[논문]압축과 휨을 동시에 받는 강관 T조인트 극한강도 상호작용

김경식

doi:10.5762/kais.2016.17.1.298

압축과 휨을 동시에 받는 강관 T조인트 극한강도 상호작용
Ultimate Strength Interaction of Steel Tubular T-Joint Subjected to Concurrent Action of Compression and Bending 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.1, 2016년, pp.298 - 303

초록
AI-Helper

수직 및 수평의 원형단면 강관으로 구성된 공간프레임 타워는 강재량을 줄이면서도 풍하중의 영향을 완화시킬 수 있는 장점으로 다양한 목적으로 널리 적용되고 있다. 이러한 공간프레임 타워를 하나의 타워구조로 거동하게 하기 위해서는 수직 강관과 수평 강관의 연결부인 강관조인트의 강도 확보가 중요하다. 본 연구에서는 압축과 휨이 동시에 작용하는 강관 T조인트의 강도평가를 수행하였다. AISC, Eurocode3, ISO 19902의 3가지 강관조인트 설계기준을 검토하고, 주강관과 지강관의 세장비를 주요 매개변수로 한 비선형 유한요소해석을 통하여 축력과 모멘트에 대한 극한강도 상호작용을 설계식으로 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Owing to the advantages of reduced weight and wind effect, the space-framed towers that consist of vertical and horizontal members of circular hollow tubular sections have been adopted widely for various purposes. It is critical to guarantee the strengths of tubular joints where vertical and horizontal members are connected structurally to make the entire space-framed system behave as a single tower structure. In this study, a strength evaluation was conducted for T-type tubular joints subjected to the concurrent action of compression and bending. Three of the available design codes, i.e., AISC, Eurocode 3, ISO 19902 were investigated and a design equation was suggested for an ultimate strength interaction between the axial force and bending moment based on nonlinear finite element analyses by selecting the slenderness ratios at the joints as major parameters.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

기존 설계기준에서는 축력에 대한 강도와 휨에 대한 강도를 별도로 규정하고 있지만, 축력과 휨모멘트가 동시에 작용할 경우 서로의 강도에 영향을 주고 받게 된다. 본 연구에서는 압축과 휨이 동시에 작용하는 강관 T조인트의 강도평가를 수행하였다. 주강관과 지강관의 세장비를 주요 매개변수로 한 비선형 유한요소해석을 통하여 축력과 모멘트에 대한 극한강도 상호작용을 설계식으로 제안하였다.

가설 설정

위 3가지 설계기준 모두 지강관의 압축력 및 모멘트와 함께 주강관에 축방향 하중이 작용하는 경우까지 고려된 것을 알 수 있는데, 본 연구에서는 주강관의 축력은 고려되지 않았다. 본 연구에서 대상으로 하는 멀티기둥 풍력타워 시스템에서 개별 수직강관(주강관) 부재는 그 개수에 상관없이 직경 2 m 급, 수평강관(지강관) 부재는 1 m 급으로 가정하였다. 주강관 및 지강관 모두 지름의 5배만큼 길이를 조인트모델에 포함시켰다.

제안 방법

강관조인트의 설계기준은 그 기하학적 조인트종류와 파괴형상모드, 작용하중의 조합종류에 따라 분류되고 있다. T 조인트의 지강관에 축방향 하중 및 모멘트하중이 작용할 때, 주강관 펀칭전단(chord punching shear) 파괴 모드가 아닌 주강관 소성화(chord plastification) 파괴모드에 의해 강도가 결정되는 경우의 설계강도를 AISC[7], Eurocode 3[8], ISO 19902[9]의 순으로 살펴보고자 한다. 먼저 AISC는 조인트에서 지강관의 축방향 공칭강도 P_n 및 면내(in-plane) 휨모멘트 공칭강도 M_n을 식 (1) 과 (2)에 보인 바와 같이 제안하고 있다.
Eurocode 3의 경우 각각 Class 1, 2, 3에 해당되는데 Table 2에 정리되었듯이 항복응력의 크기에 따라 결정된다. 본 연구에서는 세 범주에 속하는 각 대표단면을 설정하여 예제해석을 수행하였다. 대표단면으로 설정된 세 장비 33, 46.
즉, 앞서 설계식에서 확인할 수 있듯이 주강관 세장비에 따라 결정될 뿐 지강관 세장비는 고려되지 않는다. 본 연구에서는 지강관이 먼저 국부좌굴이 발생하지 않도록 지강관의 세장비를 주강관의 세장비보다 크기 않게 설정하였다. 극한강도해석을 위한 6개의 조인트 모델의 각 세장비는 Table 4에 표시되었는데, 지강관은 주강관보다 먼저 파괴되지 않는다는 가정을 구현하기 위한 조합이다.
이러한 거동은 크라운에 수직하중을 받는 아치구조에서 나타나는 snap-through buckling과 유사한 것으로 주강관 벽체가 원주 내부로 변형이 발생되는 순간에 발생된다[3]. 사용성 등의 평가를 근거로 본 연구에서는 최초의 정점, 즉 주강관의 snap-through buckling 강도를 극한강도로 평가한다.
수직 및 수평의 원형단면 강관으로 구성된 공간프레임 타워 구조를 대상으로 조인트 부위에서의 축방향강도와 휨강도의 산정방식을 AISC, Eurocode3, ISO 19902의 3가지 강관조인트 설계기준을 통해 검토하였다. 기존 설계기준에서는 축력에 대한 강도와 휨에 대한 강도를 별도로 규정하고 있지만, 축력과 휨모멘트가 동시에 작용할 경우 서로의 강도에 영향을 주고 받게 된다.
앞서 서술된 T 조인트에 대한 각각의 설계강도제안식으로 산정된 공칭강도를 ABAQUS[10]를 이용한 비선형 해석을 통해 비교·검토한다.
소성화에 의한 극한 강도 해석을 위해 사용된 비선형 재료모델은 Table 4와 Figure 2에 제시되었다. 재료의 항복응력은 극한강도해석에 지배적인 변수이므로, 우선적으로 본 연구에서는 고평부(plateau)를 통해 뚜렷한 항복점을 가지는 도로교 설계기준[10]상의 SM520 수준의 강종을 선정하였다. 상업용 유한요소 프로그램 ABAQUS[11]를 이용하여 실린더 형태의 주강관에 곡률이 고려되어 절단면을 확보한 지강관을 접합하여 조인트를 모델링하였다.
본 연구에서는 압축과 휨이 동시에 작용하는 강관 T조인트의 강도평가를 수행하였다. 주강관과 지강관의 세장비를 주요 매개변수로 한 비선형 유한요소해석을 통하여 축력과 모멘트에 대한 극한강도 상호작용을 설계식으로 제안하였다. 극한강도대비 작용하중의 상대크기를 각각 기준으로 축력과 휨모멘트의 상호작용효과는 지수 1.

대상 데이터

상업용 유한요소 프로그램 ABAQUS[11]를 이용하여 실린더 형태의 주강관에 곡률이 고려되어 절단면을 확보한 지강관을 접합하여 조인트를 모델링하였다. 대변형 (large deformation)을 고려하기 위하여 유한 변형도 요소(finite strain element)인 S4R을 사용하였다.

이론/모형

재료의 항복응력은 극한강도해석에 지배적인 변수이므로, 우선적으로 본 연구에서는 고평부(plateau)를 통해 뚜렷한 항복점을 가지는 도로교 설계기준[10]상의 SM520 수준의 강종을 선정하였다. 상업용 유한요소 프로그램 ABAQUS[11]를 이용하여 실린더 형태의 주강관에 곡률이 고려되어 절단면을 확보한 지강관을 접합하여 조인트를 모델링하였다. 대변형 (large deformation)을 고려하기 위하여 유한 변형도 요소(finite strain element)인 S4R을 사용하였다.

성능/효과

분석된 세 가지 설계기준 모두 조인트 강도는 주강관에 작용하는 축력 및 모멘트의 영향을 받는 식으로 표현 됨을 알 수 있다. ISO 19920의 경우 지강관이 인장 또는 압축 상태를 구분하여 강도산정식을 제공하고 있다.
Figure 5는 면내 휨모멘트를 가했을 경우 모멘트와 회전변위의 상관관계를 보여준다. 압축력을 가했을 때처럼 snap-through 현상은 발생하지 않지만 최종 선형구간의 종점을 항복발생시점과 유사하다고 보았을 때, 변형도경화 효과가 극한강도에 미치는 영향이 상당함을 확인할 수 있다.
앞서 서술된 T 조인트에 대한 각각의 설계강도제안식으로 산정된 공칭강도를 ABAQUS[10]를 이용한 비선형 해석을 통해 비교·검토한다. 위 3가지 설계기준 모두 지강관의 압축력 및 모멘트와 함께 주강관에 축방향 하중이 작용하는 경우까지 고려된 것을 알 수 있는데, 본 연구에서는 주강관의 축력은 고려되지 않았다. 본 연구에서 대상으로 하는 멀티기둥 풍력타워 시스템에서 개별 수직강관(주강관) 부재는 그 개수에 상관없이 직경 2 m 급, 수평강관(지강관) 부재는 1 m 급으로 가정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	단일 실린더형 타워구조의 직경이 대형화됨에 따른 문제점은?	다양한 구조물에 적용되는 단일 실린더형 타워구조는 상부하중의 증과와 더불어 직경이 대형화될 수 밖에 없다. 이러한 직경 대형화는 강관의 좌굴 내하력 감소로 이어져 강관의 두께 증가가 불가피하고, 바람에 의한 투영 면적이 넓어지므로 타워 자체가 받는 풍하중의 크기가 증가하는 등의 문제점이 발생될 수 있다. 이러한 대단면 타워구조의 대안으로 소구경 강관의 조합으로 구성되는 공간프레임(space frame) 타워시스템이 제안될 수 있다.
	멀티기둥 타워구조의 장점은?	이러한 구조시스템은 상대적으로 작은 단면을 가지는 다수의 원형강관을 배치하고 각각의 강관이 수평재로 연결된 구조시스템을 의미한다. 멀티기둥 타워구조는 기존의 대단면 실린더형 강관보다 강재량을 줄이면서도 풍하중의 영향을 완화시킬 수 있는 장점이 있다[1∼6].
	공간프레임 타워를 하나의 타워구조로 거동하게 하기 위해 중요한 것은?	수직 및 수평의 원형단면 강관으로 구성된 공간프레임 타워는 강재량을 줄이면서도 풍하중의 영향을 완화시킬 수 있는 장점으로 다양한 목적으로 널리 적용되고 있다. 이러한 공간프레임 타워를 하나의 타워구조로 거동하게 하기 위해서는 수직 강관과 수평 강관의 연결부인 강관조인트의 강도 확보가 중요하다. 본 연구에서는 압축과 휨이 동시에 작용하는 강관 T조인트의 강도평가를 수행하였다.

참고문헌 (11)

Kim, J., Hwang, M.O., Choi, B.H., and Kim, K. (2013) Concept design of the new-type 10MW steel wind towers, Proc. of 39th KSCE conference, pp. 2340-2343.
Kim, J., Park, H.Y., Kim, K. (2014) Performance evaluation of junctions between multi-tubular and cylindrical sections for steel wind tower, Journal of Korea Academia-Industrial Coopera- tion Society, KAIS, Vol.15, No.3, pp.1764-1769. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2014.15.3.1764

원문보기 상세보기
Kim, K., Park, H.Y., Seo, D. H. (2015) Strength evaluation of T-type tubular joints for circular section multi-column wind towers, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol. 27. No. 1, pp. 119-129 DOI: http://dx.doi.org/10.7781/kjoss.2015.27.1.119

원문보기 상세보기
S.P. Chiew, and C.K. Soh (2000) Strain concentrations at intersection regions of a multiplanar tubular DX-joint, Journal of constructional steel research, Vol.53, pp.225-244. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/S0143-974X(99)00068-1

상세보기
Shao Y.B., Lie S.T., Chiew S.P., and Cai Y.Q. (2011) Hysteretic performance of circular hollow section tubular joints with collar-plate reinforce- ment, Journal of constructional steel research, Vol.67, pp.1936-1947. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.jcsr.2011.06.010

상세보기
Lee, H.D., Lee, J.M., Lee, S.H., and Shin, K.J. (2011) Investigation of the tube-gusset connection in 600 MPa circular hollow section, Procedia Engineering Vol.14, pp.2124-2132. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.proeng.2011.07.267

상세보기
AISC (2011) Steel construction manual, 14th Ed, American Institute of Steel Construction, USA.
CEN (2005) Eurocode 3: Design of steel structures, Part 1-8: Design of joints, European Committee for Standardization.
ISO 19902 (2007) Petroleum and natural gas industries-Fixed steel offshore structure, Inter- national standard, 1st Ed., Switzerland.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport (2013). Korea roadway bridge design code: limit state design
Abaqus Inc.(2008), ABAQUS standard user's manual. Version 6.8.-2.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증