슬롯 커넥터 및 용접접합 각형 CFT기둥의 내화성능

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The steel tube of a CFT column plays the role of the tie bars of an RC column and confines the concrete to improve its load capacity. The concrete inside the steel tube prevents the local buckling and lateral torsion of the tube. Complementing each other, the steel tube and the concrete form an efficient composite structure. The cross-section of a CFT column is smaller when compared with a steel column or an RC column. The efficient composite effect generated from the steel tube and the concrete improves lateral resistance, ductility and energy absorption. Thanks to the advantages, CFT columns improve the seismic performance of super-tall buildings. In addition, because the steel tube acts as a mold, a mold is not needed in constructing a CFT column and the process is simplified. Therefore, construction period is shortened. However, CFT columns have disadvantages, too. When a CFT column is exposed to high temperatures as in the case of a fire, the structural performance of the steel tube is deteriorated rapidly. Welding, which is an indispensable process in making a CFT column, deteriorates its fire resistance performance. The brittleness of the weld zone is increased due to the structural changes of its surrounding part caused by rapid heating and rapid cooling during the process of welding, which can result in the brittle fracture of the steel tube when it undergoes multidirectional displacement caused by axial loads and thermal expansion. In addition, the existing equation for the fire resistance design of CFT columns has limits in the range of application and thus is not appropriate to large structures.
In this study, previous studies were analyzed to identify influential factors on the fire resistance performance of CFT columns, the level of the factors and the drawbacks of the existing fire resistance performance equation. In addition, full scale tests were conducted on weld-type CFT columns and slot-type CFT columns to evaluate their fire resistance performance and numerical analyses were conducted on the analysis model of the columns based on the test results to verify the fire resistance performance of the columns. Based on the fire resistance performance database obtained from the analysis of previous studies, tests & evaluation and numerical analyses, a fire resistance performance equation for practical application was suggested and the reliability of the equation was verified. The ultimate goal of this study was to suggest how to render fire resistance design technology for CFT columns practical.
In chapter 1, the background and scope of this study are described. In chapter 2, studies on the fire resistance design of CFT columns conducted in Korea and overseas are reviewed and summarized. In chapter 3, the fire resistance performance of CFT columns is evaluated through tests. In chapter 4, the fire resistance performance of CFT columns is verified through numerical analyses. In chapter 5, a fire resistance design equation is suggested based on the database obtained from the analysis of previous studies, full scale tests and numerical analyses and the reliability of the equation is verified. In chapter 6, a comprehensive conclusion is drawn on the results of the tests and analyses conducted in this study and the reliability of the suggested equation. The conclusion of this study is summarized as follows.

1) The fire resistance performance was compared between the weld-type CFT columns and the slot-type CFT columns using stiffeners and slot connectors, which were suggested to improve the structural performance of the weld-type CFT columns. The latter compared favorably with the former in terms of temperature-displacement relationship.
2) Finite element analyses conducted based on thermal and mechanical characteristics provided in the Eurocodes and previous studies rationally predicted the results of the fire resistance tests conducted on the weld-type and slot-type CFT columns. And, the numerical analyses expanded the range of prediction and provided database for the range which cannot be realized with Korean or overseas test equipment.

3) In order to improve the existing fire resistance performance equation and expand the range of application, database obtained from the previous studies, the full scale tests and the numerical analyses were analyzed and an equation was suggested with influential factors (diameter/length, ratio of concrete-steel tube cross-sectional areas, concrete strength and load ratio) taken into consideration.





4) In both the weld-type CFT columns and the slot-type CFT columns, the influence of slenderness ratio(D/L) and load ratio(LR) on fire resistance performance was twice as great as that of concrete strength(fck)and concrete-steel cross-sectional ratio(AC/AFS).

국문 초록 (Abstract)

CFT(Concrete Filled Steel Tube)기둥에서 외부 강관은 RC기둥의 띠철근과 같은 역할을 담당하여 내부 콘크리트를 구속하는 효과가 있어 콘크리트의 내력상승을 유도하고, 강관 내부에 충전된 콘크리트는 강관의 국부좌굴 및 횡비틀림을 방지한다. 이처럼 강관과 콘크리트는 구조적으로 상호 보완하여 효율적인 합성구조를 형성한다. 따라서 CFT기둥은 강구조나 RC구조에 비해 단면적 축소가 가능하며 강관과 콘크리트의 효율적인 합성작용에 의한 횡력 저항성능이 우수하고 연성과 에너지 흡수능력이 뛰어나 초고층 구조물의 내진성능에 유리하다. 또한 강관이 거푸집의 역할을 하여 시공 시 거푸집이 불필요하고 공정이 단순화 되어 공기단축이 가능하다. 이처럼 많은 장점들로 인하여 CFT기둥의 사용이 증가하고 있다. 하지만 이러한 장점들 이외에 강관이 외부로 노출되는 구조에서 발생하는 단점들도 존재한다. CFT기둥의 단점으로 논의되고 있는 요소들로는 외부강관이 화재와 같은 고온에 노출될 경우 강관의 구조적 성능이 급격히 저하될 수 있다는 점과 건축구조용으로 사용되는 강관을 제작하기 위해 불가피하게 발생되는 용접부으로 인해 내화성능의 저하가 발생할 수 있다. 용접부는 용접공정 시 발생하는 급가열·급냉각으로 인해 주변부에서 조직변화가 발생하여 취성이 증가하게 되고, 이는 화재 시 축하중 및 열팽창으로 인한 다방향 변형에 의하여 강관의 취성파괴를 유발할 수 있다. 이와 함께 CFT기둥의 내화설계를 위한 기존의 내화성능 산정식은 한정된 사용범위로 인하여 최근 대형화되고 있는 구조물에 적용하기에는 부적합한 면이 문제점으로 지적되고 있다.
이에 본 연구는 선행연구를 분석하여 CFT기둥의 내화성능에 영향을 미치는 인자 및 수준과 CFT기둥의 기존 내화성능 산정식의 취약점을 파악하였다. 또한 용접형 CFT기둥 및 용접부를 제거한 슬롯형 CFT기둥의 내화성능에 대하여 실물실험을 통해 평가하고, 실험결과를 근거로 CFT기둥에 대한 고온 해석모델을 확보하여 수치해석을 통한 내화성능을 검증하였다. 선행연구 분석, 실험검증 및 수치해석을 통해 확보된 CFT기둥의 내화성능에 관한 DB를 근거로 실무에서 적용할 수 있는 내화성능 산정식을 제안하고 이에 대한 신뢰성을 검증하였다. 이를 통해 향후 CFT기둥의 내화성능설계 기술의 실용화 방안을 제시하고자 한다.
본 논문의 1장에서는 연구의 배경 및 범위를 기술하였으며, 2장에서는 국내외 CFT기둥 내화설계 관련 연구동향을 정리하였다. 3장에서는 실물실험을 통한 CFT기둥의 내화성능을 평가하였으며, 4장에서는 수치해석을 통한 CFT기둥의 내화성능을 검증하였다. 5장에서는 앞서 수행한 선행연구 분석, 실물실험 및 수치해석 DB를 기반으로 내화성능 산정식을 제안하고 신뢰성을 검증하였다. 6장에서는 본 논문에서 수행한 실험 및 해석결과 및 제안한 내화성능 산정식의 신뢰성에 대하여 종합적인 결론을 기술하였다. 본 연구의 결과를 종합 정리하면 다음과 같다.

1) 용접형 CFT기둥의 구조성능 향상방안으로 제시되고 있는 스티프너와 슬롯 커넥터 접목한 슬롯형 CFT기둥의 내화성능을 검증한 결과 온도 및 변형에서 기존 용접형 CFT기둥에 비해 동등수준의 내화성능 확보가 가능한 것으로 나타났다.

2) 수치해석을 통한 내화성능 검증을 위하여 유럽코드 및 선행연구에서 제시하고 있는 열적&기계적 특성을 근거로 수행한 유한요소 해석은 용접형 및 슬롯형 CFT기둥의 내화실험 결과를 합리적으로 예측하였다. 또한 수치해석을 통해 국내·외 실험장비에서 구현이 힘든 영역으로 확대하여 해석DB를 구축하였다. 이와 같이 확보한 고온 해석모델 및 DB는 대형화되고 있는 구조물의 내화설계를 위한 기초자료로 활용 가능할 것으로 판단된다.

3) 기존의 한정된 범위내에서 적용 가능한 내화성능 예측식을 개선하기 위하여 선행연구, 실물실험, 수치해석을 통해 확보한 DB를 분석하여 내화성능 영향인자[직경/길이, 콘크리트-강관 단면적비, 콘크리트 강도, 하중비]를 고려한 산정식을 제안하였다.

4) 제안한 내화성능 산정식에 대하여 각 영향인자별로의 민감도를 분석한 결과 용접형 및 슬롯형 CFT기둥 모두 세장비[D/L]와 하중비[LR]가 콘크리트 강도[fck]와 콘크리트-강재 단면적비[AC/AFS]에 비해 2배 이상 내화성능에 영향을 미치는 것으로 나타났다.

5) 제안한 내화성능 산정식에 대하여 신뢰성을 검증한 결과 예측값이 실험값이 +20% ∼ -40% 범위내로 예측될 확률이 용접형 CFT기둥의 경우 50%, 슬롯형 CFT기둥의 경우 71% 수준으로 나타났으며, 계수(α)를 통해 Fractile level을 조정하여 설계식으로 활용 가능할 것으로 판단된다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론--------------------------------------------------------1
• 제1절 연구배경 및 목적------------------------------------------2
• 제2절 연구범위 및 방법--------------------------------------- -10
• 제2장 국내·외 CFT기둥 내화설계관련 연구동향--------------13
• 제1절 현행 CFT기둥 내화설계 기준 분석 14
• 1. 국내 합성기둥 내화설계 관련기준 14
• 2. 미국(AISC&ASCE) 합성기둥 내화설계 관련기준---------19
• 3. 유럽(EN 1994-1-2) 합성기둥 내화설계 관련기준--------24
• 4. 일본 합성기둥 내화성능 관련기준--------------------------27
• 제2절 CFT기둥 내화성능평가 선행연구 분석-----------------31
• 1. 용접형 CFT기둥 내화성능 분석-----------------------------32
• 제3장 실물실험을 통한 내화성능 평가------------------------37
• 제1절 실험개요--------------------------------------------------38
• 1. 실험인자 및 수준---------------------------------------------38
• 2. 실험체 제작---------------------------------------------------40
• 3. 실험방법-------------------------------------------------------41
• 제2절 실험결과 --------------------------------------------------44
• 1. 단면내 온도분포----------------------------------------------44
• 2. 축변형 및 내화성능-------------------------------------------49
• 제4장 수치해석을 통한 내화성능 검증-------------------------55
• 제1절 해석개요---------------------------------------------------56
• 1. 열전달----------------------------------------------------------56
• 2. CFT기둥의 고온해석 모델링----------------------------------59
• 제2절 해석결과---------------------------------------------------70
• 1. 온도분포--------------------------------------------------------70
• 2. 축변형 및 내화성능--------------------------------------------73
• 제5장 단면형상을 고려한 내화성능 산정식 제안---------------79
• 제1절 내화성능 영향인자 분석-----------------------------------80
• 1. 용접형 CFT기둥------------------------------------------------80
• 2. 슬롯형 CFT기둥------------------------------------------------83
• 제2절 내화성능 산정식 제안 및 검토----------------------------86
• 제3절 내화성능 산정식 영향인자 민감도 분석-----------------90
• 1. 용접형 CFT기둥------------------------------------------------90
• 2. 슬롯형 CFT기둥------------------------------------------------95
• 제4절 내화성능 산정식 신뢰성 검토----------------------------101
• 1. 용접형 CFT기둥-----------------------------------------------101
• 2. 슬롯형 CFT기둥-----------------------------------------------105
• 제6장 결론--------------------------------------------------------110
• 참고문헌-----------------------------------------------------------113
• ABSTRACT--------------------------------------------------------117