축력비에 따른 매입형 합성기둥의 내화성능 연구 :A Study on the Fire Resistance of Steel-Reinforced Concrete Column in Fire according to Axial Force Ratio

김예솜

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김예솜 (경기대학교, 경기대학교 대학원)

지도교수: 최병정

발행연도: 2020

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2020

축력비에 따른 매입형 합성기둥의 내화성능 연구

김예솜 건축공학과 2020.01 학위논문

화재시 축력비에 따른 매입형 합성기둥의 내화성능에 대한 해석적 연구

김예솜 , 최병정 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 2020.01 학술저널

2019

하중비에 따른 화재시 매입형 합성기둥의 내화성능에 관한 실험적 연구

김예솜 , 최병정 한국강구조학회 논문집 2019.12 학술저널

화재 시 온도에 따른 합성기둥 내화성능에 관한 연구

김예솜 , 최병정 , 강철규 외 1명 한국강구조학회 학술대회 발표집 2019.05 학술대회자료

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본 연구에서는 매입형 합성기둥의 높은 축력비에 따른 내화성능 및 거동을 확인하고, 설계조건에 따른 제한 축력비 설정을 위한 기초자료를 축적하고자 재하가열실험 및 유한요소해석을 실시하였다. 1) 축력비 0.7, 0.6, 0.5에 따라 재하가열을 실시하여 화재시간에 따른 온도분포 및 내화성능을 확인하였다. 2) 그리고 유한요소해석 프로그램(ANSYS)를 이용하여 과도열전달해석을 실시해 온도분포를 확인한 후, 정적구조해석 실시해 축력비에 따른 내화시간을 확인하였다. 3) 또한, 기준(Eurocode, AISC)에 따라 화재시 공칭압축강도를 산정하여, 실험 및 해석결과와 비교 분석하였다.
재하가열실험 결과, 축력비 0.7에서 38분, 0.6에서 110분, 0.5에서 180분 이상의 내화시간이 도출되었다. 파괴 시 급격한 압축변위가 발생하여 파괴된 것을 알 수 있었고, 축력비 0.7, 0.6에서 콘크리트 피복탈락으로 인한 급격한 온도상승이 발생하였다.
유한요소해석은 실험과정과 동일하게 진행되었다. 시간에 따른 온도분포를 확인하고자 과도열전달해석을 실시해 화재시간 180분까지의 온도를 확인하였고, 도출된 온도분포를 정적구조해석에 온도하중으로 적용시켜 해석을 실시하였다. 유한요소해석결과, 축력비 0.7에서 60분, 0.6에서 150분, 0.5에서 180분 이상의 내화시간이 도출되었다. 축력비 0.5에서는 실험결과와 유사한 결과가 도출되었지만, 축력비 0.7, 0.6에서는 실험결과에 비해 다소 높은 값이 도출된 것을 알 수 있다.
또한 기준(Eurocode, AISC)에 따라 화재시간에 따른 단면온도를 도출하고, 온도에 따른 강도감소계수를 적용하여 화재시 공칭압축강도를 산정하였다. 그리고 상온에서의 공칭압축강도와 비교하여 축력비 형태로 나타냈다. 산정결과 Eurocode와 AISC 기준 각각 축력비 0.7에서 52분, 55분 0.6에서 87분, 96분이 도출되었고, 0.5에서 145분, 167분의 내화시간이 도출되었다. 축력비 0.6와 0.5에서는 기준(Eurocode, AISC)에 따른 내화시간이 실험결과와 비교해 다소 낮게 도출된 것을 알 수 있고, 축력비 0.7에서는 기준(Eurocode, AISC)이 실험결과보다 높게 도출된 것을 확인하였다. 이에 따라 단면 400 mm×400 mm에서의 매입형 합성기둥의 내화시간 도출 시, 축력비 0.6이상에서 높은 축력비에 대한 보다 많은 실험을 통한 고려가 필요할 것으로 판단된다.

In this study, fire heating test and finite element analysis were conducted to confirm the fire resistance performance and behavior of the steel-reinforced concrete column according to the high axial force ratio and to accumulate the basic data for setting the limited axial force ratio according to the design conditions. 1) Loading heating experiment was carried out according to the axial force ratio 0.7, 0.6, 0.5 to confirm the temperature according to the heating time distribution and fire resistance performance. 2) Then, using the finite element analysis program(ANSYS), transient heat transfer analysis was conducted to confirm the temperature distribution, and then static structural analysis was conducted to confirm the fire resistance time according to the axial force ratio. 3) In addition, the nominal compressive strength in fire was calculated according to the standard(Eurocode, AISC) and compared with the test and analysis results.
Loading test results, fire resistance time of 38 minutes, 0.7 to 110 minutes, and 0.5 to 180 minutes was obtained. It was found that the fracture occurred due to the sudden axial displacement, and the sudden temperature rise occurred due to the concrete cover drop at the axial force ratios of 0.7 and 0.6.
Finite element analysis was performed in the same way as the experimental procedure. To confirm the temperature distribution over time, transient heat transfer analysis was conducted to confirm the temperature up to 180 minutes of fire time, and applied to the static structural analysis as the temperature load. As a result of finite element analysis, the fire resistance time was axial force ratio 0.7 to 60 minutes, 0.6 to 150 minutes, and 0.5 to 180 minutes. Similar results were obtained at the axial force ratio of 0.5, but a slightly higher value was obtained at the axial ratios of 0.7 and 0.6.
In addition, the cross-section temperature according to the fire time was derived according to the standard(Eurocode, AISC), and the nominal compressive strength in the fire was calculated by applying the strength reduction factor according to the temperature. And compared with the nominal compressive strength at room temperature. As a result, the axial load ratios of 0.7 to 52 minutes, 55 minutes, 0.6 to 87 minutes, and 96 minutes were derived, and 0.5 to 145 minutes and 167 minutes, respectively. It was confirmed that the fire resistance time according to the standard (Eurocode, AISC) was slightly lower than the experimental results at the force ratios 0.6 and 0.5, and the standard (Eurocode, AISC) was derived higher than the experimental results at the force ratio 0.7. Therefore, it is necessary to consider more experiments on high axial force ratio at axial force ratio of 0.6 or more when deriving the fire resistance time of steel-reinforced concrete columns at 400mm × 400mm cross section.

#축력비 #화재시간 #매입형 합성기둥 #유한요소해석

제 1 장 서 론 1
1.1. 연구의 배경 및 목적 1
1.2. 연구방법 4
1.3. 기존 연구동향 6
제 2 장 매입형 합성기둥의 내화설계 9
2.1. 국내기준 9
2.2. 국외기준(Eurocode) 12
2.2.1. 설계(Tabulated data) 15
2.2.2. 간단한 계산식을 통한 설계 (Simple calculation models) 16
2.2.3. 상세설계법(Advanced calculation models) 17
제 3 장 화재시 합성기둥의 공칭압축강도 산정 18
3.1. Eurocode 4(EN 1994-1-2) 20
3.2. AISC 360-16 22
3.3. 기준별 비교 23
3.3.1. 화재시간에 따른 재료의 강도 감소 23
3.3.2. 기준별 비교 28
제 4 장 축력비를 고려한 유한요소해석 30
4.1. 해석개요 30
4.1.1. 열전달해석 개요 31
4.1.2. 구조해석 개요 32
4.2. 유한요소해석 방법 33
4.2.1. 해석방법 33
4.2.2. 모델링(Modeling) 36
4.2.3. 온도에 따른 재료물성 38
4.3. 해석결과 51
4.3.1. 화재시간에 따른 온도 51
4.3.2. 화재시간에 따른 변형량 53
제 5 장 매입형 합성기둥의 재하가열실험 55
5.1. 실험개요 및 방법 55
5.2. 실험결과 59
5.2.1. 화재시간에 따른 온도 59
5.2.2. 화재시간에 따른 변형량 63
제 6 장 비교 및 분석 67
6.1. 화재시간에 따른 매입형 합성기둥의 온도 67
6.2. 화재시간에 따른 매입형 합성기둥의 축변형량 71
6.3. 축력비에 따른 매입형 합성기둥의 내화성능 73
제 7 장 결 론 75
참고문헌 77
Abstract 82

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