일반 구조용 강재 적용 H형강 보부재의 해석에 의한 고온내력 평가 연구

권인규 한국화재소방학회 2014 한국화재소방학회논문지 Vol.28 No.2

화재와 같은 고온 시 구조부재의 붕괴를 방지함으로써 재실자와 소방관계자 그리고 재산을 보호할 수 있는 방법은 구조부재의 내화성능을 확보하는 것이며, 이는 시방적 내화설계방법인 내화시험을 통하여 확보되어 왔다. 그러나 내화시험에 수반되는 시험체 제작과 운반 그리고 막대한 시험 비용의 반복적 사용 등은 새로운 공법과 재료 개발의 문제점으로대두되었다. 따라서 본 연구에서는 일반 등급(SS 400) 강재의 고온 시 항복강도, 탄성계수와 열전달 및 열응력 해석을적용하여 H형강 보부재의 표면온도 상승 및 고온 시 내력 변화를 평가하였다. 또한 H형강 보부재의 길이 변화에 따른고온 시의 보부재의 내력평가를 수행하여 각각의 길이변화에 따른 내력 변화의 차이를 평가하였다. Structural stability of structural beams at high temperature had been evaluated though a horizontal furnace and a standardfire curve. If a structural method and a material are satisfied with the fire test, those are seemed to be guaranteed thesafety of residences, fire services men, and properties of the buildings. However, that requires not only longer period buthigher cost for making and testing of each structural element. That restrained from developing new methods and new fireprotective materials. In this study, an analytic method was executed to demonstrate whether the analytic method usingmechanical properties of structural steel at high temperature with heat transfer theory works is working. In this paper, thesurface temperature rising and variance of structural stability of a simple H-section beam with a standard fire curve wereevaluated and structural stabilities of H-section beam according to differences from length of beam were suggested.

내화강재의 고온특성 데이터베이스 구축 연구

권인규 한국화재소방학회 2013 한국화재소방학회논문지 Vol.27 No.5

Fire at building can occur enormous damages to life, properties, and environment and the risk of fire breakout is going up higher because of application of combustible materials than before. Therefore, the steel industries are trying to develop fire resistant steel in order to sustain the load bearing capacity of steel structures during fire situation. In this paper, to give the basis data-bases for evaluation of structural stability of steel structures applied fire resistant steel, FR 490, the tests of mechanical and thermal properties at high temperature were conducted and the comparisons are done with the SM 490that has the same mechanical one. 가연물의 증가는 건축물 화재의 발생 위험성과 재해발생 규모를 점차적으로 증대시키는 요인이 되고 있다. 따라서 강구조 건축물의 화재에 대비한 기술개발이 요구되었으며, 이 결과로 내화강재가 개발되었다. 본 연구에서는 FR 490강재의 고온 시 기계적, 열적 특성을 실험적으로 평가하고, 이 결과를 상온 시 구조적 내력이 동일한 용접구조용 강재인SM 490과 상호 비교함으로써 고온 시의 내력유지 성능이 우수함을 확인하였다.

해석적 방법에 의한 고강도 강재(SM 570) 적용 보부재의 고온 시 내력 평가

권인규 한국화재소방학회 2014 한국화재소방학회논문지 Vol.28 No.3

Beams play an important role to transfer an applied load on the floor into columns. However, if the beams affected by afire the length will be changed longer or shorter and the structural stability decreased gradually and resulted in structuralfailure. Therefore, the fire regulation requires that structural beam has to satisfied with a constant fire resistance. The fireresistance conducted by a constant size and boundary condition in an horizontal furnace. But this is not enough to adopt abeam made of high structural steels having various lengths. In this study, in order to suggest structural behaviors of beamsmade of high structural steels at high temperature,, mechanical properties at high temperature and heat stress analysiswere used and the surface temperature, expansion, displacement and variance of maximum load according to lengths ofthe beam were compared with those of SM 400. 일정 스팬내의 하중을 기둥부재로 전달하는 보부재의 경우, 화재 발생 시 팽창과 수축 그리고 내력저하로 인하여 구조적 불균형을 유발한다. 따라서 일정 규모 이상의 강구조 건축물의 보부재도 내화성능 확보를 의무화하고 있으나, 보부재의 크기와 조건에 의한 시방적 방법으로 내화성능의 평가가 진행되고 있는 것이 현 실정이다. 고강도 강재가 적용된 보부재의 스팬 변화에 대한 고온 시 내력평가는 이루어지지 않고 있어 정확한 구조적 내력평가에 한계가 있다. 따라서 본연구에서는 고강도 강재가 적용된 단순보를 대상으로 고온 시의 표면온도 변화, 팽창, 처짐 및 길이 변화에 따른 내력을일반 강재와 비교함으로써 화재 시의 내력적 성능변화를 확인하고자 한다.

고강도 강재로 제작된 장스팬 보부재의 내화성능 평가연구

권인규 한국화재소방학회 2015 한국화재소방학회 학술대회 논문집 Vol.2015 No.추계

고강도 구조용 강재의 고온물성 평가연구

권인규 한국화재소방학회 2013 한국화재소방학회논문지 Vol.27 No.3

Recently, building constructions have been developed toward high-rise, long span, and multi-complexed using the high strength materials, optimized section. But the structural behavior of steel structural members built with a high strength steel at fire condition is not clarified because of lacking of information of related references such as mechanical and thermal properties at high temperature situation. In this paper, to evaluate the structural stability of member or frame of steel framed building at fire situation through the engineering method, the mechanical and thermal experimental coupon tests have conducted at various high temperatures and the comparison to those of ordinary strength steels were done. 최근 건축물은 재료의 고강도화 및 단면형상 최적화를 바탕으로 초고층화, 장대화 및 복합화 추세로 발달하고 있으나,화재 위험성에 의한 구조적 거동에 관한 연구는 매우 미진한 실정이다. 특히 고강도 구조용 강재로 구성된 강구조 건축물의 구조부재에 대한 화재 노출 시 거동평가를 위한 기초적인 자료조차 거의 없는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 고층 강구조 건축물에 활용되고 있는 고강도 구조용 강재의 고온 시 구조적 내력 평가를 위한 기계적 특성과 열적 특성자료 도출을 목적으로 항복강도, 탄성계수 그리고 열전도율 등을 측정하고, 이를 일반 구조용 강재의 특성과 비교분석을통하여 상대적 안전성을 평가한다.

온도해석과 재하가열시험에 의한 콘크리트 충전 보부재의 내화성능평가에 관한 연구

권인규 한국화재소방학회 2010 한국화재소방학회논문지 Vol.24 No.6

Major structural elements such as columns and beams are designed to withstand the vertical and horizontal loads. Futhermore, when the structural elements were engulfed with fire the structural stability should be stand without failure. The beams have been developed in aspects of structural stability but an evaluation of fire performance was not done. So the data of fire resistance performance of beams filled with concrete at web on H-section is not known. The purpose of this paper is to analyse the correlation between temperature analysis and fire test with the beams and to show the fire resistance performance with two methods. 건축 구조물의 주요 구조부는 중력하중의 전달과 수평하중을 견디도록 설계, 시공되어야 함을 물론이고,화재의 고열환경에서 부수적으로 발생되는 온도에 의한 추가하중을 지지하도록 설계되어야 한다. 강구조건축물에서의 보부재는 중력 및 횡력 방향의 하중에 더 강한 지지력을 확보하기 위하여 H형강 웨브부분에 콘크리트를 충전하는 타입의 개발 및 적용이 이루어져 왔으나, 내화성능의 평가는 거의 이루어지지 않은 상태이다. 따라서 본 논문에서는 H형강 보부재의 웨브에 일반강도의 콘크리트로 충전된 시험체를 대상으로 열전도 해석에 의한 내화성능과 재하가열시험을 통한 내화성능을 각각 제시하고 상관성을 비교분석하였다

TMCP 내화강재의 고온 내력 평가 연구

권인규 한국화재소방학회 2013 한국화재소방학회논문지 Vol.27 No.6

Fire resistance steel, grading 490 MPa, had developed by using Thermo-mechanical control process (TMCP) and it has better performance at welding, seismic resistance than those of the ordinary structural steel, But the fire resistance performance is required to verify against the ordinary fire resistance, FR 490. Therefore this study was done to make database of mechanical properties at high temperature and to evaluate the structural stability at high temperature in terms of materials and structural member such as H-section from that of FR 490. The result of this study was that the structural stability of TMCP was lower than that of ordinary FR 490 at the range up about 700 oC. 대형화, 초고층 및 고스팬에 부응하기 위한 강재 기술개발의 노력으로 용접성능과 내진성능 그리고 내화성능이 부여된새로운 강재인 Thermo-mechanical control process (TMCP) 내화강재가 개발되었다. TMCP 내화강재는 기존의 내화강재 생산과정 시 압연과 동시에 정밀한 열처리를 병행함으로 인장력과 용접성을 향상시킬 수 있는 새로운 기술인 TMCP 방법으로 개발되었으며, 화재와 같은 고온에서의 구조적 안전성에 관한 내력평가가 요구되었다. 따라서 본 연구에서는고온 시 TMCP 내화강재의 내력평가를 목적으로 고온 시 항복강도, 탄성계수를 평가하고 각각에 대한 온도영역별 실험식을 제시하였으며, 이를 일반 내화강재의 고온 특성과 비교, 분석하였다. 또한 각각의 소재로 설정된 H형강 기둥부재를대상으로 고온 시의 내력을 계산하여 그 안전성을 확인한 결과, TMCP 내화강재의 고온 시 내력특성은 일반강 내화강재의 고온 내력저하 특성보다 열위인 것으로 나타났다.

건축용 내화강재(FR 490) 적용 H형강 보부재의 고온내력 연구

권인규 한국화재소방학회 2014 한국화재소방학회논문지 Vol.28 No.5

When structural elements of steel framed structures are exposed to fire situations, the structural stability begins todecrease due to dislocation of substantial. The increase of the beam length causes an additional stress and deflection. These can be serious factors to cause a severe failure of structures. To improve the fire resistance of beams, prevention ofthe heat from a fire by coating with fire protection material is essential for beams. The FR 490 was developed to enhancefire resistance compared with SM 490 steel. However, the fire resistance of FR 490 H-beams has not been evaluated byanalysis method since it was developed. In this paper, materials properties in high temperature and a heat transfer andthermal stress theory were used in the evaluation of the fire resistance of FR490 H-beams. The fire resistance of FR490steel beams was compared with that of SM490 beams. The comparison verified that the structural stability of FR490beams at high temperature was superior to that of SM490 beams. 구조용 강재는 고온 시 물질 내부의 구성 물질의 결합력 약화로 인하여 내력과 변형이 추가적으로 발생됨으로써, 구조적 성능이 저하되고, 국부 및 연속적 붕괴로 이어질 수 있다. 따라서 강재로 구성된 구조부재는 화재 시 열영향부를 최소화하기 위한 수단이 강구되는 내화설계가 요구된다. 건축용 내화강재(FR 490)는 용접 구조용 강재(SM 490)와 상온시 특성은 동일하나, 고온 시의 내력유지 성능이 우수한 강종으로써 이로 구성된 보부재의 고온 시 내력 평가 자료는거의 없다. 따라서 본 연구에서는 FR 490강재로 구성된 보부재의 고온 시 거동을 고온 시 재료 특성과 이론적 방법을통하여 해석적으로 평가하고, 이를 SM 490강재보와 비교함으로써 내화성능을 확인하고자 하였으며, 그 결과 FR 490강재보의 경우 SM 490강재보에 비해서 고온 시 내력유지 성능이 우수하였다.

일반 구조용 강재 적용 정정 및 부정정 보부재의 고온 시 해석적 내력 평가 연구

권인규 한국화재소방학회 2015 한국화재소방학회논문지 Vol.29 No.4

Loads applied on the floor are transferred through beams to columns. The beams can be designed as both end fixed orsimple beams. The load bearing capacity of a beam depends on each boundary condition. However, when the load bearingcapacity of a beam is evaluated in fire tests, all kinds of beams are tested using simple beam conditions. In this study,an analytical method performed using heat transfer theory and heat stress analysis based on the mechanical and thermalproperties of SS-400 steel at high temperature. This method was used to clarify the differences between the two types ofboundary conditions at normal and high temperature. The results show that the load bearing capacity of a both-end fixedbeam at high temperature is superior to that of a simple beam. Therefore, the application of simple beam conditions in firetests for evaluation of load bearing capacity is conservatively safe compared to fixed boundary conditions. 강구조 건축물의 바닥하중은 보부재를 통하여 기둥부재로 전달되며, 보부재는 양단 고정단 또는 단순보 조건으로 구성된다. 양단 고정단 강재보와 한단 힌지 그리고 타단 회전단의 단순보는 경계조건의 차이에 따라 전달되는 최대하중과 처짐 등 구조적 내력성능이 상이하나, 화재 시 내화성능 평가는 단순보의 경계조건으로 평가되고 있다. 따라서 본 논문에서는 강재보의 경계조건에 따른 내력적 성능의 차이를 확인하기 위하여 일반 구조용 강재(SS 400)의 고온특성을 적용한열전달해석 및 열응력해석을 수행하였으며, 그 결과 동일한 보부재의 길이와 단면 조건하에서 부정정 구조물인 고정단경계조건이 정정 단순보 경계조건에 비해서 내력과 처짐이 건전한 것으로 나타났다. 따라서 강재 보의 내화시험 시 단순보로 시험하는 것이 안전측으로 판단되었다.

경계조건에 따른 고강도 H형강 부정정 보부재의 해석적 내화성능 연구

권인규 한국화재소방학회 2015 한국화재소방학회논문지 Vol.29 No.5

Recently, structural materials have been developed to have high performance, and SM 520 has been developed andused for high-rise buildings. However, fires frequently occur in buildings, and the number of victims and amount of damageincrease year by year. However, the evaluation of fire resistance performance for structural beams made of SM 520 isdone with specimens made of ordinary structural steels with boundary conditions of a fixed beam, and the results areallowed for use in steel-framed buildings. This study analyzed the fire resistance performance of statistically indeterminatebeams built with SM 520. The analysis used a fire engineering technique that includes mechanical and thermal dataof SM 520 and heat transfer theory, and heat stress analysis was also conducted. The results from the analysis were comparedwith those from a statistically determinate beam made of ordinary structural steels. 건축물의 공간 효율성 증대를 주 목적으로 고강재 강재(SM 520)의 사용이 활성화되고 있으나, 화재와 같은 고온조건에서의 보부재에 대한 내화성능은 검증되지 못하고 있는 실정이다. 따라서 본 연구에서는 SM 520강재가 적용된 양단고정단 경계조건인 부정정 보부재를 대상으로 표준화재온도곡선과 고온에서의 항복강도, 탄성계수 그리고 비열, 선팽창계수를 적용하는 해석적 방법을 통하여 내화성능을 평가하고, 이를 바탕으로 일반 구조용 강재에 의한 보부재의 내화성능 평가의 안전성을 확인하였다.