Strength of Steel Column Subjected to Thermal Gradient Loading under Fire

Abstract

When steel column is exposed to compartment fire, the thermal gradient across the cross-section occurs for several reasons, such as non-homogeneous fire properties, thermal separation by firewall, or loss of fire protection due to aging. The column with thermal gradient bends toward hotter side due to uneven thermal expansion, called thermal bowing, while the center of stiffness shifts from the geometric centroid to cooler side. These phenomena cause load eccentricity, which have negative effects on the performance of the column. Current design standards do not provide specific methods to account for the impact of thermal gradients. In this study, heat transfer analysis was conducted for five different heating conditions, which assume realistic fire situation, and the thermal gradient patterns in H-shape steel section were analyzed. It was shown that the thermal gradient patterns can be classified into three types: high-temperature dominant, linear, and low-temperature dominant types. Based on the heat transfer analysis, a simple equation for predicting the eccentricity with maximum and minimum temperatures is proposed. For each heating condition, structural finite element analysis of columns with various load ratios are performed. As a result, despite lower average and maximum temperatures of thermal gradient, the fire resistance ratings (FRR) may be shorter due to the steep thermal gradient. P-M interaction between the compressive force and the bending moment according to the eccentricity due to the thermal gradient was proposed, and the strength of the column with the thermal gradient was predicted as safe compared to the existing design equation.

건축물에 화재가 발생할 경우 화재 자체의 비균질성 뿐만 아니라, 방화구획 등으로 인한 열 유입 제한, 노후화로 인한 내화 피복재 부분 탈락 등 다양한 원인으로 인해 기둥 단면 내에 온도 구배가 발생하게 된다. 이러한 온도 구배는 불균일한 열팽창으로 인해 기둥이 휘는 열굽힘 현상과 단면의 도심과 일치하던 강성 중심이 온도 구배 형성에 따라 이동하는 현상을 유발한다. 이로 인해 기둥에 편심이 발생하여 기둥의 내화 성능 뿐만 아니라 강도를 떨어뜨릴 수 있다. 현행 설계 기준에서는 온도 구배로 인한 영향을 고려하는 구체적인 설계 방안에 대해 제시하고 있지 않다. 본 연구에서는 실제 화재 상황을 가정한 다섯가지 가열조건에 대해 열전달 해석을 수행하고 H형강 기둥 단면 내 발생하는 온도 구배 패턴을 분석하였다. 그 결과, 온도 구배 패턴을 크게 고온지배적, 직선형, 저온지배적 등 세가지 유형으로 분류할 수 있었고, 이를 바탕으로 단면 내 최고 온도와 최저온도가 주어졌을 때 편심 발생량을 예측할 수 있는 간단 계산식을 제안했다. 한편, 화재로 인한 편심이 기둥 강도에 미치는 영향을 확인하고자 다양한 하중비를 받는 기둥에 대해 재하 가열 해석을 수행했다. 그 결과, 단면 내 평균온도와 최고온도가 더 낮음에도 불구하고 급격한 온도 구배로 인해 내화 성능 시간이 더 짧을 수도 있음을 확인했다. 기둥 압축력과 온도 구배 편심에 따른 휨 모멘트 사이의 P-M 상관 관계를 제안하였으며, 기존 설계 기준에 비해 온도 구배가 있는 기둥의 강도를 보수적으로 잘 예측하였다.