고강도 H형강 기둥의 세장비와 화재시간에 따른 화재 후 지진거동 :Post-Fire Earthquake Behavior due to Slenderness and Fire Time of High Strength H-Shape Columns after Fire Damage

황선웅

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자료유형: 학위논문

저자정보: 황선웅 (경기대학교, 경기대학교 대학원)

지도교수: 최병정

발행연도: 2022

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이용수30

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2022

고강도 H형강 기둥의 세장비와 화재시간에 따른 화재 후 지진거동

황선웅 건축공 2022.01 학위논문

2021

고강도 H형강 기둥의 세장비 변화에 따른 화재 후 지진거동

황선웅 , 최병정 한국산학기술학회 논문지 2021.11 학술저널

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본 연구는 고강도 H형강 기둥의 화재 후 내진성능 예측을 위한 기초자료로 활용하고자,기존연구(Choi et al.,2013;Chen et al.,2014)의 실험값을 바탕으로 유한요소해석 해석방법을 검증하였으며,검증된 유한요소해석 해석방법을 통해 다변수 해석(parametric study)을 수행한 연구이다.
강구조 건축물은 높은 강도와 연성을 가지고 있어 고층 및 대형건축물에 주로 사용된다.하지만 강재는 400℃ 이상의 온도에 도달하면 급격하게 강도가 감소하며,냉각 후에도 100% 강도가 회복되지 않는다.특히 화재 피해를 입은 고강도 H형강 기둥은 급격한 좌굴거동이 발생할 수 있어 화재 후 내진성능을 파악하는 것은 상당히 중요하다.
국내·외 기준은 화재 시 기둥의 내화성능에 대해서만 제시하고 있다. 이처럼화재 후 기둥의 잔존성능에 대해서는 고려하고 있지 않다.또한 기존 화재 후 지진연구는 철근콘크리트(reinforced concrete,RC),철골철근콘크리트(steel reinforced concrete,SRC)기둥에 대해서만 진행되고 있다.따라서 화재 후 강재기둥의 내진성능을 확인하는 것은 매우 중요하다.
본 연구에서는 기존 화재 및 지진연구(Choi et al.,2013;Chen et al.,2014)의 실험값을 바탕으로 유한요소해석 해석방법 검증을 수행하였으며,검증된 모델링을 통해 세장비(20.8,52.2,66.6,104.2)와 화재시간(0,30,60분)을 변수로 두어 총 12가지 열-구조(화재 후 지진)해석을 수행하였다.
기둥의 내진설계는 대변형을 가능하게 하는 고연성 특성 및 지진에너지를 소비하는 능력인 에너지소산능력을 높게 요구한다.따라서,해석결과로부터 도출된 하중-변위특성을 이용하여 에너지소산능력 및 연성계수를 산정하였다.또한,기둥의 변위,연성 및 구조물 내력분포 추정에 영향을 미치는 초기강성과 기둥의 내력을 파악할 수 있는 지표인 최대 횡하중을 도출하여 화재피해를 입은 고강도 H형강 기둥의 잔존내진성능을 분석하였다.
최대 횡하중,연성계수,누적소산에너지,초기강성은 화재시간과 세장비가 증가할수록 감소하는 것을 확인할 수 있었으며,화재시간보다 세장비에 대한 영향을 더 크게 받는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 화재 후 지진시 기둥부재에 대해서만 연구를 수행하였다.하지만,화재 후 지진시 골조의 거동은 단일 부재의 거동과는 달리 복합적인 구조거동(소성 힌지)이 예상된다.따라서 추후에 화재 후 지진에 따른 강구조 골조에 대한 연구가 필요하다.

This study verified the finite element analysis modeling based on the experimental values of previous studies,and performed parametric analysis through the verified modeling.The results of this study are expected to be used as the data for predicting seismic performance of repaired and reinforced high-strength H-section columns.
Since steel-structures buildings have high ductility and load bearing capacity,their seismic performance is excellent, and they are widely used as high-rise and large buildings in main seismic zones.In a fire situation at 400℃ or more,the strength and stiffness of steel structures are sharply deteriorated,and it is known that high-strength steel materials fail to recover 100% when they are cooled off after heated at 500℃ or more.Therefore,it is essential to validate whether the building secures seismic performance after post-fire repair and reinforcement.
In conventional standards(EN1993-1-2,AISC360-16,and KDS 14 31 50),there is no suggestion of performance of post-fire columns.Previous post-fire seismic studies are being conducted only on reinforced concrete(RC) and steel reinforced concrete(SRC) columns.Therefore,it is very important to validate the seismic performance of steel columns after at fire.
In this study, the finite element analysis program ANSYS (2021 R1) was employed to conduct an analysis on the basis of the test results in the earthquake research (Chen et al.,2014) and fire research (Choi et al.,2013).The test results were compared with the analysis results so that heat transfer and structural analysis modeling was validated.Through the validated modeling, fire exposure time(0,30,60min) and slenderness ratio(20.8,52.2,66.6,104.2) were set as variables. In thermal-structural analysis, a comparative analysis was conducted in terms of load-displacement hysteresis curve,maximum lateral force,ductility,energy dissipation capacity,and initial stiffness.Based on them(load-displacement hysteresis curve,strength ratio,ductility,energy dissipation capacity,and initial stiffness),the remaining seismic performance of post-fire high-strength H-section columns was analyzed.
In a post-fire earthquake situation, maximum lateral force,ductility,cumulative dissipate energy, initial stiffness was influenced more by a slenderness ratio than by a heating time.
In this study,the study was conducted only on columns members during earthquakes after fire.However,complex structural behavior(plastic hinge) is expected,unlike the behavior of single members,for the behavior of the frame during earthquake after fire.It is necessary to study the structural steel structure according to the earthquake after fire.

#고강도 H형강 기둥 #화재 후 지진 #세장비 #화재시간 #유한요소해석

제 1 장 서 론 1
1.1. 연구 배경 및 필요성 1
1.2. 연구내용 및 범위 3
1.3. 연구방법 4
1.4. 기존 연구동향 7
1.4.1 화재 시 강재기둥의 내화성능 7
1.4.2 화재 후 강재기둥의 하중지지력 10
1.4.3 화재 후 기둥의 잔존내진성능 11
제 2 장 국내·외 기둥 내화설계 기준 13
2.1. 국내 기둥 내화설계 13
2.2. 국외 기둥 내화설계 16
2.2.1 Eurocode3 16
2.2.2 AISC360-16 21
제 3 장 유한요소해석 23
3.1. 유한요소해석 검증개요 23
3.2. 기존연구 분석 24
3.2.1 기존 화재연구 분석(Choi et al.,2013) 24
3.2.2 기존 지진연구 분석(Chen et al.,2014) 28
3.3. 재료 특성 31
3.3.1 온도에 따른 재료의 열적 특성 31
3.3.2 온도에 따른 재료의 역학적 특성 34
3.4. 유한요소해석 모델링 38
3.5. 유한요소해석 방법 42
3.5.1 열전달해석 42
3.5.2 구조(지진)해석 44
3.6. 기존화재 및 지진실험의 해석적 비교분석 46
3.6.1 열전달해석 검증 46
3.6.2 구조(지진)해석 검증 48
제 4 장 화재 후 기둥 지진해석 52
4.1. 화재 후 기둥 지진해석 개요 52
4.2. 변수 설정 54
4.3. 해석 조건 57
4.4. 기둥의 온도분포 58
4.5. 하중-변위 특성 61
4.5.1 최대 횡하중(maximum lateral force) 61
4.5.2 연성계수(ductility factor) 73
4.5.3 에너지소산능력(energy dissipation capacity) 78
4.5.4 초기강성(initial stiffness) 82
제 5 장 결 론 85
참고문헌 87
부 록 94
Abstract 110

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