강관과 콘크리트의 합성부재인 콘크리트충전 강관기둥은 다양한 연구에서 강관 내 콘크리트가 가지고 있는 축열효과로 인해 그 자체로 내화성능을 인정받고 있다. 그러나 국내 내화규정에서는 화재시 강관온도가 538℃ 이하가 되도록 규정하고 있으며 이를 위하여 강관 외부에 별도의 내화피복을 하도록 요구하고 있다.
그러나 2006년 건설교통부에서 관련 규정을 개정하며 “한국건설기술연구원장이 인정한 성능설계에 따라 내화구조의 성능을 검증한 구조로 된 것”에 대한 조항이 추가되어 콘크리트충전 강관기둥의 내화피복 제약 조건을 극복할 수 있는 방안이 마련되었다. 또한 2021년 개정 예정인 내화구조설계기준에서는 표준화재의 특정 조건 부재에 대하여 계산 또는 해석으로 성능기반내화설계가 가능토록 방안을 논의 중에 있다.
내화성능 검증을 위해서는 고급열전달해석을 이용하여 화재에 노출되는 콘크리트충전 강관기둥의 단면 내 온도분포를 산정하여야 하나, 고급열전달해석은 실무에서 사용하기 어려운 단점을 가지고 있다. 이에 특정화재 노출시간에서 간단히 구할 수 있는 Lawson and Newman의 산정과 최근 국내에서 Koo et al,(2013)이 개발한 유한요소해석을 기반한 예측식을 사용할 수 있다.
또한 국내 “내화구조의 성능기준”은 건축물의 층수 및 높이를 기준하여 12층(50m) 초과시 3시간의 내화성능 확보를 요구하고 있다. 무피복 상태에서 고층 건물에 대한 내화기준을 만족하기 위하여 콘크리트충전 강관기둥의 단면내 철근을 보강함으로써 성능을 향상시킬 수 있는 연구가 활발히 진행 중에 있다.
이에 본 논문에서는 앞선 2가지의 대표적인 온도분포산정식을 사용하여 콘크리트충전 강관기둥의 단면 내 온도를 예측하고, 실제 실험한 계측값과 비교하였으며, Eurocode 4: Part 1-2[6]의 내화설계법을 적용하여 내력을 평가하였다. 또한 일반적인 사무소 건물을 기준하여 무피복 상태의 콘크리트충전강관 기둥의 내화성능과 철근 보강비에 따른 콘크리트충전 강관 기둥의 화재시 내화성능을 알아보고 그 결론을 다음과 같이 도출하였다.

(1) 실험계측값을 LN1996, KLA2013의 예측값과 비교한 결과 LN1996, KLA2013, 실험계측값 순으로 단면 내 온도분포가 높았으며, 그에 따른 내력은 같은 순서로 감소하였다. 또한 단면의 크기와 상관없이 강관 내부에서 콘크리트 단면내 40mm 구간에서 온도가 급격히 낮아졌다.
(2) KLA2013의 예측값은 실험계측값과 80% 이상의 일치율을 보였으며, 초기화재시 일치율이 가장 높고, 화재시간이 길어질수록 실험계측값의 온도가 낮게 계측되어 KLA2013의 온도예측법을 적용하여 단면 내력을 평가할 경우 실제 화재시 내력보다 낮아 보수적으로 평가되었다.
(3) KLA2013을 적용한 400℃ 등온선 깊이를 분석한 결과 300mm, 400mm, 500mm 단면별로 60분일 때 18~16mm, 120분일 때 약 70mm, 180분일 때 163~173mm 위치임을 확인하였으나, 기둥의 휨모멘트와 피복두께를 고려하여 실질적인 철근 위치 선정에 대한 연구가 필요하다.
(4) 일반 사무소건물의 화재시 설계하중조합비 67%를 만족하는 무보강 콘크리트충전 강관기둥은 무보강, 무피복상태에서 강재비 5%일 때 단면폭 300mm은 90분의 내화성능을 확인하였고, 단면폭 400mm 에서는 각형강관의 경우 120분의 내화성능이 가능하였다. 그러나 전 단면에서 고층건물 내화 규정인 3시간 규정에는 도달하지 못하였다.
(5) 콘크리트충전 강관기둥의 콘크리트 단면 면적 1%~3%의 철근량을 보강할 때 내화성능 향상이 가능함을 확인하였다. 단면폭 400mm에서 2% 이상 철근 보강시 150분 이상, 단면폭 500mm에서 3%이상 철근 보강시 170분의 내화성능을 보여 고층 건물의 내화성능 기준에 근접하였다.

Concrete-filled steel tube, which are synthetic members of steel tubes and concrete, are recognized for their own fire resistance due to the thermal effect of concrete in steel tubes through various studies. However, fire, fire resistance regulations, Tube L538 ° C or lower the temperature set to become separate fire resistive covering outside the steel tube for, which is demanding to do.

However, the Ministry of Construction and Transportation revised the regulations in 2006 and added a clause on "the structure verified by the head of Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology recognized performance design" to overcome the fire-resistant cover constraints of concrete-filled steel tubes. In addition, the fire resistance design standards, which are scheduled to be revised in 2021, are discussing ways to enable performance-based fire resistance design by calculation or interpretation of the absence of specific conditions of standardized materials.

In order to verify the fire resistance performance, the temperature distribution of concrete-filled steel tube columns exposed to fire should be calculated using advanced heat transfer analysis, but advanced heat transfer analysis has disadvantages that are difficult to use in practice. Therefore, predictive expressions based on Lawson and Newman''s calculation, which can be easily obtained at a specific fire exposure time, and finite element analysis recently developed by Koo et al(2013) can be used in Korea.

In addition, the domestic "performance standard for fire-resistant structures" requires securing three hours of fire-resistant performance when exceeding 12 stories (50m) based on the number and height of floors of buildings. Research is actively underway to improve performance by reinforcing intra-sectional reinforcement of concrete-filled steel tube to satisfy fire resistance standards for high-rise buildings under no sheath.

In this study, the temperature in cross-section of concrete-filled steel tube was predicted using the preceding two representative temperature distribution equations and compared to the actual experimental measurements. And Eurocode 4: The refractory design method in Part 1-2[6] was applied to assess the history. Furthermore, based on general office buildings, we investigate the fire resistance performance of the covered concrete filled steel tube and the fire resistance performance of the concrete filled steel tube according to the reinforcement ratio and draw the following conclusions.


(1) Comparing the experimental measurements with the predicted values of LN1996 and KLA2013, the temperature distribution in the cross-section was high in order of experimental measurements, and the history was reduced in the same order. Furthermore, the temperature tends to drop sharply in the 400mm section within the concrete section within the steel tube, regardless of the size of the cross section.

(2) KLA2013 had the highest initialization matching rate, and the longer the fire time, the lower the temperature of the experimental value, which is conservatively evaluated lower than the actual fire resistance.

(3) As a result of analyzing the isothermal depth of 400℃ using KLA2013, it was confirmed that the location was 18~16mm for 60 minutes, about 70mm for 120 minutes, and 163~173mm for 180 minutes. However, it is necessary to study the actual location of the rebar.

(4) In the event of a fire in a general office building, reinforced concrete-filled steel tube satisfying 67% of the design load combination ratio was confirmed to have a 90 minute fire resistance performance in non-reinforced and uncovered steel ratio of 5%. However, the three-hour rule for fire resistance to high-rise buildings was not reached in all sections.
(5) It was confirmed that fire resistance performance can be improved when reinforcing the amount of reinforcement of concrete coss-sectional area of concrete filled steel tube by 1% to 3%. It was close to the standard of fire resistance performance of high-rise buildings by showing a fire resistance performance of 150 minutes or more for reinforcing bars with a section width of 400mm or more and at least 3% for reinforcing bars with a width of 3% or more