[논문]보강판시스템에 적용되는 판형보강재의 국부좌굴거동

김경식

doi:10.5762/kais.2013.14.12.6521

초록
AI-Helper

판형보강재의 강성 및 세장비의 영향이 보강판시스템의 면내압축강도에 미치는 영향을 살펴보기 위해 탄성 및 비탄성 극한강도해석이 수행되었다. 탄성좌굴해석에서는 보강재의 국부좌굴현상이 고려될 수 없지만 보강재의 강성이 일정정도 확보되면 역대칭모드 좌굴형상이 발생되면서 보강판의 면내압축강도가 확보되는 것으로 파악되었다. 초기결함 및 잔류응력이 고려된 극한강도해석에서는 초기결함의 모드형상이 극한강도에 민감하게 영향을 미친다는 사실이 확인되었다. 도로교설계기준에서 제시하는 판형보강재의 세장비제한은 해석 결과와 비교하였을 때 보수적인 수치로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Elastic and nonlinear ultimate strength analyses were conducted to examine the effects of the stiffness and slenderness of flat-type stiffeners on ultimate in-plane strengths of a stiffened plate system. Although it is not feasible to consider local buckling in the stiffeners in elastic analysis, it...

Elastic and nonlinear ultimate strength analyses were conducted to examine the effects of the stiffness and slenderness of flat-type stiffeners on ultimate in-plane strengths of a stiffened plate system. Although it is not feasible to consider local buckling in the stiffeners in elastic analysis, it was confirmed that the in-plane strengths of the stiffened plate system can be achieved by antisymmetric buckling mode when a certain level of stiffness in the stiffeners is provided. Nonlinear ultimate strength analysis, in which initial imperfection and residual stress are incorporated, showed that the ultimate strengths are sensitively affected by the mode shapes for initial imperfections. The slenderness limit for flat-type stiffeners in KHBDC (Korean Highway Bridge Design Code) was evaluated as conservative compared to the analysis results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

면내력에 저항하는 판형보강재로 보강된 보강판시스템에 대한 극한강도해석을 수행하였다. 보강재의 강성 및 세장비의 영향이 보강판의 극한강도에 미치는 영향을 살펴보았다. 탄성좌굴해석에서는 보강재의 국부좌굴현상이 고려될 수 없지만 보강재의 강성이 일정정도 확보되면 역대칭모드 좌굴이 발생되면서 보강판의 압축강도가 확보되는 것으로 파악되었다.

제안 방법

면내력에 저항하는 판형보강재로 보강된 보강판시스템에 대한 극한강도해석을 수행하였다. 보강재의 강성 및 세장비의 영향이 보강판의 극한강도에 미치는 영향을 살펴보았다.
보강재와 보강되는 판의 극한강도 상호작용을 살펴보기 위해 보강재의 단면2차모멘트로 대표되는 강성과 폭두께비로 대표되는 세장비를 변화시키면서 보강판시스템의 극한강도해석을 수행하였다. 보강되는 판의 치수는 앞서 기술한 바와 같고, 보강재의 두께는 보강되는 판두께 대비 1.0, 0.75, 0.5의 세 가지를 고려하였다. 판형보강재의 세장비는 7에서 28까지, 단면2차모멘트는 4.
보강재와 보강되는 판의 극한강도 상호작용을 살펴보기 위해 보강재의 단면2차모멘트로 대표되는 강성과 폭두께비로 대표되는 세장비를 변화시키면서 보강판시스템의 극한강도해석을 수행하였다. 보강되는 판의 치수는 앞서 기술한 바와 같고, 보강재의 두께는 보강되는 판두께 대비 1.
초기 결함의 모드형상으로 탄성좌굴해석을 통해 얻어진 첫 번째 좌굴모드가 여러 해석적 연구에서 이용되어 왔다. 본 연구에서는 Fig. 2에 보인 대칭모드 및 역대칭모드, 두 가지를 기하학적 초기결함의 형상으로 각각 고려하여 극한 강도해석을 수행하였다. 그 크기는 보강재와 판의 연단사이 거리 w의 1/100을 취하였다.
대상 강재로는 교량용으로 널리 채택되는 SM520을 기본으로 하고 보강재의 형상은 제작성과 경제성이 높은 판형(flat type)으로 한다. 전형적인 보강판시스템을 예제로 하여 극한 압축강도해석을 통해 효율적인 보강재의 강성을 검토하고 판형 보강재의 국부좌굴을 방지하기 위한 세장비 제한을 제시한다.
29E+8 mm⁴ 사이 값을 고려하였다. 초기결함 모드형상으로는 대칭모드 및 역대칭모드를 각각 고려하여 동일 모델에 대해 두 번의 극한강도해석을 수행하였다. Fig.

대상 데이터

보강판의 구성요소는 다양하지만 본 연구에서는 보강판시스템의 압축강도에 미치는 보강재의 역할에 초점을 맞추어 보강재가 1개만 설치된 보강판을 분석대상으로 하였다. Fig. 1에 보인 바와 같이 해석예제는 길이 4,318 mm, 폭 1,778 mm, 두께 25.4 mm를 가지는 4변 단순지지된 판(simply supported plate)에 1개의 종방향 보강재가 설치된 보강판 시스템이다. 예제에 사용된 강종은 앞서 언급한대로 강교량에 적용성이 높았던 SM520으로 하였다.
본 연구에서는 보강되는 판과 보강재의 상호작용을 고려된 보강판시스템의 극한거동을 비선형/비탄성 유한요소해석기법을 활용하여 분석한다. 대상 강재로는 교량용으로 널리 채택되는 SM520을 기본으로 하고 보강재의 형상은 제작성과 경제성이 높은 판형(flat type)으로 한다. 전형적인 보강판시스템을 예제로 하여 극한 압축강도해석을 통해 효율적인 보강재의 강성을 검토하고 판형 보강재의 국부좌굴을 방지하기 위한 세장비 제한을 제시한다.
보강재의 강성 및 강도가 보강판시스템의 극한압축강 도에 미치는 영향을 파악하기 위하여 상용 유한요소프로 그램인 ABAQUS[10]를 이용하였다. 보강판의 구성요소는 다양하지만 본 연구에서는 보강판시스템의 압축강도에 미치는 보강재의 역할에 초점을 맞추어 보강재가 1개만 설치된 보강판을 분석대상으로 하였다. Fig.
4 mm를 가지는 4변 단순지지된 판(simply supported plate)에 1개의 종방향 보강재가 설치된 보강판 시스템이다. 예제에 사용된 강종은 앞서 언급한대로 강교량에 적용성이 높았던 SM520으로 하였다. SM520 강재의 재료특성은 Fig.

이론/모형

보강재의 강성 및 강도가 보강판시스템의 극한압축강 도에 미치는 영향을 파악하기 위하여 상용 유한요소프로 그램인 ABAQUS[10]를 이용하였다. 보강판의 구성요소는 다양하지만 본 연구에서는 보강판시스템의 압축강도에 미치는 보강재의 역할에 초점을 맞추어 보강재가 1개만 설치된 보강판을 분석대상으로 하였다.
본 연구에서는 보강되는 판과 보강재의 상호작용을 고려된 보강판시스템의 극한거동을 비선형/비탄성 유한요소해석기법을 활용하여 분석한다. 대상 강재로는 교량용으로 널리 채택되는 SM520을 기본으로 하고 보강재의 형상은 제작성과 경제성이 높은 판형(flat type)으로 한다.

성능/효과

초기결함 및 잔류응력이 고려된 극한강도해석에서는 초기결함의 모드형상이 극한강도에 민감하게 영향을 미친다는 사실이 확인되었다. 도로교 설계기준에서 제시하는 판형보강재의 세장비제한은 해석 결과와 비교하였을 때 50% 이상 여유도를 갖는 것으로 평가되었다. 향후 보강재의 개수에 따른 보강재의 강성 및 보강판의 강도산정에 대한 연구가 진행될 것으로 기대된다.
탄성좌굴해석에서는 보강재의 국부좌굴현상이 고려될 수 없지만 보강재의 강성이 일정정도 확보되면 역대칭모드 좌굴이 발생되면서 보강판의 압축강도가 확보되는 것으로 파악되었다. 초기결함 및 잔류응력이 고려된 극한강도해석에서는 초기결함의 모드형상이 극한강도에 민감하게 영향을 미친다는 사실이 확인되었다. 도로교 설계기준에서 제시하는 판형보강재의 세장비제한은 해석 결과와 비교하였을 때 50% 이상 여유도를 갖는 것으로 평가되었다.
5에 보였다. 탄성 좌굴해석 첫째 모드인 역대칭모드가 초기결함형상으로 고려되었고, 기준위치로 면내하중이 재하되는 연단에서 보강재 설치지점 및 보강재와 판의 연단 사이 중간지점을 취하였다. 잔류응력의 영향으로 보강재 설치지점에서는 하중재하 전에 변위가 부분적으로 발생했음을 Fig.

후속연구

도로교 설계기준에서 제시하는 판형보강재의 세장비제한은 해석 결과와 비교하였을 때 50% 이상 여유도를 갖는 것으로 평가되었다. 향후 보강재의 개수에 따른 보강재의 강성 및 보강판의 강도산정에 대한 연구가 진행될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	판형 보강재로 보강된 보강판시스템은 어떠한 장점을 가지는가?	Fig. 1에는 판형 보강재(flat-type stiffener)로 보강된 보강판시스템을 보여주고 있는데 강성대비 상대적으로 자중감소효과 크고 시공성이 우수하여 장대 케이블지지 교량을 비롯한 중·장경간 강거더교량 등에서 많이 활용되고 있다. 면내력을 받는 보강판의 탄성죄굴모드(elastic buckling mode)는 보강재의 강성에 따라 Fig.
	보강판시스템은 어떠한 방법으로 압축강도를 향상 시키는가?	면내력(in-plane force)에 저항하는 판에 힘을 받는 방향으로 보강재를 설치하면 그 압축강도를 월등히 향상시킬 수 있다. 이러한 보강판시스템(stiffened plate system)은 토목 및 해양 구조물 등에 광범위하게 적용되고 있으며 채택되는 형상에 따라 보강재는 판형(flat type), T형, U형 등으로 분류된다.
	판형 보강재의 휨 강성에서 검토되어야 할 부분은 무엇인가?	[6]이 제안하였으나 보 강재의 국부좌굴현상이 해석에 고려되지 않았다. 보강재의 휨강성은 보강되는 판의 두께중심선을 기준으로 한 단면2차모멘트를 기준으로 하지만 판형 보강재의 경우 세장비가 커지면 보강재 자체의 국부좌굴여부가 추가로 검토되어야 한다.

참고문헌 (12)

Yoo, C. H., Choi, B. H., and Ford E. M. "Stiffness requirements for longitudinally stiffened box-girder flanges," Journal of Structural Engineering, 127(6): 705-711, 2001. DOI: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(2001)127:6(705)

상세보기
Bleich, F. Buckling strength of metal structures, McGraw-Hill Book Co., New York, NY. 1952.
Timoshenko, S. P. and Gere, J. N. Theory of elastic stability, McGraw-Hill Book Co., New York, NY. 1961.
Shin, D. K., Le, V. A. and Kim, K. "In-plane ultimate compressive strengths of HPS deck panel system stiffened with U-shaped ribs," Thin-Walled Structures, 63(2013): 70-81, 2013.

상세보기
Kim, J. S., Lee, H. S. and Kim, K. "Ultimate strength evaluation for wide-type box girders in cable-supported bridges," 36th IABSE (International Association for Bridge and Structural Engineering) Symposium, September 2013.
Thang, D. D., Koo, M. and Jeong Y. "Stiffness requirement for flatbar longitudinal stiffener of box-girder compression flanges," International Journal of Steel Structures, 9(2009): 115-122, 2009.

상세보기
Ministry of Land, Infrastructure and Transport. Korea highway bridge design code, 2012. (in Korean).
American Association of State Highway and Transportation Officials. LRFD Bridge design specifications, Washington, D. C. 2012.
Federal Highway Administration Officials of Research and Development. Proposed design specifications for box girder bridges, Report No. FHWA-TS-80-205, Washington, D. C. 1980.
Abaqus Inc., ABAQUS standard user's manual. Version 6.8.-2, 2008.
Khedmati, M. R., Pedram, M. and Rigo, P. "The effects of geometrical imperfections on the ultimate strength of aluminium stiffened plates subjected to combined uniaxial compression and lateral pressure," Ships and Offshore Structures, 2012(8): 1-22, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1080/17445302.2012.726761
Fukumoto Y., Usami T. and Okamoto Y. "Ultimate compressive strength of stiffened plates," Proceedings of specialty conference on Metal Bridge, pp. 201-230, St. Louis, MO. 1974.

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