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균일모멘트를 받는 계단식 I형보의 비탄성 횡-비틀림 좌굴에 관한 연구
A Study on Inelastic Lateral-Torsional Buckling of Stepped I-Beams Subjected to Pure Bending 원문보기

韓國鋼構造學會 論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.20 no.2 = no.93, 2008년, pp.237 - 246  

김종민 (고려대학교 건축사회환경공학과) ,  김승준 (고려대학교 건축사회환경공학과) ,  박종섭 (상명대학교 토목환경공학부) ,  강영종 (고려대학교 건축사회환경공학과)

초록
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연속경간을 가지는 I형강 교량은 내부 지점근처에서 상대적으로 큰 부모멘트가 발생하게 되는데, 이에 경제적인 단면 활용을 위하여 내부 지점부위의 상부 및 하부플랜지에 플레이트를 보강한 변단면을 사용하고 있다. 본 연구에서는 기존 탄성 횡-비틀림 좌굴식에 관한 연구를 토대로 하여 비탄성 구간에 있는 계단식 I형보의 횡-비틀림 좌굴강도를 범용구조해석프로그램 ABAQUS(2006)를 이용하여 산정하고, 간편한 설계식을 제안하고 있다. 유한요소해석에는 4절점 쉘요소인 S4R이 사용되었고, 국내외에서 많이 사용되는 I형강 단면(${W36{\times}160}$)을 대상으로 하였다. 양단 및 한쪽 끝단에 계단식 단면을 가지는 보에 대해서 고려하였으며, 플랜지 길이방향 비, 너비방향 비, 두께의 비로 계단식 I형보를 나타내었다. 해석에 사용된 매개변수는 각각 27가지 및 36가지 조합이고, 하중조건으로 보의 순수굽힘이 발생하는 균일모멘트를 적용시켰으며, 비탄성 구간범위 내에 있는 비지지 길이에 대하여 구조해석을 수행하였다. 비탄성 횡-비틀림 거동을 보기 위하여 잔류응력 및 초기결함을 고려한 비선형해석을 실시하였는데, Pi(1995)등이 고려한 잔류응력의 형상과 국내 I형강 표준 치수 허용치에 근거하여 부재 길이의 0.1%를 초기제작오차로 고려하였다. 본 연구 결과는 다양한 형식의 I형보가 사용되는 빌딩 및 교량의 경제적이고 합리적인 설계의 근간을 제공해 줄 것이며, 향후 다양한 하중 조건을 가지는 양단 또는 일단 계단식 단면 변화보의 비탄성 횡-비틀림 좌굴강도를 계산할 수 있는 설계식 개발에 적극 활용 될 수 있을 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The cross-sections of continuous multi-span beams sometimes suddenly increase, or become stepped, at the interior supports of continuous beams to resist high negative moments. The three-dimensional finite-element program ABAQUS (2006) was used to analytically investigate the inelastic lateral-torsio...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 교량 예제를 통해 본 논문에서 제안된 설계식의 적용성을 검토하여 설계식의 간편성 및 유용성을 살펴보고자 한다. 그림 14는 I형보를 사용한 3경간 연속 강합성 교량을 단순화하여 나타내고 있으며, 내부지점부에는 크기가 큰 단면을 사용하여 계단식 단면변화를 보이는 교량이다.
  • 본 연구에서는 미국의 AISC-LRFD 시방서(2004)의 설계 비탄성 횡-비틀림 좌굴강도 계산식과 기존 계단식 단면 변화 보의 연구결과를 토대로 하여 비탄성 구간에 있는 I형 스텝보의 횡-비틀림 좌굴강도를 유한요소해석 프로그램을 통하여 산정하고, 실무에서 손쉽게 적용 가능한 간편 설계식을 개발 . 제안하고자 한다.
  • 본 연구에서는 연속경간을 가지는 강합성 교량의 경제적인 단면활용을 위해 계단식 변단면이 사용된 I형보의 비탄성 횡빈틀림 좌굴강도 산정에 대해 연구를 수행하였다. 범용구조해석프로그램 ABAQUS(2006)를 통하여 균일모멘트를 받는 단순보의 양 끝단과 한쪽 끝단이 계단식 단면 변화를 가지는 양단 스텝보와 일단 스텝보의 비탄성 횡-비틀림 좌굴모멘트의 설계식을 제안하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.

가설 설정

  • Mp는 재료의 항복응력 σ에 가장 큰 영향을 받는다. 그림 1의 구간(3)에 해당되는 비탄성구간은 Lp보다 길고 L보다 짧은 비지지 길이를 가지며, 횡-비틀림 좌굴이 일어나면서 보의 일부분이 서서히 항복한다고 가정하며, 비탄성 횡-비틀림 좌굴 강도는 탄성 횡-비틀림 좌굴강도 Mr과 소성 횡-비틀림 좌굴강도 Mp간의 선형 보간법으로 산정하고 있다.
  • 고려하였다. 잔류응력은 그림 9에 나타낸 바와 같이 Pi(1995)등이 고려한 단순화된 형태의 분포로 가정하여 범용구조해석프로그램 ABAQUS의 초기응력 (Initial Stress) 옵션으로 고려하였다. 부재의 초기결함은 국내 I형강 표준 치수 허용치 (현대제철, 2006)에 근거하여 부재 길이의 0.
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참고문헌 (14)

  1. ?박종섭(2006), "변단면보의 개선된 모멘트 구배 수정계수", 한국강구조학회 논문집, 제18권, 2호, pp. 191-201. 

  2. 현대제철(2006), Korea Standard 치수 허용차. 

  3. ABAQUS(2006), Standard User's Manual, Hibbitt, Karlsson and Sorensen, Inc., Vols. 1, 2 and 3, Version 6.6. 

  4. American Institute of Steel Construction (AISC) (2004), LRFD Specifications, 2nd Edition, Chicago, Illinois 

  5. Galambos, T.V.(1963), Inelastic Lateral Buckling of Beams, ASCE J. Struct. Div., Vol. 89, No. ST5, pp. 217-244. 

  6. Lindner, J.(1974), Influence of Residual Stresses on the Load-Carrying Capacity of I-Beams, Stahlbau, Vol. 43, pp. 39-45, 86-91. 

  7. Papangelis, J.P. and Trahair, N.S.(1987), Flexural- Torsional Buckling Tests on Arches, Journal of Structural Engineering, Vol. 113, pp. 1433-1443. 

  8. Park, J.S. and Stallings, J.M.(2003), Lateral-Torsional Buckling of Stepped Beams, Journal of Structural Engineering, Vol. 129, pp. 1457-1465. 

  9. Pi, Y.L. and Trahair, N.S.(1995), Inelastic Torsion of Steel I-Beams, Journal of Structural Engineering, Vol. 121, pp. 609-620. 

  10. Shanley, F.R.(1947), Inelastic Column Theory, Journal of Aeronautical Sciences, Vol. 14, No. 5, pp. 261-268 

  11. Timoshenko, S.P. and Gere, J.M.(1961), Theory of Elastic Stability, 2nd ed., McGraw-Hill, New York. 

  12. Trahair, N.S.(1977), Lateral Buckling of Beams and Beam-Column, McGraw-Hill, New York. 

  13. Trahair, N.S.(1983), Inelastic Lateral Buckling of Beams, Applied Science Publishers, Barking, Essec, England. 

  14. Trahair, N.S.(1993) Flexural-Torsional Buckling of Structures, E & FN Spon 

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