무피복 합성보의 내화성능에 대한 실험 및 해석적 연구

안재권,이철호,Ahn, Jae Kwon,Lee, Cheol Ho 한국강구조학회 2015 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.27 No.2

In this paper, the standard fire resistance test under load and associated numerical study were carried out to evaluate the fire resistance of unprotected partially encased beams and slimfloor beams. The temperature evolution and the deflection increase of the composite beam specimens were investigated and the effects of the key behavioral parameters including the load ratio, the reinforcement, and the fire exposure were analyzed. The test results showed that the temperature rise of the partially encased beams and slimfloor beams is considerably slow compared to the conventional H-shape composite beams. Up to at least 90 minutes, the reinforcements in the partially encased composite beams maintained below the temperature at which the cold steel strength is sustained. Unprotected partially encased beams and slimfloor beams in the experimental program achieved the fire resistance more than 2 hours according to the limiting deflection criteria. This implies that unprotected partially encased beams and slimfloor beams can be very promising alternatives to enhancing the fire resistance of steel beams. This study also conducted the fully coupled thermal-stress analysis by using the commercial code ABAQUS to the thermal and structural behaviour of composite beams in fire. The numerical predictions provide acceptable correlations with the experimental results. 본 연구에서는 매립형 합성보와 슬림플로어보의 내화성능평가를 위한 재하가열실험 및 수치해석연구를 수행하였다. 이를 통해 화재 시 합성보의 온도 및 처짐 변화를 분석하고 하중비, 철근, 화재노출면 등의 합성보 설계변수들이 내화성능에 미치는 영향을 비교하였다. 화재실험결과 매립형 합성보와 슬림플로어보의 경우 강재의 온도상승이 일반형 합성보에 비해 상당히 지연됨을 확인하였다. 그리고 매립콘크리트 내에 보강된 철근은 최소 90분까지는 상온강도를 발휘할 수 있는 온도이하를 유지하였다. 무보강 매립형 합성보, 철근을 보강한 매립형 합성보와 슬림플로어보의 경우 처짐량 제한 기준만으로도 2시간 이상의 내화성능을 달성하였다. 이는 무피복 매립형 합성보와 슬림플로어보가 강재보의 내화성능을 증진하는 합리적인 대안이 될 수 있음을 시사한다. 합성보 재하가열실험에 대하여 ABAQUS를 활용한 유한요소해석을 수행한 결과 전체적인 처짐 양상 및 내화시간의 예측에 있어서 해석결과가 실제 실험결과를 신뢰성 있게 구현하고 있음을 확인하였다.

접합부 회전능력에 기초한 중/저층 철골모멘트골조의 내진설계

안재권,이철호,Ahn, Jae Kwon,Lee, Cheol Ho 한국강구조학회 2007 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.19 No.6

본 연구에서는 중/저층의 철골모멘트골조를 대상으로 합리적이고 실용적인 변위기반 내진설계절차를 제시하였다. 현행의 내진설계에서는 구조시스템 종별에 따라 경험적이고 획일적으로 규정된 반응수정계수를 토대로 설계가 수행되므로, 접합부가 보유한 회전능력의 적정성 여부를 검증하기가 어렵다. 본 논문에서는 실험적으로 입증된 철골모멘트골조 접합부의 가용 소성회전능력을 주요설계변수로 직접 사용하는 새로운 설계법을 제시하였다. 이 설계방안의 정립을 위해, 우선 지금까지 불분명한 관계로 남아있던 접합부의 가용 소성회전능력과 반응수정계수 사이의 관계를 합리적이고 정량적으로 정의하는 방안을 제시하였다. 이를 토대로 변위에 기반한 단계별 내진설계절차를 제시하고 비선형동적해석에 의해 방안의 타당성을 입증하였다. A displacement-based seismic design procedure was proposed for mid-to-low-rise steel moment frames. The proposed method was totally different from the current R-factor approach in that it directly uses available connection rotation capacity as a primary design variable. To this end, the relationship between available connection rotation capacity and seismic response modification (R factor) was established first; this relationship has been a missing link in current ductility-based design practice. A step-by-step displacement-based iterative design procedure was then proposed and verified using inelastic dynamic analysis.

재하가열시험에 의한 무내화피복 콘크리트충전 각형강관기둥의 내화성능평가

안재권,이철호,Ahn, Jae Kwon,Lee, Cheol Ho 한국강구조학회 2014 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.26 No.4

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 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.

재난안전 인프라용 내화내진강의 내화성능

안재권(Jae-Kwon Ahn),여인환(In-Hwan Yeo),조규환(Gyu-Hwan Cho) 한국강구조학회 2019 韓國鋼構造學會誌 Vol.31 No.5

접합부 회전능력에 기초한 주/저층 철골모멘트골조의 내진설계

안재권(Jae Kwon Ahn),이철호(Cheol Ho Lee) 한국강구조학회 2007 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.19 No.6

건축구조용 내화형강 기둥부재의 내화성능 및 잔존압축강도 평가

안재권(Ahn, Jae Kwon),류은미(Ryu, Eun Mi),조규환(Cho, Gyu Hwan),여인환(Yeo, In Hwan) 한국강구조학회 2022 한국강구조학회 학술대회 발표집 Vol.33 No.1

내화강재의 건축구조부재 적용을 위한 고온강도특성 평가

안재권(Ahn, Jae Kwon),류은미(Ryu, Eun Mi),조규환(Cho, Gyu Hwan),여인환(Yeo, In Hwan) 한국강구조학회 2021 한국강구조학회 학술대회 발표집 Vol.32 No.1

인장강도 490MPa급 내화강의 건축구조 적용을 위한 내화성능평가

안재권(Ahn, Jae Kwon),여인환(Yeo, In Hwan),안재홍(An, Jae Hong),전기수(Jeon, Ki Soo) 한국강구조학회 2018 한국강구조학회 학술대회 발표집 Vol.29 No.1

내화강을 적용한 내화피복 건축구조부재의 내화성능

안재권(Ahn, Jae Kwon),여인환(Yeo, In Hwan),조규환(Cho, Kyu Hwan) 한국강구조학회 2019 한국강구조학회 학술대회 발표집 Vol.30 No.1

콘크리트 채움 U형 메가 합성보의 내진성능 평가

이철호,안재권,김대경,박지훈,이승환,Lee, Cheol Ho,Ahn, Jae Kwon,Kim, Dae Kyung,Park, Ji-Hun,Lee, Seung Hwan 한국강구조학회 2017 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.29 No.2

본 연구에서는 1900mm급의 춤이 깊은 콘크리트 채움 U형 메가 합성보의 합성보통모멘트골조에 대한 적용성을 검토하였다. 대형 합성보의 실물대 내진성능실험에 대한 현실적 제약으로 인하여 작은 규모의 실험체에 대해 수행된 기존 실험결과의 분석과 수치해석연구의 보완을 통해 연구를 수행하였다. 이러한 형태의 합성보는 부모멘트 작용시의 웨브국부좌굴이 가장 중요하므로 선행 실물대 실험결과로부터 웨브의 판폭두께비와 층간변형능력 사이의 관계를 분석하였다. 그 결과, 25mm 두께의 U형 강재단면을 지닌 1900mm급의 대형 합성보라 하더라도 층간변위각 2% 이후 웨브국부좌굴을 경험하고 3% 이후 최대변형에 도달하는 것으로 확인되었다. 이는 합성보통모멘트골조의 요구조건을 상회하는 것으로 AISC 기준에 따른 웨브 판폭두께비 제한이 본 연구의 U형 단면에는 보수적임을 시사하기도 한다. 유한요소해석을 통해서는 합성보의 휨성능 및 웨브국부좌굴에 대한 수평스티프너의 영향을 분석하였다. 대형 합성보는 스티프너 보강과 관련없이 부모멘트 방향으로 공칭소성모멘트 이상의 휨성능을 발휘하였으며, 스티프너를 보강할 경우에는 웨브국부좌굴이 상당히 지연되는 긍정적인 효과가 있었다. 이상의 실험결과 분석 및 해석연구에 의하면 1900mm급의 춤이 깊은 콘크리트 채움 U형 메가 합성보는 합성보통모멘트골조에 보수적으로 적용가능한 것으로 판단된다. In this paper, the applicability of a 1900mm-deep concrete-filled U-shaped composite beam to composite ordinary moment frames (C-OMFs) was investigated based on existing test results from smaller-sized specimens and supplemental numerical studies since full-scale seismic testing of such a huge sized beam is practically impossible. The key issue was the web local buckling of concrete-filled U section under negative bending. Based on 13 existing test results compiled, the relationship between web slenderness and story drift capacity was obtained. From this relationship, a 1900mm-deep mega beam, fabricated with 25mm-thick plate was expected to experience the web local buckling at 2% story drift and eventually reach a story drift over 3%, thus much exceeding the requirements of C-OMFs. The limiting width to thickness ratio according to the 2010 AISC Specification was shown to be conservative for U section webs of this study. The test-validated supplemental nonlinear finite element analysis was also conducted to further investigate the effects of the horizontal stiffeners (used to tie two webs of a U section) on web local buckling and flexural strength. First, it is shown that the nominal plastic moment under negative bending can be developed without using the horizontal stiffeners, although the presence of the stiffeners can delay the occurrence of web local buckling and restrain its propagation. Considering all these, it is concluded that the 1900mm-deep concrete-filled U-shaped composite beam investigated can be conservatively applied to C-OMFs. Finally, some useful recommendations for the arrangement and design of the horizontal stiffeners are also recommended based on the numerical results.