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논문 상세정보

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

초록

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

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-torsional buckling behavior of stepped beams subjected to pure bending moment and resulted in the development of design equations. The flanges of the smaller cross-section were fixed at 30.48 by 2.54 cm, whereas the width and/or thickness of the flanges of the larger cross-section varied. The web thickness and height of beam was kept at 1.65 cm and 88.9 cm, respectively. The ratios of the flange thickness, flange width, and stepped length of beams are considered analytical parameters. Two groups of 27 cases and 35 cases, respectively, were analyzed for double and single stepped beams. The combined effects of residual stresses and geometrical imperfection on inelastic lateral-torsional buckling of beams are considered. First, the distributions of residual stress of the cross-section is same as shown in Pi, etc (1995), and the initial geometric imperfection of the beam is set by central displacement equal to 0.1% of the unbraced length of beam. The new proposed equations definitely improve current design methods for the inelastic LTB problem and increase efficiency in building and bridge design. The proposed solutions can be easily used to develop new design equation for inelastic LTB resistance of stepped beams subjected to general loading condition such as a concentrated load, a series of concentrated loads or uniformly distributed load.

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. 
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  8. Park, J.S. and Stallings, J.M.(2003), Lateral-Torsional Buckling of Stepped Beams, Journal of Structural Engineering, Vol. 129, pp. 1457-1465. 
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  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. 
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이 논문을 인용한 문헌 (4)

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  2. Son, Ji-Min ; Park, Jong-Sup 2009. "A Study on Moment Gradient Factor for Inelastic Lateral-Torsional Buckling of Stepped I-Beam Subjected to Uniformly Distributed Load and End Moment" 한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, 9(4): 1~9 
  3. Son, Ji Min ; Park, Jong Sup 2012. "Inelastic Lateral-Torsional Buckling Strengths of Stepped H-Beams with Noncompact Flanges Subjected to Pure Bending" 한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, 12(1): 53~60 
  4. 2013. "" Structural engineering and mechanics : An international journal, 48(2): 275~289 

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