매입형 합성기둥의 화재시간과 축력비에 따른 내화-내진 연계 성능평가

국문 초록 (Abstract)

전 세계적으로 건물들은 지속적으로 고층화 및 초고층화가 진행되고 있으며 일반적으로 층고가 늘어남에 따라 높은 하중을 견디기 위해 기둥 단면이 커지지만 건물에 더 많은 여유공간과 미적인 외관을 위해 기둥 단면을 최소화하며 층고가 증가되고 있다.
많은 연구자들이 화재, 지진과 같은 재난 상황에서 구조물의 안전성을 파악하기 위하여 연구를 수행하였고 최근에는 한 개의 재난상황이 아닌 두 개 이상의 재난상황이 동시다발적으로 발생하는 대형복합재난(Hybrid Disaster) 상황에서의 구조물 안정성 평가를 위한 연구들이 수행되고 있다.
그러나 국내에서는 해외에 비해 화재 후 지진, 지진 후 화재를 포함한 대형복합재난에 대한 연구진행의 척도가 더딘 실정이다. 특히 화재 후 지진 시나리오 기반의 실험은 내화실험과 구조실험이 함께 진행되기 때문에 여건제약이 타실험에 비해 많으며 내화 실험 후 강도가 감소된 부재단위의 실험체를 구조실험동으로 옮기는 과정에서 구조성능이 추가로 저하될 가능성이 존재한다. 마지막으로 향후 연구 진행 시 부재단위에서 나아가 골조단위로 범위를 확장할 경우 앞선 문제점들이 더 큰 취약점으로 작용할 수 있다.
따라서 본 연구에서는 유한요소해석(FEA; Finite Element Analysis) 프로그램(Ansys 2024R1)을 이용하여 보통모멘트골조 방식이 적용된 SRC기둥의 화재 후 지진해석을 수행검증을 통하여 해석 메커니즘을 제시한 뒤 매입형 합성기둥의 화재시간과 축력비를 변수로 한 추가변수해석(Parametric Study)를 진행하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Buildings around the world are continuously becoming taller and more super-tall. Typically, as floor heights increase, column cross-sections are enlarged to withstand higher loads. However, to maximize space and enhance aesthetics, column cross-sections are being minimized and floor heights are being increased.
Many researchers have conducted research to determine the stability of structures during disasters such as fires and earthquakes. Recently, research is being conducted to assess structural stability in large-scale hybrid disasters, where two or more disasters occur simultaneously.
However, in Korea, research on large-scale hybrid disasters, including fire-after-earthquake and earthquake-after-fire, is lagging behind internationally. In particular, fire-after-earthquake scenario-based experiments, which involve both fire resistance and structural testing, face more constraints than other methods. Furthermore, there is a risk of further deterioration in structural performance during the transport of test specimens, whose strength has been reduced after fire resistance testing, to the structural testing building. Finally, if future research expands beyond the member unit to the frame unit, the aforementioned issues could become even more significant vulnerabilities.
Therefore, this study used the Finite Element Analysis (FEA) program (Ansys 2024R1) to perform and verify post-fire seismic analyses of SRC columns using a normal moment frame design. This analysis mechanism was then proposed and verified. Additional parametric analyses (parametric studies) were then conducted for embedded composite columns, with the fire duration and axial force ratio as variables.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서 론 1
• 1.1. 연구 배경 및 목적 1
• 1.2. 연구 방법 및 범위 4
• 1.3. 국내․외 연구 현황 7
• 제 2 장 국내․외 내화설계 기준 10
• 2.1. 국내 내화설계 기준 10
• 2.2. 국외 내화설계 기준 16
• 제 3 장 유한요소해석 방법 검증 22
• 3.1. 유한요소해석 검증 개요 22
• 3.2. 기존연구 분석 (Choi, 2023) 23
• 3.2.1. 실험 기본사항 및 재료 물성치 확보 23
• 3.2.2. 화재(내화) 실험 27
• 3.2.3. 화재(내화) 후 지진(구조) 실험 33
• 3.3. 온도에 따른 재료 물성치 38
• 3.3.1. 콘크리트의 열적 특성 38
• 3.3.2. 콘크리트의 기계적 특성 45
• 3.3.3. 강재의 열적 특성 47
• 3.3.4. 강재의 기계적 특성 53
• 3.4. 화재(내화) 해석 검증 55
• 3.4.1. 화재(내화) 해석 개요 55
• 3.4.2. 화재(내화) 해석 결과 58
• 3.5. 화재(내화) 후 지진(구조) 해석 검증 61
• 3.5.1. 화재(내화) 후 지진(구조) 해석 검증 개요 61
• 3.5.2. 화재(내화) 후 지진(구조) 해석 결과 64
• 3.6. 소 결 67
• 제 4 장 추가변수 해석 (Parametric Study) 69
• 4.1. 추가변수해석 개요 69
• 4.2. 추가변수 설정 72
• 4.3. 내화-내진 연계해석 결과 74
• 4.4. 하중-변위 특성 78
• 4.4.1. 최대 횡하중 (Maximum lateral force) 78
• 제 5 장 결 론 84
• 참고문헌 86
• Abstract 92