[논문]폐단면리브 강성에 따른 일축압축을 받는 보강판의 국부좌굴강도 평가

최병호

doi:10.5762/kais.2013.14.2.949

초록
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일반적으로 압축을 받는 판 구조는 종방향 보강재를 이용하여 보강된다. 이 때 보강재로서 U형 단면 리브를 사용하는 것이 보다 효과적이나, 현재 국내에서 이에 대한 명확한 설계지침이나 연구자료가 제시되지 못하고 있다. 이에, 본 연구에서는 U리브의 단면 크기 및 강성 등에 따른 보강판의 탄성좌굴강도를 살펴보고자 한다. 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 세 가지 타입의 U형 단면 리브를 적용한 해석모델을 수립하여 고유치 해석을 실시하였고, 양연지지된 판의 국부좌굴강도 이론식과 본 해석적 결과를 비교하였다. 이러한 분석 결과를 토대로 U형 단면리브에 의해 좌굴강도가 증진하는 보강 효과를 확인하였으며, 설계 파라미터에 따른 변수해석적 연구를 통해 그 영향을 분석하였다. 본 연구결과는 U리브 보강판의 적정 설계 방안을 제시하는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Generally, structural plates under axial compression should be stiffened by longitudinal stiffeners in order to enhance the buckling strength. Though U-shaped ribs would be more efficient for the stiffened plate system, there is in the absence of a proper design guides or relevant research results. ...

Generally, structural plates under axial compression should be stiffened by longitudinal stiffeners in order to enhance the buckling strength. Though U-shaped ribs would be more efficient for the stiffened plate system, there is in the absence of a proper design guides or relevant research results. Thus this study is aimed to examine the local buckling behavior of stiffened plates with U-section ribs. 3-dimensional analysis models which include 3 types of U-shaped longitudinal stiffeners were simulated by using the finite element code ABAQUS. The bifurcation analysis were conducted and then the buckling analysis results are compared with the theoretical equation values. It is found that the rotational constraint effect provided by the U-ribs should increase the local buckling strength. Some features drawn from a series of parametric study results are summarized.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 연구에서는 U리브 보강판에 대한 3차원 유한요소해석을 수행하여 엄밀히 산정된 탄성좌굴강도를 위의 식(1)과 비교분석을 통해, Fig. 2와 같이 유효스프링강성(kR)에 따른 국부좌굴강도 증가 효과 Φ(kR)를 평가해보고 각 핵심 설계 파라미터의 영향을 분석하고자 한다.
본 논문에서는 U리브 보강판에 대한 3차원 유한요소해석을 변수해석적으로 수행하여 U리브 단면 강성에 따른 탄성 좌굴강도의 변화를 살펴보았다. 변수해석적 연구를 통해 U리브로 보강된 판의 국부좌굴강도는 U리브 웨브판의 외측간격-판두께비인 w₁/t_p에 의해 지배적인 영향을 받는 것을 알 수 있었다.

제안 방법

5와 같이 균일한 압축응력을 양단에서 판과 리브에 모두 재하하였다. Table 1에 제시된 U리브 크기 및 두께 강성에 따라 고유치해석을 실시하여 좌굴거동 및 압축강도의 변동 특성을 분석하였다.
총 길이 L을 유효폭 w₁으로 나눈 형상비 α는 최소 3에서 최대 10까지 모사하였다. U리브 두께 t_u는 보강판 두께의 최소 1/3배 ~ 2배 이상으로 되는 범위까지 포함하여 파라메트릭 민감도 분석을 위해 광범위한 모델링을 수행하였다.
각 해석모델에 대해 ABAQUS에서 제공하는 S4R5요소를 이용하여 유효폭 w1을 기준하여 w1×w1 에 대해 12×12개 이상 분할하는 방식으로 Fig. 4와 같이 요소망을 구성하였다.
일반적으로 활용되는 U리브는 L-타입과 유사하다. 본 연구에서는 합리적인 U-리브 설계 방안에 관한 비교 연구를 위해 폭과 높이를 줄인 M-타입과 S-타입을 설계해서 적용하였다(도로교설계기준, 2010; 도로교표준시방서, 2005; AASHTO, 2007; Chou 외, 2006). 총 길이 L을 유효폭 w₁으로 나눈 형상비 α는 최소 3에서 최대 10까지 모사하였다.
2 에 제시된 바와 같다. 여기서 U리브간 순간격 w₁은 250mm이고, U리브는 단면 크기에 따라 S, M, L등 세 가지 타입으로 고려하여 크기에 따른 영향을 검토하고자 한다. 일반적으로 활용되는 U리브는 L-타입과 유사하다.
총 길이 L을 유효폭 w1으로 나눈 형상비 α는 최소 3에서 최대 10까지 모사하였다.

성능/효과

본 논문에서는 U리브 보강판에 대한 3차원 유한요소해석을 변수해석적으로 수행하여 U리브 단면 강성에 따른 탄성 좌굴강도의 변화를 살펴보았다. 변수해석적 연구를 통해 U리브로 보강된 판의 국부좌굴강도는 U리브 웨브판의 외측간격-판두께비인 w₁/t_p에 의해 지배적인 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 뿐만 아니라, U리브 두께 t_u의 변화에 의해 보강된 판의 국부좌굴강도에 상당한 영향을 끼치는 것을 정량적으로 확인할 수 있었다.
변수해석적 연구를 통해 U리브로 보강된 판의 국부좌굴강도는 U리브 웨브판의 외측간격-판두께비인 w₁/t_p에 의해 지배적인 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 뿐만 아니라, U리브 두께 t_u의 변화에 의해 보강된 판의 국부좌굴강도에 상당한 영향을 끼치는 것을 정량적으로 확인할 수 있었다. U리브의 단면 제원이 작을수록 국부좌굴강도의 증가효과가 다소 늘어나는 경향이 고찰되었다.
이에 따라 U리브의 폭이 작을수록 국부좌굴강도의 증가효과가 늘어난다. 실제 결과를 살펴보면 U리브의 하부 폭이 1:1.13인 L-타입에 비해 하부 폭이 1:2.5인 S-타입에서 증대효과가 비교적 큰 것으로 고찰되었다. 고유치 해석으로 산정된 탄성좌굴강도는 Table 3에 보이는 바와 같이 앞서 식 (1)과 유사한 면이 있지만, 강도증가계수를 살펴보면 최소 10%에서 최대 50% 이상 크게 증가된 경향도 나타나고 있다.

후속연구

공통적으로 U리브 두께에 따라 좌굴강도가 꾸준히 선형 증가하지만 어느 정도 이상이 되면 수렴하는 경향도 일부 나타나고 있으며 최대 양단 고정조건의 국부좌굴강도에 수렴될 것으로 사료된다. 따라서 U리브 두께가 이러한 변화 양상들을 적절히 고려하여 효과적인 범위로 선정된다면, 보다 효율적인 U리브 보강판의 설계가 이뤄질 수 있을 것으로 사료된다.
U리브의 단면 제원이 작을수록 국부좌굴강도의 증가효과가 다소 늘어나는 경향이 고찰되었다. 따라서, 이러한 U리브에 따른 국부좌굴강도 증가 양상을 고려하여 단면을 최적화 한다면 보다 합리적으로 적용되는 방안이 될 수 있을 것으로 보인다. 향후 이러한 국부좌굴강도 증가계수에 관한 체계적인 정립이 이뤄진다면 U리브를 적용한 보다 향상된 설계가 가능할 것으로 사료된다.
2와 같이 유효스프링강성(k_R)에 따른 국부좌굴강도 증가 효과 Φ(k_R)를 평가해보고 각 핵심 설계 파라미터의 영향을 분석하고자 한다. 이러한 분석 결과는 향후 U리브 보강판의 설계강도를 보다 합리적으로 고려하여 보다 최적화된 단면 설계가 이뤄지도록 하는데 기여할 것으로 사료된다.
따라서, 이러한 U리브에 따른 국부좌굴강도 증가 양상을 고려하여 단면을 최적화 한다면 보다 합리적으로 적용되는 방안이 될 수 있을 것으로 보인다. 향후 이러한 국부좌굴강도 증가계수에 관한 체계적인 정립이 이뤄진다면 U리브를 적용한 보다 향상된 설계가 가능할 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	U리브 보강판에서 나타날 수 있는 국부좌굴강도 증가 효과 어떤 특징에서 유발되는가?	U리브 보강판에서 나타날 수 있는 국부좌굴강도 증가 효과는 개단면 리브를 적용한 것과 달리 U리브가 보강판과의 폐합단면을 이루는 특징에서 유발된다. 개단면리브에 비해 폐단면리브의 비틀림강성이 매우 크기 때문에 Fig.
	U형 단면 리브가 구조적 안정성이나 비틀림 거동의 측면에 있어 상대적으로 유리한 이유는 무엇인가?	U형 단면 리브(이하 U리브)는 압축을 받는 판에 접합되어 보강된 판과 폐합 단면을 이루기 때문에 구조적 안정성이나 비틀림 거동의 측면에 있어 상대적으로 유리하다. 국내에서는 U리브 적용에 관한 명확한 설계지침이나 충분한 연구자료가 제시되어 있지 않아서, 주로 강바닥판 등에만 국한되어 적용되고 있는데 과학적 근거없이 매우 조밀한 배치 형태로 활용되고 있다.
	국내의 U형 단면 리브 적용은 어떻게 이루어지고 있는가?	U형 단면 리브(이하 U리브)는 압축을 받는 판에 접합되어 보강된 판과 폐합 단면을 이루기 때문에 구조적 안정성이나 비틀림 거동의 측면에 있어 상대적으로 유리하다. 국내에서는 U리브 적용에 관한 명확한 설계지침이나 충분한 연구자료가 제시되어 있지 않아서, 주로 강바닥판 등에만 국한되어 적용되고 있는데 과학적 근거없이 매우 조밀한 배치 형태로 활용되고 있다. U리브의 구조적 이점을 극대화하는, 보다 합리적인 활용 방안이 도출되려면 U리브 크기나 강성에 따른 좌굴강도의 특성을 면밀히 검토될 필요성이 있다.

참고문헌 (6)

Korea Road and Transportation Association, Design Specifications for Roadway Bridges, 2010
Korea Ministry of Construction & Transportation, Standard Specifications for Roadway Bridges, 2005
AASHTO. LRFD Bridge design specifications. 4th ed. Washington (DC): American Association of State Highway and Transportation Officials, 2007.
Chou. C.C., Uang C.M., Seible F. "Experimental evaluation of compressive behavior of Orthotropic Steel Plates for the New San Francisco-Oakland Bay Bridge", ASCE Journal of Bridge Engineering, Vol.12, No.2, pp. 140-150, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)1084-0702(2006)11:2(140)
Yoo C.H., Choi B.H., Ford E.M. "Stiffness requirements for longitudinally stiffened box-girder flanges". J Struct Eng, Vol.127, No.6, pp. 705-711, 2001. DOI: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(2001)127:6(705)

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Choi B.H., Yoo C.H. "Strength of stiffened flanges in horizontally curved box girders". ASCE J Eng Mech,, Vol.131, No.2, pp. 167-176, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9399(2005)131:2(167)

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