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황선웅(Sun-Woong Hwang),최병정(Byong-Jeong Choi) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.12
화재로 인한 초고층건물의 큰 피해를 예방하기 위해 적절한 내화설계를 수행하기 위해서는 선행적으로 온도분포를 정확하게 예측하는 것이 매우 중요하다. 하지만, 초고층건물에서 많이 사용되는 단면크기 1,000 mm × 1,000 mm 이상의 메가(mega) SRC(steel reinforced concrete)기둥의 온도분포에 대한 연구는 진행되고 있지 않다. 따라서 본 연구는 비재하 가열실험을 통해 실제 사용되고 있는 단면크기 1,219 mm × 1,219 mm의 메가 SRC 기둥에 대한 깊이별 온도분포 특성을 도출하였다. 화재실험은 메가 SRC 기둥을 화재시간 1, 2, 3시간에 따라 비재하 가열실험을 수행하여 기둥 중앙 높이에서 최대 깊이 432 mm까지 온도분포를 도출하였다. 또한, 화재실험 실험값은 온도 예측식(Wickström, Kodur), 기준 온도프로파일(Eurocode2, ACI216), 유한요소해석 온도 값과 비교하여 온도특성을 검증하였다. 실험 결과, 깊이 150 mm 이하 구간에서 온도는 급격하게 감소하였으며, 깊이 150 mm 초과구간에서는 열이 균일하게 분포되는 것을 확인할 수 있다. 또한 본 연구를 통해 온도 예측식(Wickström, Kodur)과 기준 온도프로파일(Eurocode2, ACI216)로 도출한 온도 값보다 유한요소해석으로 도출한 온도 값이 실험결과와 가장 유사한 것을 확인하였다. Appropriate fire design is necessary to prevent damage to high-rise buildings due to fire. In addition, it is very important to accurately predict the temperature distribution to carry out fire design accurately. However, studies on the temperature distribution of mega SRC columns with a cross-section of 1,000 mm×1,000 mm or more are not actively conducted. Therefore, through a fire test, this study derived the temperature distribution characteristics by depth for mega SRC columns with a cross-section of 1,219 mm×1,219 mm. As part of the fire test, the temperature distribution was derived from the central height of the column to the maximum depth of 432 mm by heating the mega SRC column according to fire times of 1, 2, and 3 hours, respectively. Also, the temperature characteristics from the fire test were verified by comparing them with the temperature equation, the code temperature profile, and the finite element analysis temperature. The result of the test suggests that the temperature rapidly decreased below a depth of 150 mm, and heat was uniformly distributed at depths more than 150 mm. In addition, it was confirmed that the temperature derived from the finite element analysis was more similar to the test than the temperature derived from the temperature equation and the design temperature profile.
고강도 H형강 기둥의 세장비 변화에 따른 화재 후 지진거동
황선웅(Sun-Woong Hwang),최병정(Byong-Jeong Choi) 한국산학기술학회 2021 한국산학기술학회논문지 Vol.22 No.11
강구조 건축물은 높은 연성과 강도를 가지고 있어 주요 지진구역의 고층 및 대형건물에 널리 사용되어왔다. 고층건물의 강기둥(steel columns)부재 설계시 내진거동특성을 파악하는 것은 상당히 중요하다. 이러한 고층건물에 화재가 발생한다면, 화재보수·보강을 한 기둥의 내진성능이 확보가 되는지에 대한 검토가 필수적이다. 본 연구에서는 고강도 H형강 기둥의 화재 후 내진성능을 파악하기 위하여 다변수 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석은 ANSYS를 이용하여 기존연구의 실험결과를 바탕으로 해석결과를 비교분석하여 열전달 및 구조해석 모델링을 검증하였다. 검증된 모델링을 통해 화재시간(0, 30, 60분), 세장비(20.8, 52.2, 66.6, 104.2)를 변수로 두어 총 12가지 열-구조 해석을 수행하였다. 열-구조해석을 통해 하중-변위 이력곡선, 내력비, 연성, 에너지소산능력, 초기강성을 도출하여 화재 후 기둥의 내진성능을 파악하였다. 해석결과, 화재 후 기둥의 내력비, 연성, 에너지소산능력, 초기강성은 화재시간과 세장비가 증가함에 따라 감소하였다. 또한, 화재 후 기둥의 내진성능은 화재시간보다 세장비에 따라 더 큰 영향을 받는 것을 확인하였다. 본 연구의 목적은 보수·보강 고강도 H형강 기둥의 내진성능 예측을 위한 데이터를 제공하는 것이다. While designing steel columns of high-rise buildings, it is highly important to find their seismic behavior. Furthermore, if a fire occurs in such a high-rise building, it is essential to review whether the seismic performance of the columns repaired and reinforced after the fire meets the requirements. In this study, a parametric finite element analysis was conducted to find the post-fire seismic performance of high-strength H-section columns. The finite element analysis used ANSYS to compare and analyze the results of previous studies" experiments to verify the heat transfer and structural analysis models. Later, twelve types of thermo-structural analyses were conducted with different fire exposure times (0, 30, and 60 minutes) and slenderness ratios (20.8, 52.2, 66.6, and 104.2) using the validated models. From the thermo-structural analyses, the load-displacement hysteresis curve, strength ratio, ductility, energy dissipation capacity, and initial stiffness were obtained, and the post-fire seismic performance of the columns was analyzed. The results suggest that the post-fire seismic performance of the columns was influenced more by the slenderness ratio than by the fire exposure time. The results of this study are expected to be used as data for predicting the seismic performance of repaired and reinforced high-strength H-section columns.