콘크리트 충전강관을 이용한 교량은 새로운 형식의 교량 형태이다. 강관을 이용한 교량을 적용하는데 있어서 가장 중요한 것은 이음부의 설계이다. 이 논문에서는 축하중을 받는 충전강관 N형 이음부에서 현재는 충전강관으로 브레이스는 강관으로 구성된 이음부의 특성을 범용 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 유한요소해석을 통해 고찰하였다. 충전강관 이음부의 핫스폿 응력을 결정하는 기하학적 인자 중, 용접 각장길이, 현재의 직경, 브레이스의 두께에 따른 핫스폿 응력의 차이점을 비교하였다. 또한 충전강관 N형 이음부에서 사재의 각도와 수직재와 사재사이의 거리를 변수로 하여 유한요소해석을 수행하였으며, 현재에 충전된 콘크리트의 강도의 변화에 따른 이음부의 핫스폿 응력 특성을 살펴보았다.
콘크리트 충전강관을 이용한 교량은 새로운 형식의 교량 형태이다. 강관을 이용한 교량을 적용하는데 있어서 가장 중요한 것은 이음부의 설계이다. 이 논문에서는 축하중을 받는 충전강관 N형 이음부에서 현재는 충전강관으로 브레이스는 강관으로 구성된 이음부의 특성을 범용 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 유한요소해석을 통해 고찰하였다. 충전강관 이음부의 핫스폿 응력을 결정하는 기하학적 인자 중, 용접 각장길이, 현재의 직경, 브레이스의 두께에 따른 핫스폿 응력의 차이점을 비교하였다. 또한 충전강관 N형 이음부에서 사재의 각도와 수직재와 사재사이의 거리를 변수로 하여 유한요소해석을 수행하였으며, 현재에 충전된 콘크리트의 강도의 변화에 따른 이음부의 핫스폿 응력 특성을 살펴보았다.
The use of Concrete filled circular hollow steel section (CFCHS) members in bridge design is a relatively new concept. The most important part of the design and durability of such structures is the design and the construction of the joints. In the design of recently constructed steel-concrete compos...
The use of Concrete filled circular hollow steel section (CFCHS) members in bridge design is a relatively new concept. The most important part of the design and durability of such structures is the design and the construction of the joints. In the design of recently constructed steel-concrete composite bridges using CFCHS truss girders for the main load carrying structure, the fatigue verification of the tubular spatial truss joints was a main issue. Welded CFCHS joints are very sensitive to fatigue because the geometric discontinuities of the welds lead to a high stress concentration. New research done on the fatigue behaviour of such joints has focused on CFCHS N-joints, directly welded, with finite element analysis method. A commercial software, ABAQUS, is adopted to perform the finite element analysis on the N-joints. This paper is main focused on these topics, including hot spot stress.
The use of Concrete filled circular hollow steel section (CFCHS) members in bridge design is a relatively new concept. The most important part of the design and durability of such structures is the design and the construction of the joints. In the design of recently constructed steel-concrete composite bridges using CFCHS truss girders for the main load carrying structure, the fatigue verification of the tubular spatial truss joints was a main issue. Welded CFCHS joints are very sensitive to fatigue because the geometric discontinuities of the welds lead to a high stress concentration. New research done on the fatigue behaviour of such joints has focused on CFCHS N-joints, directly welded, with finite element analysis method. A commercial software, ABAQUS, is adopted to perform the finite element analysis on the N-joints. This paper is main focused on these topics, including hot spot stress.
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문제 정의
본 연구에서는 현재는 충전강관으로 브레이스는 강관으로 이루어진 이음부(이하, 충전강관 이음부라 함)에 대한 유한요소해석을 통하여 응력집중계수를 구하기 위한 핫스폿 응력을 구함으로서 이음부 특성을 파악하고자 하였다.
본 해석에 앞서 이음부의 기하학적 특성이 매우 복잡하고 민감하기 때문에 유한요소해석의 정확성을 높이기 위하여 강관 부재 두께의 분할 개수에 따른 해석의 수렴성을 검증하였다. 유한요소해석 결과의 수렴성을 검증하기 위하여 강관으로 된 휨을 받는 모델을 사용하였으며, 부재의 두께별 분할 개수를 1, 2, 3, 4, 5, 6, 11개로 나누었으며 분할에 따른 각 부재에서의 응력 변화를 그림 5에 나타내었다.
이 논문에서 충전강관의 경우 사재 각도 변화에 따른 응력집중계수의 변화가 강관과는 다를 것으로 예측되기 때문에 충전강관 N형 이음부 사재의 각도 변화에 따른 영향을 파악하기 위하여 사재의 각도를 변수로 하여 유한요소해석을 수행하였다. 현재는 직경 216.
그러나 IIW(2000)에서는 새롭게 갭의 길이에 대한 인자가 포함되지 않는 응력집중계수식을 제안하고 있다. 이 논문에서는 갭이 충전강관 N형 이음부의 거동에 미치는 영향을 파악하고자 갭의 길이를 변수로 하여 유한요소해석을 수행하였다. 현재는 직경 406.
이 논문에서는 용접 각장길이에 따른 영향을 검토하기 위하여 필렛용접 각장길이에 따른 핫스폿 응력의 변화를 유한 요소 해석을 통하여 분석하였다. 해석모델은 용접 각장길이를 브레이스의 두께 대비 100%, 150% 200%의 변수로 하여 모델링하였으며 ABAQUS 프로그램에서 필렛이음부 형상을 선택하여 모델링을 하였다.
강관 용접이음부의 핫스폿 응력 지역의 피로특성은 여러 인자에 의해 영향을 받는데, 특히 충전강관의 경우 충전 콘크리트의 영향으로 강관 이음부의 피로 특성과는 차이가 있을 것으로 예상된다. 이 논문에서는 이음부의 브레이스와 현재가 강관으로 구성된 N형 이음부와 브레이스는 강관, 현재는 충전강관으로 구성된 N형 이음부의 핫스폿 응력 특성을 평가하였다. 해석변수는 용접 각장길이, 수직재와 사재간의 거리, 브레이스의 두께변화, 현재의 직경변화, 사재의 각도 및 콘크리트의 강도 변화에 따른 충전강관 N형 이음부의 핫스폿 응력 특성을 고찰하였다.
충전 콘크리트의 압축강도에 따른 강관 이음부의 핫스폿 응력 특성에는 영향을 크게 주지 않는 것으로 알려졌으며(Lewei, 2007), 본 연구에서도 콘크리트의 압축강도가 충전 강관 N형 이음부의 거동 특성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 현재에 충전된 콘크리트 압축강도를 변수로 유한요소해석을 수행하여 이음부의 거동 특성을 검토하였다.
가설 설정
하중의 크기는 응력집중계수를 쉽게 구하기 위하여 단위응력 형태인 1 kN/m2를 단면에 등분포하중으로 재하 하였으며 형상은 그림 4와 같다. 재하 된 하중의 크기는 브레이스의 공칭응력과 같으며 경계조건은 현재의 양단은 완전 고정된 것으로 가정하여 모델링하였다.
충전강관 N형 이음부의 거동 평가를 위한 해석 모델은 N형 이음부의 기하학적 형상이 매우 복잡하기 때문에 이음부의 형상을 효율적으로 모사하기 위하여 4절점 사면체 고체요소(first-order tetrahedron)를 사용하였다. 충전강관 내부에 충전된 콘크리트는 완전합성으로 가정하여 모델링 하였다.
제안 방법
이 연구에서는 충전강관 유한요소해석 결과와 기존 중공강관 연구결과를 비교하기 위하여 OTH354(2000)에서 제시하고 있는 중공강관 이음부의 응력집중계수를 구하기 위한 Efthymiou식을 통해 구한 중공강관의 응력집중계수와 충전 강관 N형 이음부의 핫스폿 응력을 식 (4)를 통해 변환한 응력집중계수와 비교 평가 하였다. 강관 N형 이음부의 재원은 현재의 직경은 406.4 mm, 두께는 19 mm, 브레이스의 직경은 318 mm, 두께는 각각 6, 7, 8, 9 mm 4가지의 경우에 대하여 비교하였으며 하중조건은 Load case 1을 적용하였다. 그림 16에 중공광관과 충전강관의 응력집중계수를 비교 결과를 나타내었다.
이 논문에서는 강관 N형 이음부의 핫스폿 응력을 평가하기 위한 유한요소해석을 위하여 강관 부재 두께별 분할 개수는 그림 5의 결과를 토대로 해석의 효율성을 고려하여 3~4층으로 분할하였으며 탄성해석을 수행하였다. 강재와 용접단면의 재료적 성질은 동일하게 적용하였으며 단위중량은 78 kN/m3, 탄성계수는 200,000 MPa 및 포와송비는 0.3을 콘크리트의 단위중량 23 kN/m3, 강도는 35 MPa, 탄성계수는 27,223 MPa 및 포와송비는 0.16을 적용하였다.
5 mm, 두께는 9 mm인 강관을 적용하였다. 갭 길이의 변화는 수직재와 사재가 떨어져 있지 않은 0 mm부터 10 mm, 20 mm에서 최종 300 mm까지 8단계로 선택하여 유한요소해석을 수행하였다. 그림 8은 강관 N형 이음부의 갭 길이 변화에 따른 모델이다.
기존의 콘크리트 충전강관 부재를 새로운 형태의 교량 부재로써 개발하고 적용하는데 있어서 교량의 피로설계에 필요한 이음부의 핫스폿 응력 특성을 평가하기 위하여, 충전강관 N형 이음부에서 현재는 충전 원형강관이고 브레이스는 강관으로 구성된 이음부의 특성을 유한요소해석을 통해 고찰하였다.
또한, 현재의 직경 변화에 따른 핫스폿 응력을 평가하기 위하여 브레이스의 직경을 318.5 mm, 두께를 8 mm, 현재의 두께를 12 mm로 고정 시킨 후 현재의 직경을 355.6 mm, 406.4 mm 및 457.2 mm로 하여 핫스폿 응력의 차이를 비교분석하였으며 해석결과를 그림 12에 수록하였다.
본 해석에 앞서 이음부의 기하학적 특성이 매우 복잡하고 민감하기 때문에 유한요소해석의 정확성을 높이기 위하여 강관 부재 두께의 분할 개수에 따른 해석의 수렴성을 검증하였다. 유한요소해석 결과의 수렴성을 검증하기 위하여 강관으로 된 휨을 받는 모델을 사용하였으며, 부재의 두께별 분할 개수를 1, 2, 3, 4, 5, 6, 11개로 나누었으며 분할에 따른 각 부재에서의 응력 변화를 그림 5에 나타내었다.
해석결과에서 보면, 강관 부재 두께에 대한 분할 개수가 증가하면서 최대 응력이 증가하다가 수렴하는 경향을 보였다. 이 논문에서는 강관 N형 이음부의 핫스폿 응력을 평가하기 위한 유한요소해석을 위하여 강관 부재 두께별 분할 개수는 그림 5의 결과를 토대로 해석의 효율성을 고려하여 3~4층으로 분할하였으며 탄성해석을 수행하였다. 강재와 용접단면의 재료적 성질은 동일하게 적용하였으며 단위중량은 78 kN/m3, 탄성계수는 200,000 MPa 및 포와송비는 0.
콘크리트 충전강관 구조(대한건축학회, 2004)에서는 콘크리트 충전강관 기둥에 사용되는 콘크리트의 강도를 21 MPa ~50 MPa로 제한하고 있다. 이 논문에서도 현재에 충전된 콘크리트의 강도를 21 MPa, 35 MPa 및 50 MPa로 하여 이음부 모델을 해석하였다. 해석모델의 제원은 현재가 직경 406.
중공강관과 충전강관의 이음부의 특성은 많은 차이가 있을 것으로 예상되며 다양한 연구가 진행되고 있지만 아직까지 다양한 형태의 이음부의 거동 차이는 밝혀지지 않았다. 이 연구에서는 충전강관 유한요소해석 결과와 기존 중공강관 연구결과를 비교하기 위하여 OTH354(2000)에서 제시하고 있는 중공강관 이음부의 응력집중계수를 구하기 위한 Efthymiou식을 통해 구한 중공강관의 응력집중계수와 충전 강관 N형 이음부의 핫스폿 응력을 식 (4)를 통해 변환한 응력집중계수와 비교 평가 하였다. 강관 N형 이음부의 재원은 현재의 직경은 406.
축하중을 받는 강관 N형 이음부의 하중조건은 수직재와 사재의 축력에 대한 하중조합에 따라 3가지 경우를 고려하였다. 하중의 크기는 응력집중계수를 쉽게 구하기 위하여 단위응력 형태인 1 kN/m2를 단면에 등분포하중으로 재하 하였으며 형상은 그림 4와 같다.
축하중을 받는 충전강관 N형 이음부의 거동에 있어서 용접 각장길이를 고려하는 경우와 고려하지 않는 경우 차이를 보일 수 있기 때문에 용접 각장길이의 영향에 대하여 평가하였다. 용접방식은 필렛용접이며 OTH 354(2000)에는 필렛 용접 각장길이에 따른 응력집중계수를 구하는 식을 제안하고 있다.
기존의 콘크리트 충전강관 부재를 새로운 형태의 교량 부재로써 개발하고 적용하는데 있어서 교량의 피로설계에 필요한 이음부의 핫스폿 응력 특성을 평가하기 위하여, 충전강관 N형 이음부에서 현재는 충전 원형강관이고 브레이스는 강관으로 구성된 이음부의 특성을 유한요소해석을 통해 고찰하였다. 충전강관 N형 이음부의 기하학적 특성을 이루는 현재와 브레이스의 직경 및 두께, 사재의 각도 및 브레이스 간의 거리, 용접 각장길이 등에 따른 충전강관 N형 이음부의 핫스폿 응력의 특성을 파악하였다.
충전강관 N형 이음부의 브레이스 두께변화에 따른 핫스폿 응력을 평가하기 위하여 현재의 직경은 406.4 mm, 두께는 19 mm, 브레이스의 직경은 318 mm, 두께는 각각 6, 7, 8, 9 mm에 대하여 핫스폿 응력을 구하였다. 그림 10에 브레이스 두께 7 mm인 충전강관 N형 이음부의 브레이스 두께변화에 따른 유한요소해석 결과를 대표적으로 나타내었다.
해석 모델은 하중 및 구조물의 대칭성을 이용하여 1/2만을 모사하였으며 기하학적 특성을 상세하게 모사하기 위하여 이음부 주변은 매우 세밀하게 분할하여 모델링하였으며 대표적인 해석대상 모델의 형상은 그림 3과 같다. 현재의 길이는 강관 이음부의 거동 특성에 실 교량 구조물에서 가장 많이 적용 될 수 있는 2m로 고정하였으며 양단은 고정단으로 모델링하였다.
이 논문에서는 용접 각장길이에 따른 영향을 검토하기 위하여 필렛용접 각장길이에 따른 핫스폿 응력의 변화를 유한 요소 해석을 통하여 분석하였다. 해석모델은 용접 각장길이를 브레이스의 두께 대비 100%, 150% 200%의 변수로 하여 모델링하였으며 ABAQUS 프로그램에서 필렛이음부 형상을 선택하여 모델링을 하였다. 해석 대상 모델에서 현재의 직경은 406.
이 논문에서는 이음부의 브레이스와 현재가 강관으로 구성된 N형 이음부와 브레이스는 강관, 현재는 충전강관으로 구성된 N형 이음부의 핫스폿 응력 특성을 평가하였다. 해석변수는 용접 각장길이, 수직재와 사재간의 거리, 브레이스의 두께변화, 현재의 직경변화, 사재의 각도 및 콘크리트의 강도 변화에 따른 충전강관 N형 이음부의 핫스폿 응력 특성을 고찰하였다.
해석 모델은 하중 및 구조물의 대칭성을 이용하여 1/2만을 모사하였으며 기하학적 특성을 상세하게 모사하기 위하여 이음부 주변은 매우 세밀하게 분할하여 모델링하였으며 대표적인 해석대상 모델의 형상은 그림 3과 같다. 현재의 길이는 강관 이음부의 거동 특성에 실 교량 구조물에서 가장 많이 적용 될 수 있는 2m로 고정하였으며 양단은 고정단으로 모델링하였다.
대상 데이터
해석모델은 용접 각장길이를 브레이스의 두께 대비 100%, 150% 200%의 변수로 하여 모델링하였으며 ABAQUS 프로그램에서 필렛이음부 형상을 선택하여 모델링을 하였다. 해석 대상 모델에서 현재의 직경은 406.4 mm, 두께는 19 mm 이며 브레이스의 직경은 318.5 mm, 두께는 9 mm인 경우를 적용하였다. 유한요소해석 결과는 그림 6 및 그림 7에 나타내었다.
이 논문에서도 현재에 충전된 콘크리트의 강도를 21 MPa, 35 MPa 및 50 MPa로 하여 이음부 모델을 해석하였다. 해석모델의 제원은 현재가 직경 406.4 mm, 두께 16 mm이고, 사재는 직경 318.5 mm, 두께 9 mm이고 콘크리트의 단위중량은 23 kN/m3이다.
이 논문에서 충전강관의 경우 사재 각도 변화에 따른 응력집중계수의 변화가 강관과는 다를 것으로 예측되기 때문에 충전강관 N형 이음부 사재의 각도 변화에 따른 영향을 파악하기 위하여 사재의 각도를 변수로 하여 유한요소해석을 수행하였다. 현재는 직경 216.3 mm, 두께는 8 mm인 충전강관을 사용하였으며 브레이스는 직경 165.2 mm, 두께는 7 mm인 강관을 적용하였다. 각도의 변화는 사재와 현재의 각도가 30°~60° 까지 5° 씩 변화 시켰다.
이 논문에서는 갭이 충전강관 N형 이음부의 거동에 미치는 영향을 파악하고자 갭의 길이를 변수로 하여 유한요소해석을 수행하였다. 현재는 직경 406.4 mm, 두께는 19 mm 강관을 사용하였으며 브레이스의 직경은 318.5 mm, 두께는 9 mm인 강관을 적용하였다. 갭 길이의 변화는 수직재와 사재가 떨어져 있지 않은 0 mm부터 10 mm, 20 mm에서 최종 300 mm까지 8단계로 선택하여 유한요소해석을 수행하였다.
데이터처리
본 연구에서는 축하중을 받는 충전강관 N형 이음부의 핫스폿 응력을 유한요소해석을 통하여 구하기 위하여 범용해석 프로그램인 ABAQUS(Ver 6.7)를 사용하였다. 충전강관 N형 이음부의 거동 평가를 위한 해석 모델은 N형 이음부의 기하학적 형상이 매우 복잡하기 때문에 이음부의 형상을 효율적으로 모사하기 위하여 4절점 사면체 고체요소(first-order tetrahedron)를 사용하였다.
이론/모형
7)를 사용하였다. 충전강관 N형 이음부의 거동 평가를 위한 해석 모델은 N형 이음부의 기하학적 형상이 매우 복잡하기 때문에 이음부의 형상을 효율적으로 모사하기 위하여 4절점 사면체 고체요소(first-order tetrahedron)를 사용하였다. 충전강관 내부에 충전된 콘크리트는 완전합성으로 가정하여 모델링 하였다.
성능/효과
강관 N형 이음부의 경우 용접 각장길이를 고려하는 경우 핫스폿 응력이 용접 각장길이가 없는 모델 보다 작은 수준으로 나타났으며 해석결과 Load case와 수직재 및 사재에 따라 다소 차이는 있지만 일반적으로 평균 5%정도 응력이 감소하는 것으로 나타났다. 해석에서 사용된 강관의 현재의 두께는 19 mm로써 Lloyd's가 제안하는 용접 각장길이 조건을 만족하고 있어 해석 결과 값을 비교할 수 있었다.
강관 이음부의 필렛용접 각장길이를 고려하면 핫스폿 응력이 용접 각장길이를 고려하지 않은 것보다 평균 5% 정도 작게 나타났으며, 용접 각장길이 증가에 따른 핫스폿 응력의 변화는 미미한 것으로 나타났다. 충전강관 N형 이음부에서 브레이스 두께가 커지면 수직재 및 사재의 핫스폿 응력이 증가하는 것으로 나타났으며 현재의 두께가 증가하면 핫스폿 응력은 감소하는 것으로 나타났다.
사재의 각도 변화에 따라 수직재에 발생하는 핫스폿 응력은 거의 변화가 없는 것을 알 수 있다. 그러나 사재의 경우 각도가 증가함에 따라 사재에서의 핫스폿 응력이 증가하는 것으로 나타났으며, 최종적으로 수직재와 동일 한 핫스폿 응력을 갖는 것으로 나타났다.
유한요소 해석결과 충전된 콘크리트의 강도가 증가할 수록 핫스폿 응력은 다소 감소하는 경향을 보였다. 그러나 콘크리트 강도가 충전강관 N형 이음부의 핫스폿 응력의 크기의 변화에는 매우 미미한 영향을 주는 것으로 나타났다. 콘크리트 압축강도가 21 MPa인 경우와 50 MPa인 경우 콘크리트 강도는 약 2.
그러나 갭이 존재하는 경우 갭 길이의 크기에 따른 핫스폿 응력의 변화는 수직재와 사재 모두 영향이 거의 없는 것으로 나타났다. 따라서 갭 길이가 존재하는 N형 이음부의 경우는 수직 브레이스는 T형 이음부로, 사재는 Y형 이음부로 각각 별도의 형상으로 해석할 수 있기 때문에 N형 이음부의 거동 평가를 별도로 고려하지 않고 T형 이음부 및 Y형 이음부 거동 특성, 또는 브레이스 각도 변화의 고려가 가능한 T형 이음부 하나의 거동 특성으로 갭 길이가 존재하는 N형 이음부를 평가하는 것이 가능함을 알 수 있다.
충전강관 N형 이음부에서 브레이스 두께가 커지면 수직재 및 사재의 핫스폿 응력이 증가하는 것으로 나타났으며 현재의 두께가 증가하면 핫스폿 응력은 감소하는 것으로 나타났다. 또한 현재의 직경이 증가할수록 충전강관 이음부의 핫스폿 응력은 감소하는 것으로 나타났다.
중공강관과 충전강관 이음부의 응력집중계수를 비교한 결과 매우 큰 차이가 있음을 알 수 있었다. 브레이스 두께에 따라 다소 차이가 있지만 충전강관이 중공강관에 비하여 응력집중계수가 약 65% 감소하는 것으로 나타났다. 이것은 OTH354(2000)에서 제시하고 있는 Efthymiou식에는 설계를 위한 안전율이 포함되어 있어 더욱 큰 차이를 보이고 있는 것으로 판단된다.
유한요소 해석결과 충전된 콘크리트의 강도가 증가할 수록 핫스폿 응력은 다소 감소하는 경향을 보였다. 그러나 콘크리트 강도가 충전강관 N형 이음부의 핫스폿 응력의 크기의 변화에는 매우 미미한 영향을 주는 것으로 나타났다.
중공강관과 충전강관 이음부의 응력집중계수를 비교한 결과 매우 큰 차이가 있음을 알 수 있었다. 브레이스 두께에 따라 다소 차이가 있지만 충전강관이 중공강관에 비하여 응력집중계수가 약 65% 감소하는 것으로 나타났다.
충전강관 N형 이음부 사재의 각도 변화에 따른 수직재의 미치는 영향도 매우 작은 것으로 나타났으나 사재의 경우 사재의 각도가 증가함에 따라 핫스폿 응력이 커지는 것으로 나타났다. 충전콘크리트의 압축강도는 충전강관 N형 이음부의 핫스폿 응력 변화에 매우 미미한 영향을 주는 것으로 나타났다.
충전강관 N형 이음부의 기하학적 형상의 변수에 따른 이음부의 피로거동에 브레이스의 갭의 존재 유무에 따라 핫스폿 응력이 큰 차이를 보였으며, 갭이 존재하는 경우 갭 길이에 따른 핫스폿 응력의 변화는 매우 적은 것으로 나타났다. 충전강관 N형 이음부에서 브레이스 두께가 커지면 수직재 및 사재의 핫스폿 응력이 증가하는 것으로 나타났다.
강관 이음부의 필렛용접 각장길이를 고려하면 핫스폿 응력이 용접 각장길이를 고려하지 않은 것보다 평균 5% 정도 작게 나타났으며, 용접 각장길이 증가에 따른 핫스폿 응력의 변화는 미미한 것으로 나타났다. 충전강관 N형 이음부에서 브레이스 두께가 커지면 수직재 및 사재의 핫스폿 응력이 증가하는 것으로 나타났으며 현재의 두께가 증가하면 핫스폿 응력은 감소하는 것으로 나타났다. 또한 현재의 직경이 증가할수록 충전강관 이음부의 핫스폿 응력은 감소하는 것으로 나타났다.
충전강관 N형 이음부의 기하학적 형상의 변수에 따른 이음부의 피로거동에 브레이스의 갭의 존재 유무에 따라 핫스폿 응력이 큰 차이를 보였으며, 갭이 존재하는 경우 갭 길이에 따른 핫스폿 응력의 변화는 매우 적은 것으로 나타났다. 충전강관 N형 이음부에서 브레이스 두께가 커지면 수직재 및 사재의 핫스폿 응력이 증가하는 것으로 나타났다.
충전강관 N형 이음부 사재의 각도 변화에 따른 수직재의 미치는 영향도 매우 작은 것으로 나타났으나 사재의 경우 사재의 각도가 증가함에 따라 핫스폿 응력이 커지는 것으로 나타났다. 충전콘크리트의 압축강도는 충전강관 N형 이음부의 핫스폿 응력 변화에 매우 미미한 영향을 주는 것으로 나타났다.
그러나 콘크리트 강도가 충전강관 N형 이음부의 핫스폿 응력의 크기의 변화에는 매우 미미한 영향을 주는 것으로 나타났다. 콘크리트 압축강도가 21 MPa인 경우와 50 MPa인 경우 콘크리트 강도는 약 2.4배 정도 크지만 충전강관 N형 이음부의 핫스폿 응력은 수직재의 경우 하중조합 1에서 2.205 MPa에서 2.112 MPa로 약 4.4% 정도 감소하는 것으로 나타났다.
해석결과 전반적으로 브레이스 두께가 증가함에 따라 핫스폿 응력이 증가하는 경향을 보였다. 최대 핫스폿 응력 발생 위치는 수직재의 경우 크라운부 근처에서 발생하였으며 사재의 경우 토우부근에서 발생하는 것으로 그림 10에 나타났다.
해석결과에서 보면, 강관 부재 두께에 대한 분할 개수가 증가하면서 최대 응력이 증가하다가 수렴하는 경향을 보였다. 이 논문에서는 강관 N형 이음부의 핫스폿 응력을 평가하기 위한 유한요소해석을 위하여 강관 부재 두께별 분할 개수는 그림 5의 결과를 토대로 해석의 효율성을 고려하여 3~4층으로 분할하였으며 탄성해석을 수행하였다.
현재의 직경이 증가할 수 록 충전강관 이음부의 핫스폿 응력은 수직재와 사재 모두 감소하는 것으로 나타났다.
후속연구
향후 충전강관 이음부의 기하학적 형상에 따른 핫스폿 응력 및 응력집중계수에 대하여 다양한 변수에 따른 해석적 연구와 실험적 검증을 수행 할 예정이다. 또한 충전강관 이음부의 잔류응력 문제와 실제 하중에 따른 발생 핫스폿 응력과의 조합응력에 대한 연구 등 다양한 형태의 연구가 진행되면 충전강관 부재를 이용한 다양한 형식의 구조물이 건설될 것으로 기대된다.
향후 충전강관 이음부의 기하학적 형상에 따른 핫스폿 응력 및 응력집중계수에 대하여 다양한 변수에 따른 해석적 연구와 실험적 검증을 수행 할 예정이다. 또한 충전강관 이음부의 잔류응력 문제와 실제 하중에 따른 발생 핫스폿 응력과의 조합응력에 대한 연구 등 다양한 형태의 연구가 진행되면 충전강관 부재를 이용한 다양한 형식의 구조물이 건설될 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
핫스폿 응력의 특징은 무엇인가?
강관 이음부에서는 기하학적 형상에 의하여 공칭응력 보다 훨씬 더 큰 응력이 발생되는 핫스폿(hot spot)응력 구역이 나타난다. 핫스폿 응력은 이음부의 기하학적 형상과 관련된 특성으로 원형강관 및 각형강관 구조물의 피로설계에 매우 중요한 영향을 주는 것으로 알려져 있다(Lewei, 2006). 강관 이음부의 핫스폿 응력을 직접적인 해로 구하기는 매우 어려워 지금까지 이음부의 핫스폿 응력을 실험과 유한요소 해석을 통해 구하고 있다.
강관 구조물의 이음부의 기하학적 형상은 무엇에 의하여 결정되는가?
또한 현재(chord)와 브레이스(brace)가 만나는 용접 이음부서 수직재의 경우 크라운(crown), 새들(saddle), 사재의 경우 토우(toe), 새들, 힐(heel) 등이 존재하는 기하학적 형상을 가지게 된다. 이러한 강관 이음부의 기하학적 형상은 현재 및 브레이스의 직경 및 두께, 사재의 각도 등에 의하여 결정된다. 강관 이음부에서는 기하학적 형상에 의하여 공칭응력 보다 훨씬 더 큰 응력이 발생되는 핫스폿(hot spot)응력 구역이 나타난다.
강관 구조물의 이음부의 형상은 어떠한가?
강관 구조물의 이음부는 N형, T형 및 K형 등 다양한 외형적 형상을 가진다. 또한 현재(chord)와 브레이스(brace)가 만나는 용접 이음부서 수직재의 경우 크라운(crown), 새들(saddle), 사재의 경우 토우(toe), 새들, 힐(heel) 등이 존재하는 기하학적 형상을 가지게 된다. 이러한 강관 이음부의 기하학적 형상은 현재 및 브레이스의 직경 및 두께, 사재의 각도 등에 의하여 결정된다.
참고문헌 (11)
Ann Schumacher, Alain Nussbaumer, Senta Haldimann-Sturm and Scott Walbridge (2006) Fatigue of tubular bridge joints using welded or cast steel node solutions, 7th International Conference on Short and Medium Span Bridges, Montreal, Canada.
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Eurocode 3 (2002) Design of Steel Structures-Part 1.9: Fatigue. Draft, 7. European Committee for Standardisation.
IIW (1985) Fatigue Analysis of Welded Components-Designer's Guide to the Structural Hot-Spot Stress Approach IIW-1430-00.
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Lewei. T. (2006) Fatigue behaviour of welded thin-walled T-joints between circular and square hollow section. Journal of Steel Structure, ASCE. Vol. 6, pp. 37-44.
Lewei, T, Wang, K.S., and Weizhou, C.Y. (2007) Experimental investigation on stress concentration factors of CHS-to-CFCHS T-joints subjected to in-plane bending, Fifth Intl. Conf. On Advances In Steel Structures, Icass.
Nazari, A. and Guan, Z. (2007) Parametric study of hot spot stresses around tubular joints with doubler plates, Pratices Periodical On Structural And Construction, ASCE, Vol. 12, No. 1, February 2007, pp. 38-47.
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