활용하여 내화시간을 예측하고 이를 실제 화재실험결과와 비교하였다. 이는 향후 연구에서 고비용의 실물내화실험의 보완수단으로 수치해석법을 활용하는 가능성을 모색하기 위한 시도이다.
기둥의 상온압축강도 산정은 Eurocode[12]의 합성기둥에 대한 산정절차를 참고하였으며 아래의 식 (1)～(5)의 순으로 전개된다. 본 연구에서는 상온압축강도의 산정 시 CFT 기둥의 구속효과에 의한 콘크리트의 강도증진을 반영하였다[12](식 1).
각 실험체의 재하가열실험에서 나타난 가열온도는 표준가열곡선과 오차범위 5% 내에서 거의 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 실험 중에는 설치한 열전대의 온도 측정과 동시에 가열로의 유압실린더에 부착된 변위계를 통하여 가열 중 실험체의 팽창 및 수축에 의한 축변형을 측정하였다. 그리고 KS F 2257-1의 내화성능기준을 적용하여 기둥의 축방향 수축량이 L/100(mm)을 초과하거나 분당 변형량이 3L/1,000(mm/min)을 초과할 경우 실험을 종료하였다(여기서 L는 실험체의 유효가열길이).
본 연구에서는 재하가열시험을 통하여 화재시 무피복 CFT 기둥의 고유한 내화성능 및 거동 특성을 파악함으로써 합성부재의 내화설계기술개발을 위한 정량적 데이터를 구축하고 향후 실무현장에서 내화피복두께의 절감 혹은 무내화 피복을 통하여 합리적이고 경제적으로 CFT 기둥을 설계할 수 있는 근거를 마련하고자 하였다. 이를 위하여 기둥높이, 하중비, 단면크기 등을 변수로 하여 표준화재시험에 의거한 무피복 CFT 기둥의 내화성능평가를 수행하였고, 온도분포 및 축변형 등의 실험결과분석을 통해 화재시 CFT 기둥의 거동 특성 및 설계변수들이 CFT 기둥의 내화성능에 미치는 영향 등을 검토하였다. 또한 유한요소해석을 통하여 CFT 기둥의 화재거동을 예측하고 실제 실험결과와 비교하였다.
대상 데이터
재료강도의 경우 현장에서 많이 적용되는 일반강도의 강재와 콘크리트를 사용하였다. 강관은 SPSR 400을 사용하였으며, KS B 0801에 준한 재료인장시험결과는 Table 2와 같다. 강관내부에 충전한 콘크리트의 설계강도는 압축강도 30MPa을 사용하였으며 KS F 2405에 따른 공시체의 콘크리트 압축강도 측정결과는 Table 3과 같다.
본 실험에서는 실험변수로 기둥길이, 하중비, 단면크기(혹은 강관너비)를 고려하여 Table 1과 같이 총 5개의 내화 피복이 없는 각형 CFT 기둥 실험체를 계획하였다. Table 1에서 Napp는 실험시 재하된 작용하중, Ndes는 재료별 설계기준강도에 의거하여 계획했던 기둥의 상온공칭압축강도, Nu는 재료시험결과를 반영한 기둥의 상온압축강도, Ncon는 콘크리트코어의 상온압축강도이다.
본 연구에서는 자체 수행한 실험 외에 기존의 국내 CFT 기둥 화재실험연구를 활용하여 유한요소해석 모델링의 타당성을 추가 검증하고자 하였다. 비교 실험체들은 본 연구의 실험체들과 유사한 내화피복을 하지 않은 무근각형 CFT 기둥을 대상으로 실험결과 내화시간이 60분이내였던 실험체를 선정하였다(Table 5). Fig.
1.2 재료실험
재료강도의 경우 현장에서 많이 적용되는 일반강도의 강재와 콘크리트를 사용하였다
. 강관은 SPSR 400을 사용하였으며, KS B 0801에 준한 재료인장시험결과는 Table 2와 같다.
이론/모형
강관은 쉘, 콘크리트는 솔리드로 모델링하였으며 각각 Coupled temperature-displacement 요소인 S4RT, C3D8RT을 사용하여 분할하였다. 온도변화에 따른 콘크리트와 강재의 재료모델은 Eurocode 4[12] 모델을 따랐다. 그리고 강관과 콘크리트 경계면에서의 열저항(thermal contact resistance) 를 해석에 고려하고자 경계면의 열저항계수를 100(W/m2K)으로 반영하였다[17].
재하하중은 Eurocode[12]에서 제시한 상온에서의 CFT 기둥 압축강도 산정법과 하중비를 고려하여 산출하였다. Fig.
성능/효과
(1) 표준화재곡선을 따라 무피복 CFT 기둥을 재하가열시험한 결과 기둥길이 및 하중비에 관계없이 시간경과에 따른 강관온도 및 콘크리트의 단면내 온도구배는 큰 차이가 없었다. 단면크기가 큰 실험체의 경우 콘크리트 내부의 온도상승이 늦은 경향이 있지만 화재시간이 지속될수록 그 차이는 점점 줄어들었다.
(2) 화재실험 결과 실험체의 하중비, 단면크기에 따라 강관 저항구간, 콘크리트 저항구간이 달라지면서 내화성능에 차이를 보였다. 하중비는 강관저항구간보다는 콘크리트 저항구간에 큰 영향을 미치며, 하중비가 증가함에 따라 콘크리트저항구간이 줄어들면서 전체적인 내화성능의 감소로 이어짐을 확인하였다.
(3) 강관의 국부좌굴이 기둥에 전체적으로 발생할 경우에는 국부좌굴의 위치를 특정할 수 없었다. 그러나 일부 실험체의 경우 강관의 국부좌굴이 집중되어 나타나는 경우가 있었으며 이 경우에는 기둥 길이의 1/4 지점에 발생하였다.
(4) CFT 기둥의 내화성능에 대한 기존 연구자들의 제안식 들은 실험결과를 비교해볼 때 개선의 여지가 있음을 확인하였다. 지나치게 보수적이거나(NUHA), 내화성능을 일부 과대평가할 우려가 있음을 확인하였다(Kodur).
(5) 화재시 CFT 기둥의 내화성능을 예측하기 위하여 유한요소해석을 수행하였고, 여러 실험결과와 비교할 때 신뢰성 있는 예측값을 나타냄을 확인하였다.
7은 실제 실험결과와 다양한 내화성능 예측방법에 의한 내화시간을 비교한 것이다. NUHA의 제안식에 의한 예측시간은 실제 실험에 의한 내화시간에 비해 전반적으로 상당히 보수적이었고, Kodur의 제안식의 경우 일부 실험체의 예측치가 실험결과에 비해 길어 내화성능을 과대평가할 위험성이 있음을 확인하였다.
8은 실험 종료 후 실험체의 형상이다. SHS1-H1에서 SHS5-WD까지 실험체 모두에서 강관의 국부좌굴(local buckling)이 확인되었다. SHS4-LR와 SHS5-WD의 경우 기둥 전체 길이의 1/4 지점에 지배적인 국부좌굴이 나타났지만, SHS1～3은 기둥의 여러 지점에서 국부좌굴이 나타났다.
4와 같다. 각 실험체의 재하가열실험에서 나타난 가열온도는 표준가열곡선과 오차범위 5% 내에서 거의 일치하고 있음을 확인할 수 있다. 실험 중에는 설치한 열전대의 온도 측정과 동시에 가열로의 유압실린더에 부착된 변위계를 통하여 가열 중 실험체의 팽창 및 수축에 의한 축변형을 측정하였다.
단면크기가 큰 실험체의 경우 콘크리트 내부의 온도상승이 늦은 경향이 있지만 화재시간이 지속될수록 그 차이는 점점 줄어들었다. 그리고 강재한계온도에 근거한 CFT 기둥의 내화성능은 실제 하중지지력에 근거한 내화시간에 비해 다소 보수적임을 확인하였다.
SHS5는 SHS1과 강관두께가 같지만 단면 사이즈가 더 크다. 따라서 두 실험에서 Napp/Nu는 거의 같지만(0.39, 0.38) Napp/Ncon는 SHS1에 비해 SHS5가 더 작으며(0.76, 0.66), 이에 의한 영향으로 실험결과 SHS5의 내화시간이 다소 더 길게 나왔다. 이상의 결과로 볼 때 실험 초기 좌굴로 인한 강관의 내력 저하 이후에는 콘크리트단면의 내력 대비 작용하중비(Napp/Ncon)가 콘크리트 저항구간에 직접적으로 영향을 미친다.
10은 실제 화재실험과 유한요소해석 중 CFT 기둥의 축방향 길이변화와 내화성능을 비교한 것이다. 모든 실험체의 해석모델에서 강관의 국부좌굴이 발생하였으며, 축변형 곡선 역시 CFT 기둥의 실제 화재실험에서와 같이 초기 강관저항구간, 하중 전이구간, 콘크리트저항구간이 잘 나타나있다. 그림에서 실험과 해석간의 최대인장량 및 하중전이시점의 차이는 해석 시 고온물성치의 변화와 실제 실험에서의 물성변화 차이 때문이다.
그리고 국내외 다른 연구자들의 CFT 기둥 화재실험[1],[5]에 비하여 비교적 높은 하중비로 재하된 것도 내화시간이 짧은 요인 중 하나이다. 본 실험에서 단면 전체에 대한 상온 하중비(Napp/Nu)는 0.38~0.48이지만 콘크리트내력만을 기준으로 하중비(Napp/Ncon)를 검토해보면 0.66～0.95의 높은 축력비에서 실험이 이루어졌음을 알 수 있다(기존 실험에서 1시간 이상의 내화성능을 보인 경우는 통상적으로 Napp/Ncon이 0.5 이하였다[1],[5],[6],[7]).
6에 나타내었다. 실제 실험값과 비교해 볼 때 단면 내의 각 열전대 위치(강관 외부면, 강관과 콘크리트의 경계면, 콘크리트 내부)에서 실험에서의 온도변화를 시간에 따라 신뢰성 있게 구현하고 있음을 확인할 수 있다. Fig.
66), 이에 의한 영향으로 실험결과 SHS5의 내화시간이 다소 더 길게 나왔다. 이상의 결과로 볼 때 실험 초기 좌굴로 인한 강관의 내력 저하 이후에는 콘크리트단면의 내력 대비 작용하중비(Napp/Ncon)가 콘크리트 저항구간에 직접적으로 영향을 미친다. 이는 강관두께가 얇아 국부좌굴의 지연 혹은 방지가 어려울 경우 콘크리트의 강도기여분을 높이는 것이 CFT 기둥의 내화성능을 향상시키는 기본적인 전략임을 시사한다.
(2) 화재실험 결과 실험체의 하중비, 단면크기에 따라 강관 저항구간, 콘크리트 저항구간이 달라지면서 내화성능에 차이를 보였다. 하중비는 강관저항구간보다는 콘크리트 저항구간에 큰 영향을 미치며, 하중비가 증가함에 따라 콘크리트저항구간이 줄어들면서 전체적인 내화성능의 감소로 이어짐을 확인하였다.
해석결과는 ±20% 내외에서 실험결과에 잘 부합하고 있음을 확인하였다.
후속연구
현행 설계 기준들에 의한 CFT 기둥의 내화설계가 주로 고온에서의 휨좌굴내력에 근거함을 고려한다면 화재시 CFT 기둥에 조기 국부좌굴이 발생할 경우 합리적 내화설계가 보장되지 않는다. 따라서 화재시 기둥 전체 휨좌굴 뿐만 아니라 국부좌굴까지 고려하여 내화시간을 예측하는 기법의 개발이 향후 요청된다.
에서 제공하는 열-구조 완전연성해석(fully coupled thermalstress analysis)을 활용하여 내화시간을 예측하고 이를 실제 화재실험결과와 비교하였다. 이는 향후 연구에서 고비용의 실물내화실험의 보완수단으로 수치해석법을 활용하는 가능성을 모색하기 위한 시도이다. CFT 기둥 화재노출면의 가열온도는 기둥의 길이방향 및 4면에서 균일하다고 가정하였다.
하지만 이러한 설계기준에서도 CFT 기둥을 비롯한 합성 부재의 내화설계를 기둥좌굴곡선에 의한 휨좌굴내력에 의지하고 있는 반면 강재의 고온 국부좌굴을 고려한 내화성능평가방안은 명쾌히 제시되지 않고 있는 바 이에 대한 추가 연구가 필요한 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트충전강관(concrete-filled steel tube, 이하 CFT) 기둥의 특징은?
콘크리트충전강관(concrete-filled steel tube, 이하 CFT) 기둥은 구조적 장점과 시공상의 이점으로 인해 적용범위가 점차 확대되어가는 우수한 구조 시스템이다. 구조적으로는 강관의 콘크리트 구속효과를 통한 내부 콘크리트의 압축강도 증가 및 강관의 국부좌굴방지로 인하여 단면 전체의 압축 내력이 증가하는 장점이 있으며, 강관이 거푸집 역할을 대신함으로써 공기를 단축하는 효과도 있다.
강관-콘크리트 경계면에서 40mm 이상 깊이에 해당하는 콘크리트 영역에서는 최대온도는?
그리고 콘크리트의 높은 열용량으로 인해 콘크리트 표면에서 단면 중앙으로 갈수록 온도 상승폭이 상당히 작아짐을 확인할 수 있다(SHS4-LR의 C1과 같이 일부 열전대의 경우 실험 도중 단선 등의 손상으로 인하여 온도정보가 불확실하기도 하였다). 강관-콘크리트 경계면에서 40mm 이상 깊이에 해당하는 콘크리트 영역에서는 최대온도가 200℃ 이하였으며, 이러한 온도범위에서는 항복강도 및 탄성계수와 같은 콘크리트 물성치에 큰 변화가 없다[12]. Fig.
화재시 기둥 전체 휨좌굴 뿐만 아니라 국부좌굴까지 고려하여 내화시간을 예측하는 기법의 개발이 향후 요청된다고 본 이유는?
그러나 일부 실험체의 경우 강관의 국부좌굴이 집중되어 나타나는 경우가 있었으며 이 경우에는 기둥 길이의 1/4 지점에 발생하였다. 이러한 국부좌굴의 발생은 초기 강관저항 구간의 감소를 유발하고 콘크리트로의 하중전이를 앞당겨 내화성능의 단축으로 이어짐이 관측되었다. 현행 설계 기준들에 의한 CFT 기둥의 내화설계가 주로 고온에서의 휨좌굴내력에 근거함을 고려한다면 화재시 CFT 기둥에 조기 국부좌굴이 발생할 경우 합리적 내화설계가 보장되지 않는다. 따라서 화재시 기둥 전체 휨좌굴 뿐만 아니라 국부좌굴까지 고려하여 내화시간을 예측하는 기법의 개발이 향후 요청된다.
참고문헌 (17)
Lie, T.T. and Chabot, M. (1992) Experimental Studies on the Fire Resistance of Hollow Steel Columns Filled with Plain Concrete, Internal report No. 611, Institute for Research in Construction, National Research Council of Canada, Ottawa.
Kodur, V.K.R. (1999) Performance-Based Fire Resistance Design of Concrete-Filled Steel Columns, Journal of Constructional Steel Research, Vol.51, pp.21-36.
Han, L.H. and Yang, Y.F. (2003) An Experimental Study and Calculation on the Fire Resistance of Concrete-Filled SHS and RHS Columns, Journal of Constructional Steel Research, Vol.59, No.4, pp.427-452.
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