건축구조 분야에서는 새로운 구조시스템의 개발과 함께 기존 재료를 적절히 조합하여 과거에는 얻을 수 없었던 성능을 부여하려고 하는 움직임이 활발하다. 이러한 구조방식 중 콘크리트 충전강관 기둥은 강관의 구속효과에 의해 콘크리트의 압축내력 상승과, 콘크리트에 의한 강관의 국부좌굴 보강효과에 의해 부재내력이 상승하고 뛰어난 변형성능을 발휘한다. 하지만, 기둥단면이 커질 경우 합성효과를 발휘하기 위하여 스터드 볼트나 후 시공 앵커 볼트를 사용해야 하는 시공상의 문제점이 발생된다. 이를 극복함과 동시에 합성효과를 증대시키기 위한 방안으로 내부에 리브가 설치된 용접조립 기둥이 소개되었다. 리브와 콘크리트의 합성효과 증대로 고축력과 장경간을 요구하는 기둥부재에 활발히 적용되고 있다. 하지만 압축거동에 유리하게 작용되는 내부 리브는 순수 휨 상태에 발생되는 면내변형과, 가열상태에 발생되는 열 변형이 발생될 경우 오히려 내력저하의 원인이 되고 있다. 내부 리브는 콘크리트와 맞물려 있어 리브의 변형은 콘크리트의 균열을 촉진시키는 역할을 동반하게 된다. 이러한 잠재적인 문제에 대한 해결책은 강관 리브의 변형에 저항할 수 있도록 콘크리트 인성을 증가시킬 수 있는 방안이 필요하다. 언급된 두 가지의 문제점이 효과적으로 해결될 경우 용접조립 각형강관 기둥은 구조, 측면에서 안전성 확보가 가능하다고 판단된다.
본 연구에서는 해결방안으로 내부 콘크리트를 강섬유와 혼입하여 기둥자체의 연성과 인성을 증대시키는 것에 중점을 맞추고 있다. 즉, 강섬유 혼입량과 하중조건에 따른 내력 및 변형능력을 종합적으로 파악하여 강섬유 콘크리트와 용접조립각형 강관기둥의 상호작용을 구조, 내화측면에서 분석해 보고자 한다. 강섬유 소재의 기계적 특성을 파악하기 위해 강섬유 혼입율과 재령일에 따른 압축, 인장 그리고 휨 강도 소재시험을 수행하였다. 소재시험 결과를 선행연구와 비교 분석하여 압축과 인장강도 예측식을 제안 하였다. 강섬유 콘크리트를 충전한 용접조립 각형강관 기둥의 연구는 크게 구조와 내화로 구분될 수 있으며, 각 연구에서 주요 변수는 강섬유 혼입율과 경계조건이다. 구조안정성 평가를 위해 시험체는 총 10개로 편심 및 중심 압축실험을 실시하고 현행규준식과 비교 후 강섬유 혼입율에 따른 내력 및 변형성능을 분석하였다. 정량적 평가를 위해 유한요소 해석을 실시하고 본 실험과 선행연구 결과를 비교하여 적용성을 검증한 후, 강섬유 콘크리트와 내부 리브의 상호작용을 고려한 압축 및 휨강도 설계식을 제안하였다. 내화성능 평가를 위한 시험체는 총 8개로 하중비에 따른 재하가열 실험을 실시하고 화재 전후 거동과 열 변형 능력을 주요변수별로 분석하였다. 실험결과와 선행연구 비교를 통해 열 전달과 열응력 해석 모델의 신뢰성을 확보하였으며, 궁극적으로 강섬유 보강 콘크리트 충전 용접조립각형 강관 기둥의 내화설계를 위한 새로운 평가식과 성능표를 제안하였다.

이상과 같이 강섬유 보강 용접조립 각형강관 기둥의 구조 및 내화성능 실험과 해석을 통해 얻은 결론을 요약하면 다음과 같다.

(1) 강섬유 콘크리트 특성
강섬유 혼입율과 재령일에 따른 소재시험을 통해 강섬유 콘크리트의 특성을 분석한 결과, 강도 및 변형성능에 효과적인 향상 결과를 얻을 수 있었다. 강섬유 콘크리트의 적극적인 활용방안을 높이기 위해 압축과 인장강도 예측식을 제안하며 설계에 반영할 경우 경제적인 단면설계가 가능할 것으로 판단된다.

(2) SF-ACT기둥의 구조성능평가
상온 시 강섬유 콘크리트와 내부 리브의 상호작용에 의해 변형성능이 증가되고 최대내력 이후 연성적인 거동을 보인다. 또한 강섬유 혼입량 증가에 따라 휨내력 향상에 매우 효과적으로 발휘하였다. 즉 콘크리트 자체의 인성이 확보되어 내부 리브의 극한 변형에도 충분한 합성작용이 발휘된 결과로 보인다. 일반 콘크리트의 취성적 특성이 강섬유 콘크리트의 균열 후 인장강도 특성에 의해 보완된 것으로 판단되며, 단면형태상 구속효과까지 더해져 내력과 거동향상이 극대화된 것으로 판단된다.

(3) SF-ACT기둥의 내화성능 평가
동일한 형상과 경계조건(하중비)에서 강섬유 혼입으로 내화성능은 약 1.1~1.3배 향상된 실험결과를 얻을 수 있었다. 강섬유 콘크리트의 균열 억제 특성은 열 하중에 의한 콘크리트의 변형저항 성능을 증가 시키면서 내화성능의 향상을 가져온 것으로 판단된다. 또한, 내부 리브의 열 변형에도 내부 콘크리트 단면은 건전한 상태로 남아있어 하중 분담능력이 증폭된 결과로 분석됐다.

(4) 구조 및 내화설계 평가식 제안
강섬유 콘크리트 특성과 용접조립 각형강관 단면의 성질을 적극 반영한 구조 및 내화 평가식을 제안하며 적용범위는 제한적이지만, 후속 연구에 기초자료로 쓰이고자 한다.

The main focus in construction structure is to develop new structural system and coordinate construction materials in order to enhance the structural performance of buildings. CFT system has two major advantages. First, the confinement effect of steel tube improves the compressive strength of concrete. Second, the load capacity and deformation capacity of members are improved because concrete restrains local buckling of steel tube. It does, however, involve workability problem of using stud bolts or anchor bolts to provide composite effect for larger cross-sections.
In order to avoid the problem without compromising composite effect, welding built-up columns with interior ribs were developed. The enhanced composite effect between the ribs and the concrete contributes to the wide employment of the columns in long-span structures subject to high axial load. While the ribs inside the columns are desirable in terms of compressive behavior, they cause the deterioration in load capacity upon in-plane deformation resulting from flexure or thermal deformation. Since the ribs are directly connected with the concrete, the deformation of the ribs accelerates concrete cracking. Thus, it is required to improve the toughness of the concrete to resist the deformation of the ribs.
Welding built-up tubular square columns can secure safety in terms of structure and fire resistance if the two problems are solved. This study focuses on mixing steel fiber in the concrete to improve the ductility and toughness of the columns. The purpose of the study is to evaluate the load capacity and deformation capacity associated with the amount of steel fiber and loading condition and to analyze the interplay between the steel fiber reinforced concrete and the welding built-up square tube in terms of structure and fire resistance performance.
Material test was conducted to identify the compressive strength, tensile strength and bending strength of the steel fiber reinforced concrete associated with the volume fraction of the steel fiber and curing days of the concrete. The result of the material test was compared with previously conducted studies and the equations to estimate the compressive strength and tensile strength of the steel fiber reinforced concrete were suggested. The studies on welding built-up CFT square columns reinforced with steel fiber are categorized into structure and fire resistance. In both categories, major parameters are volume fraction and boundary condition.
In order to evaluate structural safety, 10 specimens were fabricated for eccentric and central compression test. The result from the test was compared with that from the equations in current codes. Then, the load capacity and deformation capacity associated with the volume fraction of the steel fiber were analyzed. For quantitative evaluation, finite element analysis was conducted. The result was compared with that obtained from previous study to verify its applicability. Finally, design equations for compressive strength and bending strength were suggested which included the interplay between the steel fiber reinforced concrete and interior ribs.
In order to evaluate fire resistance performance, loaded heating test was conducted with 8 specimens. The behavior and thermal deformation capacity of the specimens were analyzed for major variables including load ratio. The reliability of heat transfer and thermal stress analysis model was verified through the comparison of the results between the test and previous study. Finally, evaluation equations and performance tables to be used for the fire resistance design of the welding built-up CFT columns reinforced with steel fiber were suggested.
The followings are the conclusion drawn from the test and analysis conducted to evaluate the structural performance and fire resistance performance of the welding built-up CFT square columns reinforced with steel fiber.

(1) Characteristics of the concrete reinforced with steel fiber
Material test was conducted to identify the material properties of the steel fiber reinforced concrete having different volume fractions and curing days. The result was analyzed to show that the strength and deformation capacity of the concrete were improved. The equations to estimate the compressive strength and tensile strength of the concrete reinforced with steel fiber are as follows. They are expected to enable cost-effective design of cross-sections.
(2) Structural performance of SF-ACT columns
The main role of the interplay between the steel fiber reinforced concrete and interior ribs at normal temperatures was to improve deformation capacity and enable greatly ductile behavior after maximum load capacity. In addition, the increase in volume fraction of steel fiber resulted in the improvement in bending strength. Concrete toughness was enhanced enough to generate composite effect in spite of severe deformation of the interior ribs. It is deemed that the tensile strength of the steel fiber reinforced concrete compensated for the brittle nature of plain concrete after cracking and the confinement effect which benefited from the shape of cross-sections improved the load capacity and behavior of the columns further.

(3) Fire resistance performance of SF-ACT columns
Reinforcement of concrete with steel fiber, when cross-section shape and boundary condition (load ratio) remained unchanged, improved fire resistance performance by 1.1~1.3 times. It is deemed that the area resisting thermal load increased and fire resistance performance was improved since the concrete reinforced with steel fiber restrained cracking. In addition, the fact that the cross-sections of the concrete were barely damaged indicates that load share capacity was greatly improved.

(4) Suggestion of equations
The following equations suggested in this study include the properties of the concrete reinforced with steel fiber and the shape of cross-section of the welding built-up square column. While the scope of their application is limited, the equations can be used in follow-up studies.