용접각형 CFT기둥의 구조성능 평가모델 및 내화성능 연구 = A Structural Performance Evaluation Model and the Fire Resistance Performance of Built-up Square CFT Columns

국문 초록 (Abstract)

본 연구에서는 용접각형 CFT기둥의 성능향상을 위하여 내부 전단연결 재가 구조성능에 미치는 영향을 평가하였고, 제작비용 절감을 위하여 부분용입그루브용접(PJP)이 구조성능 및 내진성능에 미치는 영향을 평가하 였다. 또한 화재 이후 재사용의 기초 데이터 마련을 위하여 용접각형 CFT기둥의 내화성능 및 화재 이후 구조성능을 평가하였다.
연구 결과를 종합하면, 전단연결재를 부착한 용접각형 CFT기둥은 부분 용입그루브용접으로 제작하면 경제적이나, 유효목두께를 고려하여 외다이 아프램을 설계해야 한다. 또한 용접각형 CFT기둥에 내화페인트를 도포하여 내화성능을 확보하면 화재 이후 구조성능은 설계기준강도를 적용한 공칭압축강도를 발휘하는 것으로 확인되었다. 각 장별 결론은 다음과 같다.
1) 전단연결재 형상에 따른 용접각형 CFT기둥의 구조성능을 평가하였다.
전단연결재 Push-out 실험결과, 철근과 플레이트를 이용한 전단연결재의 내력은 직접지압강도로 평가하면 적합하며, 스터드앵커와 동등 이상의 전단성능을 발휘하였다. 전단연결재 CFT기둥의 압축강도실험 결과, 수직철근 및 수평철근이 각형강관과 콘크리트를 일체화하여 내력증가에 영향을 미친 것으로 판단된다.
2) 용접각형 CFT기둥의 용접상세에 따른 구조성능을 평가하였다. 용접각형 CFT기둥의 압축강도실험 결과, 용접상세가 1/2 부분용입그루브용접 (1/2 PJP)인 경우 완전용입그루브용접(CJP)과 동등한 강도를 발휘하였다. 따라서 부분용입그루브용접으로 제작한 용접각형 CFT기둥의 공칭압축강도는 KBC 2016 및 KDS 41 31 00의 설계식을 적용할 수 있다.
3) 용접각형 CFT기둥과 외다이아프램 접합부의 인장실험 결과, 기둥 용접상세가 부분용입그루브용접(PJP)인 경우, 외다이아프램의 공칭강도는 부분용입그루브용접의 유효목두께()를 고려한 제안식으로 산정하면 정확하며, 외다이아프램이 보 플랜지와 이루는 각도()를 고려한 제안식은 공칭강도를 합리적으로 평가할 수 있다.
4) 외다이아프램의 설계는 외다이아프램의 공칭강도가 보 플랜지의 내력과 같도록 외다이아프램의 폭 및 두께를 결정한다. 기존식(기둥 용접 상세 CJP에 적용) 또는 부분용입그루브용접의 유효목두께를 고려한 제안식(기둥 용접상세 PJP에 적용)으로 외다이아프램의 공칭강도를 산정하면 안전율을 높게 설계할 수 있다. 또한 외다이아프램이 보 플랜 지와 이루는 각도를 고려한 제안식은 경제적인 설계가 가능하다.
5) CFT 및 SRC기둥-합성보 접합부의 내진성능을 평가하였다. 모두 합성중간모멘트골조의 내진성능을 발휘하며, 반응수정계수 R=5 적용이 가능하다. 외다이아프램의 공칭강도를 적용하여 산정한 브라켓의 소성휨모멘트는 실험결과를 잘 반영하였다. 또한 CFT기둥 실험체와 SRC기둥 실험체의 평균강성 차이는 크지 않으나, 에너지소산능력은 CFT기둥 실험체가 더 높게 나타났다.
6) 용접각형 CFT기둥의 내화성능 및 화재 이후 구조성능을 평가하였다.
내화페인트를 1.7 mm 두께로 도포한 경우 2시간 내화성능기준을 만족 하였다. 또한 내화성능을 확보하면 화재 시 강재의 평균온도는 500 ℃ 정도가 되며, 화재 이후 구조성능은 크게 저하되지 않고 설계기준강도를 적용한 공칭압축강도를 발휘하는 것으로 확인되었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study evaluated the structural performance of the concrete filled steel tube (CFT) columns with shear connectors and the structural and seismic performance of the CFT columns made of partial joint penetration groove welding (PJP). The evaluation of the fire resistance and post-fire structural performance was also conducted.
The test results indicated that the CFT columns made of PJP will be efficient. However, the external diaphragms should be designed in consideration of the effective throat thickness. The post-fire structural performance of the CFT columns was confirmed to have above the nominal compressive strength based on the specified design strength of materials when the CFT columns with the fireproof paint have fire resistance performance. The conclusions of each chapter are as follows.
1) The structural performance of the CFT columns with shear connectors was evaluated. In the results of the Push-out tests, the strength of the shear connectors with rebars or plates will be able to be calculated with bearing strength and have above the shear strength of the stud anchor. In the results of the compression tests of the CFT columns with shear connectors, the shear connectors with rebars make concrete and steel combine and it affected the experimental maximum load increase of the CFT columns.
2) The structural performance of the CFT columns on welding details was evaluated. The results of the compression tests indicated that the CFT columns made of 1/2 PJP can similarly have the strength of the CFT columns made of complete joint penetration groove weld (CJP).
Thus, the CFT columns made of PJP can be used in the current CFT design formula.
3) In the results of the tensile tests of the external diaphragm joints with the CFT columns, the nominal strength of the external diaphragms can be evaluated accurately with proposed formula that has effective throat thickness of PJP. Also, the other proposed formula that has effective throat thickness of PJP and angle of the external diaphragms can evaluate nominal strength reasonably.
4) The test results indicated that it will be possible that the external diaphragms can be safely designed on the proposed formula, and efficiently designed on the other proposed formula.
5) The seismic performance of the connections of composite beam-to-columns(CFT or steel reinforced concrete, SRC) was evaluated. All of specimens had seismic performance of composite intermediate moment frame and response modification factor(R) can have 5. The plastic bending moment of the bracket based on nominal strength of the external diaphragms will fit in the test results. Energy dissipation capacity of the connections(CFT) was higher than the others(SRC).
6) The fire resistance and post-fire structural performance of the CFT columns were evaluated. The 2 hours-fire resistance performance was secured when the fireproof paint thickness was 1.7 mm. The post-fire structural performance was confirmed to have above the nominal compressive strength based on the specified design strength of materials when the CFT columns have fire resistance performance.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 제1절 연구배경 1
• 제2절 연구의 필요성 및 목적 3
• 제2장 전단연결재 형상에 따른 용접각형 CFT기둥의 구조성능평가 10
• 제1절 개요 10
• 제2절 전단연결재의 전단성능평가 11
• 제3절 전단연결재 CFT기둥의 압축강도평가 28
• 제4절 소결 43
• 제3장 용접각형 CFT기둥의 용접상세에 따른 구조성능평가 44
• 제1절 개요 44
• 제2절 용접각형 CFT기둥의 압축강도평가 45
• 제3절 용접각형 CFT기둥과 외다이아프램 접합부의 구조성능평가 57
• 제4절 외다이아프램 접합부의 구조성능 평가모델 개발 76
• 제5절 용접부 매크로시험 87
• 제6절 소결 90
• 제4장 합성기둥-합성보 접합부의 내진성능평가 92
• 제1절 개요 92
• 제2절 반복가력실험 계획 93
• 제3절 실험 결과 104
• 제4절 내진성능평가 117
• 제5절 소결 136
• 제5장 용접각형 CFT기둥의 내화성능 및 화재 이후 구조성능평가 137
• 제1절 개요 137
• 제2절 실험체 계획 140
• 제3절 용접각형 CFT기둥의 내화성능평가 142
• 제4절 화재 이후 구조성능평가 151
• 제5절 소결 159
• 제6장 결론 160
• 참고문헌 162
• 발표논문 168
• ABSTRACT 173