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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.1 pp.54-61
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.1.054

An Residual Capacity for Cold Forming Welded Built-up Square Mega Composite Columns Exposed to Fire

Jeong-Ki Min1, Kyong-Soo Yom2, Sung-Mo Choi3
1Senior Researcher, Fire & Safety Evaluation Technology Center, Korea Conformity Laboratories, Korea
2Head, Act Partner, Korea
3Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Korea
Corresponding author: Min, Jeong-Ki Fire & Safety Evaluation Technology Center, Korea Conformity Laboratories, 73, Yangcheong 3-gil, Ochang-eup, Cheongwon-gu, Cheongju-si, Chungbuk, 25913, Korea. +82-43-210-8958, +82-43-210-8985, jkm927@kcl.re.kr
March 13, 2018 March 21, 2018 March 21, 2018

Abstract


This study develops numerical model of mega composite columns in fire and investigates the residual areas using 500°C isotherm method and residual capacity of mega composite columns after 3 hours. In order to perform heat transfer analysis, thermal properties of steels and concrete were adopted from Eurocodes. In addition to, the temperature distributions of composite columns with respect to fire tests were compared with numerical analysis results. As a result, residual capacity of mega composite column with 1m width remained more than 45%. The residual capacity of mega composite column was only increased to 2.3~2.6% with the use of additional rebars.



화재에 노출된 내부보강 조립식 냉간성형 대형합성기둥의 잔존내력에 대한 연구

민 정기1, 염 경수2, 최 성모3
1한국건설생활환경시험연구원 방재기술평가센터 선임연구원
2㈜액트파트너 소장
3서울시립대학교 건축공학과 교수

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    17TBIP-C111803-02

    1. 서 론

    강관을 콘크리트로 충전한 CFT 기둥(Concrete Filled Steel Tubular Column)은 폐단면 부재로 휨모멘트를 부담하는 강관이 외측에 있고, 축력을 부담하는 콘크 리트가 내측에 있어 강관이 내부 콘크리트를 구속하 는 한편 콘크리트가 강관의 국부좌굴을 막아주는 효 과에 의하여 강도와 에너지 흡수 능력이 우수한 구조 시스템이다. 이러한 장점에도 불구하고 추가 스티프너 설치가 필요하고, 두께와 상관없이 4개의 판을 모서 리 면에서 용접하기 위한 특수장비의 필요로 인해 대 량생산을 위한 제작성이 저하되어 이를 극복하고자 추가의 용접을 생략할 수 있고 콘크리트 부착력이 더 우수한 용접조립 각형 CFT 구조가 개발되었다(Goh, et al., 2012).

    그러나 기존에 개발된 용접조립 각형 CFT 구조 는 크기에 제한이 있어(최대 : 618mm × 618mm) 다 양한 구조물에 적용하기에는 한계가 있으며 4개의 요 소로 조합된 BOX형 기둥의 특성상 모멘트 골조의 접합부 구성에 제한이 있어 기존의 충전강관기둥의 한계를 극복하고 장점을 활용할 수 있는 신형상 대형 각형기둥이 개발되었다(Fig. 1).

    일반적으로 무피복의 폭이 작은 기둥은 화재 발생 시에 전단면에 걸쳐 고온의 영향을 받는 것에 반해 폭이 큰 기둥은 넓은 단면적으로 인해 전체적으로 영 향을 받는 부분이 강재를 포함한 최외곽을 중심으로 한정되어 있어 내부 콘크리트의 대부분은 500℃ 미만 의 온도를 유지하여 내화피복이 없는 경우에도 화재 시 상당한 하중을 견딜 수 있으며, 내부에 철근을 삽 입하여 외부 강재의 화재시 저하된 내력을 보강하는 방법을 사용하고 있다(Wang, 2014).

    국내에서는 합성기둥의 내화성능을 평가하기 위해 서 기둥가열로를 사용하고 있으나 하중의 한계와 함 께 내화시험이 가능한 부재의 폭이 600mm로 제한되 어 있어 600mm 미만의 합성기둥에 대한 내화시험은 다수 이루어 졌으나 대형합성기둥의 내화성능에 대한 실험적 평가는 한계가 있는 실정이다.

    따라서 본 연구에서는 폭 1m 이상의 대형합성기 둥에 대해 무피복 상태에서 내화성능을 정량적으로 평가하기 위해 기존의 무피복 내화실험 결과와 비교 를 통해 열전달해석 결과와의 차이를 확인하고 열전 달해석을 수행하여 시간에 따른 단면의 열전달 정도 를 분석하고 이를 유로코드에서 제시하고 있는 500℃ 등온법을 바탕으로 비교하여 화재 후 대형합성기둥의 잔존내력을 해석적으로 분석하였다.

    2. 연구동향

    2.1 기둥의 내화성능 평가기준

    건축구조부재로 사용되는 기둥 시스템은 ‘KS F 2257-1(2014) : 건축구조부재의 내화 시험방법 – 일 반요구사항’과 ‘KS F 2257-7(2014) : 건축구조 부재 의 내화 시험방법 – 기둥의 성능 조건’에 의해 내화 성능을 평가한다. 기둥의 내화성능평가 방법은 크게 재하가열시험과 비재하 가열시험의 2가지로 나눌 수 있다. 첫 번째로 재하가열시험에서 기둥은 현장 제작 과 동등한 하중 및 지지 조건하에서 시험을 수행하며, 요구하는 내화성능 시간 동안 표준 시간-가열 온도 곡선에 따라 4면을 가열한다. 기둥의 하중 지지력은 내화성능 시간 동안 작용하며, 판단 기준은 Table 1 에서 볼 수 있는 것과 같이 수축량과 변형률의 두 가 지 기준을 모두 초과할 경우 만족하지 않는다고 볼 수 있다. h는 시험체의 초기 높이를 의미한다.

    두 번째로 내화 피복된 강재 기둥으로서 설계상 하중을 필요로 하지 않는 경우에 비재하 가열시험을 수행하여 내화성능을 평가한다. 이 방법에 있어서 Fig. 2와 같이 열전대를 설치한 후 측정한 각 단면별 강재의 평균 온도는 538℃를 넘지 않아야 하며, 온도 가 측정된 어느 곳에서도 649℃를 넘지 않아야 한다.

    2.2 콘크리트충전 합성기둥 내화성능 연구

    미국 및 유럽, 일본에서는 CFT기둥의 내화성능에 대 한 연구가 많이 진행되어 왔으며, 부재의 성능에 따 라 내화피복두께를 조절하거나 무피복 상태로 설계하 도록 제시하고 있다.

    국내에서는 2000년 초반부터 CFT기둥의 내화성능 에 대한 다양한 실험적 연구가 이루어지고 있으나 대 부분은 500mm 미만의 폭에 한정되어 있고 해석적인 연구 또한 부족한 상황으로 폭 1m 이상의 대형합성기 둥에 대한 연구는 전무한 실정이다. Table 2는 국내에 서 발표된 CFT기둥의 형상, 크기, 강재와 콘크리트의 항복강도 및 피복유무를 나타낸다(Ahn, et al., 2014; Kim, et al., 2010; Kim, et al., 2014; Park, et al., 2000; Park, et al., 2008 ; Ryoo, et al., 2007).

    3. 열전달 해석모델 검증

    본 연구에서는 해석의 신뢰성을 검증하기 위해 기존 에 수행된 폭 300mm의 무피복 내화실험체를 대상으 로 열전달해석 모델을 개발하고, 내화실험의 단면내 온도분포 결과(Kim et al., 2014)와 비교하였다. 기존 의 내화실험에서는 총 8개의 내부 앵커형 용접조립각 형 강관 기둥이 내화실험에 사용되었으며 모든 실험 체는 내화피복을 하지 않았다. 8개 내화실험체의 단 면 및 입면 형상은 모두 Fig. 3과 같으며 각형으로 폭 300mm에 6mm 두께의 SM490 모서리 강재에 내 부에 40MPa 강도의 콘크리트가 사용되었다. 8개 내 화실험체는 강섬유 혼입량과 하중비를 변수로 내화실 험이 수행되었으며 그 중 강섬유가 포함되지 않은 F3500 내화실험체를 대상으로 열전달해석 모델과 비 교하였다.

    해석 모델에서는 유로코드(EN 1992-1-2, 2004; EN 1993-1-2, 2005)에서 제시하고 있는 콘크리트와 강재의 열특성이 사용되었다. 또한, 고온에서 열전달 값은 화재에 노출된 면과 노출되지 않은 면의 대류열 전달계수는 각각 25 W/m2K와 10 W/m2K를 적용하 였으며, 복사 경계조건으로 강재의 방사율(ε)은 0.7, 콘크리트의 방사율(ε)은 0.8, 스테판-볼츠만 상수(ς)는 5.67×10-8W/m2K4로 적용하였다.

    Fig. 4는 열전달해석을 통한 각각 60분과 80분에 서 단면내 온도분포 결과를 나타내며, Fig. 5는 온도 가 측정된 지점(강재 표면, 콘크리트 코너, 리브, B/4 지점, 중앙부)에서 내화실험 단면내 온도분포 결과와 열전달해석결과의 비교를 나타낸다. 내화실험 결과에 서 무피복의 강섬유가 포함되지 않은 F3500 실험체는 79분에 내화실험이 종료되어 내화실험 단면내 온도분 포 결과는 79분까지 나타내고 열전달해석 결과는 80 분까지 나타내었다. 단면의 열전달해석 결과에서 시간 의 증가에 따라 강재는 화재에 직접적으로 노출된 강 재표면은 80분에 800℃ 이상 상승하였고, 중앙부를 중심으로 콘크리트 일부 부분이 100℃의 온도분포를 나타내었다.

    각 위치별 내화실험 단면내 온도분포 결과와 해석 결과의 비교에서 내화실험에서 열전대로 측정된 강재 표면의 온도는 같은 위치의 열전달해석결과에 비해 68℃ 정도 낮은 것을 확인할 수 있다. 리브와 콘크리 트 코너에서는 그 차이가 더 작고, 1/4 지점과 콘크리 트 중심부에서의 온도는 열전달해석 결과가 실험결과 보다 다소 높은 것을 확인할 수 있다. 내화실험체의 경우 화재노출과 함께 하중이 가력되면서 기둥의 팽 창으로 콘크리트 내부로의 온도전달이 지연된 것으로 판단된다.

    4. 잔존내력 분석을 위한 열전달해석

    4.1 열전달해석 계획

    검증된 해석 모델을 기초로 대형합성기둥에 대한 내 화해석을 수행하였다. 해석 단면은 1000mm∼1600mm 크기의 사각형 합성단면을 200mm 간격으로 철근 유 무를 포함하여 총 8개의 단면을 대상으로 하였으며, 대형합성기둥의 최외곽 강재의 하중분담비율을 36.4% 로 가정하여 부재의 크기에 따라 후판 및 코너 앵글 의 두께를 결정하였으며, 강재의 항복강도와 콘크리트 의 압축강도는 각각 315MPa과 50MPa로 가정하였다.

    Fig. 6은 열전달해석에 사용된 대형합성기둥 실험 체의 상세를 나타내고, Table 3은 열전달해석에 사용 된 해석단면의 크기 및 각각의 부재의 후판 및 코너 앵글의 크기와 철근 바의 크기와 개수를 나타낸다.

    열전달해석에서 각각의 단면은 가열로에서의 내화실 험과 같이 표준화재곡선(Fig. 7)이 적용되었으며, 부 재의 크기를 고려하여 3시간 이후의 단면 내 온도분 포에 대해 확인하였다.

    4.2 해석 결과

    Table 3에 제시된 8개 실험체에 대해 열전달해석을 수행하였다. 그 중 철근을 포함한 4개의 실험체에 대 해 3시간 표준화재 노출 후에 단면내 온도분포의 결 과를 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8에서 각각의 온도는 색의 구분에 따라 100℃ 간격을 나타낸다. 모든 실험 체에서 철근은 3시간 화재 노출 후에도 300℃ 미만을 유지하였고, 부재의 크기가 커짐에 따라 일반적인 기 둥과 달리 내부 콘크리트 온도분포는 사각 형태를 나 타내고 있다.

    4.3 화재시 잔존내력

    대형합성기둥에 대한 열전달해석 결과를 바탕으로 화 재시 잔존내력을 평가하기 위해 유로코드(EN 1992-1-2, 2004)에 제시되어 있는 500℃ 등온법(50 0℃ isotherm method)을 이용하였다. 500℃ 등온법은 콘크리트 구조물에 대해서 화재로 인해 손상 받은 구 역에 대해서 부재의 하중지지력을 감소된 단면으로 계산하는 방법이다. 이 방법의 적용에서 500℃를 초 과하는 콘크리트는 강도를 0으로 가정하고, 500℃미 만에 대해서는 상온 대비 100% 강도를 가지는 것으 로 가정한다.

    EN 1993-1-2에서는 고온에서 탄소강의 응력저감 계수를 이용하여 상온대비 항복 강도를 평가하고 있 으며, 1000℃에서는 4%, 1200에서는 0%의 상온대비 항복강도를 제시하고 있으나 본 연구에서 최외곽 강 재는 3시간의 표준화재 노출 후 모두 1000℃ 이상의 온도를 나타내어 내력을 모두 상실한 것으로 간주하 여 잔존면적에서 제외하였다.

    Fig. 9는 화재 노출 후 강도를 상실한 최외곽 강 재와 500℃ 이상의 콘크리트 온도를 제외한 단면의 면적비(화재 후 잔존면적(Acr)/전체 콘크리트 면적 (Aco))를 나타낸다. RMCC-1000-NN과 RMCC- 1200-NN 실험체는 각각 71.9%와 78.2%의 잔존면적 을 나타냈으며, RMCC-1400-NN과 RMCC-1600- NN 실 험체는 모두 80% 이상의 잔존면적을 나타냈다.

    Table 4는 상온에서 강재의 공칭하중(Ps), 콘크리 트 공칭하중(Pc), 전단면의 공칭하중(Po)과 함께 3시 간 화재노출 후 계산된 잔존내력을 나타낸다. RMCC-1000-NN 실험체에서 3시간 화재 후 대형합성 기둥이 받을 수 있는 잔존내력은 45.6%로 평가되었으 나, RMCC-1400-NN과 RMCC-1600-NN 실험체는 모 두 50% 이상의 잔존내력을 가지는 것으로 확인되었다.

    4.4 철근의 영향

    국내에서는 일반적으로 내화피복두께를 통해 부재의 내화성능을 확보하게 된다. 이러한 방법은 부재의 내 력은 상온시 강도를 그대로 유지하고 부재의 형상이 나 구조적인 요소의 고려없이 피복에 따라 그 내화성 능을 확보하게 된다. 따라서 앞서 수행한 잔존내력 평가방법을 통해 대형합성기둥의 철근 의 잔존내력 기여도를 확인하였다.

    Fig. 8에서 확인한 바와 같이 1m 이상의 폭을 가 지는 대형합성기둥에 적용되는 모든 철근은 300℃ 미 만을 유지하였고, EN 1992-1-2(2004)를 참고하여 철 근은 상온시 강도를 그대로 유지하는 것으로 계산하 였다. 이를 바탕으로 잔존내력을 비교한 결과는 Table 5와 같다. D32 철근이 포함되면서 3시간 화재 후 전체적인 잔존내력은 2.3∼2.6%까지 증가하였으나 최외곽 강재의 내력기여도는 36.4%에 훨씬 못 미치는 것을 확인할 수 있다.

    5. 결 론

    본 연구에서는 대형합성기둥을 대상으로 열전달 해석 을 통해 내화실험 결과와 비교 후 3시간 표준화재 노 출 이후의 잔존내력에 대해 평가하였다. 이를 바탕으 로 내린 결론은 다음과 같다.

    • 1) 무피복된 폭 300mm 각형 기둥을 대상으로 열 전달해석 검증을 수행하였다. 열전달해석 결과는 내화 실험에 비해 온도가 다소 높게 나타나는 경향이 있는 것을 확인할 수 있었다. 그럼에도 불구하고 복잡한 형상에 대한 열전달해석 결과는 대체적으로 유사한 경향을 나타내고 있다.

    • 2) 3시간 화재 후 대형합성기둥의 잔존내력은 유 로코드에서 적용하고 있는 500℃ 등온법을 이용해 계 산하였다. 외곽이 후판과 모서리 앵글로 둘러싸인 조 립식 냉간성형 합성기둥의 경우, 폭 1m 이상의 단면 을 가지면 3시간의 화재 노출에도 45% 이상의 잔존 내력을 나타낼 수 있으나 내화설계시 한국건축구조기 준 2016에서 제시하고 있는 돌발하중에 의한 하중조합 을 통해 화재시 잔존저항능력을 평가할 필요가 있다.

    • 3) 구조적인 관점에서 폭이 작은 합성기둥의 내부 에 철근의 보강은 화재시 부재의 내력향상에 기여할 수 있을 것으로 판단되나 대형합성기둥은 최외곽 강 재의 하중분담이 커서 콘크리트 강도의 증가나 이중 강관구조를 통해 화재시 내력을 증가시킬 필요가 있 을 것으로 판단된다.

    법규에서 규정하고 있는 3시간의 내화시간을 필요 로 하는 고층건물에 적용하는 대형합성기둥은 내화피 복재료의 선정 및 유지관리의 어려움으로 인해 무피 복 또는 피복량 저감을 위한 추가적 연구가 필요하며, 수평가열로를 이용한 실대형 대형합성기둥의 화재영 향에 대한 추가적 검증이 필요하다고 생각된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    이 논문은 국토부의 재원으로 국토교통과학기술진흥 원의 지원을 받아 수행된 연구사업임(과제번호 : 17TBIP-C111803-02).

    Figure

    KOSACS-9-54_F1.gif
    Plan and section of cold forming welded built-up square mega composite column
    KOSACS-9-54_F2.gif
    Location of thermocouples for columns
    KOSACS-9-54_F3.gif
    Details of specimen, vent holes and thermocouples (Kim et al., 2014)
    KOSACS-9-54_F4.gif
    Temperature distributions of numerical model
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    Temperature comparisons between experimental results and heat transfer analysis results
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    Specimen details
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    Standard time-temperature curve
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    Temperature distributions of mega composite columns after 3 hours fire exposures
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    Concrete area below 500℃

    Table

    Criteria of fire resistance for columns
    Previous research for concrete filled tube columns
    Specimen list
    Residual capacity of mega composite columns after 3 hours fire exposures
    Comparison of residual capacity for mega composite columns after 3 hours fire exposures

    Reference

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