탄소섬유쉬트(CFRP Sheets)로 보강된 각형강관(HSS)기둥의 유한요소해석 연구 A Study on Finite Element Methods for HSS(Hollow Square Section) Steel Columns Strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer Plastic(CFRP) Sheets원문보기
본 연구에서는 탄소섬유쉬트로 보강된 각형강관 기둥의 유한요소 해석결과를 소개하고 있다. 실험체 개수는 총 6개이며, 각형강관에 대해서는 비조밀 단면 단주, 세장판 단면 단주, 비조밀 단면 장주로 구성되어 있다. 실험변수는 탄소섬유쉬트 보강겹수이다. AFRP 스트립과 강재사이의 부착거동과 부착응력-슬립관계를 규명하였다. 총 6개의 실험체에 대하여 ANSYS V.14.0을 사용하여 유한요소해석을 수행하였으며, 파괴모드, 하중-변위곡선, 최대내력, 초기강성에 대해 실험결과와 비교하였다. 끝으로, AISC cold-formed steel structures 기준에 근거하여 세장비에 따른 좌굴응력값을 산정하였으며, 각 단면타입에 대한 좌굴응력값 및 보강효과를 비교하였다.
본 연구에서는 탄소섬유쉬트로 보강된 각형강관 기둥의 유한요소 해석결과를 소개하고 있다. 실험체 개수는 총 6개이며, 각형강관에 대해서는 비조밀 단면 단주, 세장판 단면 단주, 비조밀 단면 장주로 구성되어 있다. 실험변수는 탄소섬유쉬트 보강겹수이다. AFRP 스트립과 강재사이의 부착거동과 부착응력-슬립관계를 규명하였다. 총 6개의 실험체에 대하여 ANSYS V.14.0을 사용하여 유한요소해석을 수행하였으며, 파괴모드, 하중-변위곡선, 최대내력, 초기강성에 대해 실험결과와 비교하였다. 끝으로, AISC cold-formed steel structures 기준에 근거하여 세장비에 따른 좌굴응력값을 산정하였으며, 각 단면타입에 대한 좌굴응력값 및 보강효과를 비교하였다.
This paper presents the finite element method results for HSS(Hollow Square Section) steel columns strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer Plastic(CFRP) sheets. 6 specimens were fabricated and the specimen groups were non-compact short columns, slender short columns, and non-compact long c...
This paper presents the finite element method results for HSS(Hollow Square Section) steel columns strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer Plastic(CFRP) sheets. 6 specimens were fabricated and the specimen groups were non-compact short columns, slender short columns, and non-compact long columns. Test parameter was the number of CFRP ply. The finite element analysis was performed by using ANSYS Workbench V.14.0 and the results of FEM were compared with those of Test for failure mode, load-displacement curve, maximum load, and initial stiffness. The comparisons between experimental observations and computed results show that the analyses provided good correlation to actual behavior. Finally, the buckling stress were calculated according to the AISC cold-formed structure provision and the retrofitting effect were verified for each section type.
This paper presents the finite element method results for HSS(Hollow Square Section) steel columns strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymer Plastic(CFRP) sheets. 6 specimens were fabricated and the specimen groups were non-compact short columns, slender short columns, and non-compact long columns. Test parameter was the number of CFRP ply. The finite element analysis was performed by using ANSYS Workbench V.14.0 and the results of FEM were compared with those of Test for failure mode, load-displacement curve, maximum load, and initial stiffness. The comparisons between experimental observations and computed results show that the analyses provided good correlation to actual behavior. Finally, the buckling stress were calculated according to the AISC cold-formed structure provision and the retrofitting effect were verified for each section type.
본 논문에서는 비조밀 단면 단주, 장주와 세장판 단면 단주 실험체 총 6개의 실험결과를 근거로 유한요소해석을 수행하였으며, 해석결과를 실험결과와 비교 분석하였다. 비교분석을 위해 파괴거동, 하중-변위곡선, 최대내력, 초기강성 등의 항목으로 실험, 해석결과를 비교하였으며, 유한요소 해석을 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.
제안 방법
에 대한 후속연구로 비조밀 단면으로 구성된 각형강관 단주 및 장주의 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소 해석을 통해 파괴모드, 하중-변위 곡선, 최대내력, 강성 등을 비교하였으며, 단주에서 비조밀 단면과 세장판 단면의 구조적 거동을 기존의 실험결과와 비교분석하여, 유한요소모델의 타당성을 검증한다.
대상 데이터
해석을 위한 실험체는 박재우의 기존 연구문헌[2],[3]을 참조하여 선택하였으며, 비조밀 단면 단주실험체 2개를 유한요소 모델링 실험체 계획에 추가하였다. 해석에 사용된 실험체의 개수는 건축구조기준[6]에서 제시한 비조밀단면 단주 실험체군(NS group) 2개, 비조밀단면 장주 실험체군(NL group) 2개, 세장판단면 단주 실험체군(SS group) 2개로 총 6개 해석모델 실험체로 설정하였다. 먼저 비조밀 단면은 기성 각형강관 재료인 □-75×75×3.
이론/모형
0이다. 해석을 위한 실험체는 박재우의 기존 연구문헌[2],[3]을 참조하여 선택하였으며, 비조밀 단면 단주실험체 2개를 유한요소 모델링 실험체 계획에 추가하였다. 해석에 사용된 실험체의 개수는 건축구조기준[6]에서 제시한 비조밀단면 단주 실험체군(NS group) 2개, 비조밀단면 장주 실험체군(NL group) 2개, 세장판단면 단주 실험체군(SS group) 2개로 총 6개 해석모델 실험체로 설정하였다.
성능/효과
(1) 해석에 대한 파괴모드를 정리하면, 단주실험체는 강관의 두 면은 안쪽방향으로 좌굴(Inward local buckling)이 발생하였으며, 나머지 두 면은 바깥쪽 방향으로 좌굴(,Outward local buckling)이 발생하는 파괴모드를 가졌으며, 장주실험체는 무보강실험체(NL-0P)는 전체좌굴(,Globla buckling)이 발생하였고, 보강실험체(NL-3P)는 CFRP쉬트의 보강으로 전체좌굴을 제어하여 하단에서 단주실험체와 같은 파괴모드를 보였으며, 유한요소에 의한 파괴모드와 실험파괴모드는 유사하게 나타났다.
(2) 하중-변위곡선에서는 하중초기구간에서는 선형적으로 강도가 증가하다 최대내력 이후 하중이 저하되는 경향을 보였으며, 실험결과와 해석결과는 경향은 유사하게 나타나 해석결과의 신뢰도를 검증할 수 있었다. NS계열 실험체는 항복강도 이상의 최대내력을 발휘하였으나, NL계열 실험체는 전체좌굴의 영향으로 항복강도 수준의 내력만 발휘하였다.
(3) 최대내력, 초기강성에 대해 실험결과와 해석결과를 비교하면 실험결과와 해석결과가 유사하게 나타나 해석결과의 신뢰도가 높은 것으로 나타났다. 최대내력은 평균 1%, 표준편차 0.
(4) 본 연구에서 얻은 실험결과와 해석결과를 토대로 AISC cold-formed structures 기준과 비교한 결과 비조밀 단면인 NS계열은 좌굴강도(fcr )가 항복강도(fy)보다 커 항복강도 이후 좌굴이 발생하는 비조밀 단면의 성질을 지님을 알 수 있었으며, 기준과 비교한 결과 단면의 유효폭 감소가 없음을 알 수 있다. 또한 보강실험체와 비보강 실험체의 좌굴응력 값이 거의 유사하여(3% 정도 상승) 비조밀 단면에서는 보강효과가 미비함을 알 수 있다.
(5) 세장판 단면인 SS계열은 좌굴강도(fcr )가 항복강도(fy)보다 작게 나타났으며, 이를 통해 국부좌굴이 항복강도 이전에 발생하는 세장판 단면의 성질을 지님을 알 수 있었다. 또한 기준과 비교한 결과 세장비가 커 국부좌굴의 영향으로 유효폭의 감소가 있음을 알 수 있다.
후속연구
(6) 결론 4,5는 본 연구에서 수행한 실험 및 해석결과를 토대로 도출한 것이며, 향후 다양한 변수를 고려한 실험적 연구 및 해석적 연구를 통해 검증할 필요가 있다고 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
좌굴응력(fcr )은 하중-변위 곡선 상에서 최대내력점에 대한 하중값을 강재의 단면적으로 나누어 산정한 이유는?
좌굴응력(fcr )은 하중-변위 곡선 상에서 최대내력점에 대한 하중값을 강재의 단면적으로 나누어 산정하였다. 이는 일반적으로 국부좌굴의 발생시점이후 내력이 저하되며, 하중-변위곡선에서 기울기의 방향이 바뀌기 때문이다. 실험으로부터 얻은 좌굴응력을 근거로 식 (2)를 이용해 세장비(λ)를 산정하였으며, 이를 Table 5에 정리하였다.
FRP의 장점은?
최근 국외에서 강구조물을 대상으로 섬유보강플라스틱(Fiber reinforced polymer plastic, 이하 FRP라 함)의 보수보강에 대한 연구와 현장사례가 증가함에 따라 국내에서도 이 분야에 대한 관심이 증가하고 있다. FRP는 강재대비 비중이 1/5수준이며, 중량대비 높은 인장능력을 지니고 있으며, 부식에 대한 저항성이 높고, 기존 강판보강법에서 수행한 용접 혹은 볼트로 인한 모재의 단면손실 없이 에폭시로 단순히 증타하기만 하면 되어 시공성이 우수하다는 장점이 있다[1]. 이로 인해 해외에서는 강구조물의 FRP보강에 대한 연구가 상당수 진행되었고, 현장에서 실제 적용되고 있으나, 국내에서는 강구조물의 FRP 보강에 대한 연구는 아직 초기 단계이며 휨재, 압축재 등에 대한 연구가 수행되었다[2],[3],[4].
본 연구에서 유한요소 해석을 위해 사용한 상용프로그램은 무엇인가?
본 연구에서 유한요소 해석을 위해 사용한 상용프로그램은 ANSYS Workbench V.14.0이다. 해석을 위한 실험체는 박재우의 기존 연구문헌[2],[3]을 참조하여 선택하였으며, 비조밀 단면 단주실험체 2개를 유한요소 모델링 실험체 계획에 추가하였다.
참고문헌 (8)
Xiao, X.L. and Zhang, L. (2006). State-of-the art Review on FRP Strengthened Steel Structures, Engineering Structures, Vol.29, pp.1808-1823.
박재우, 최선규, 최성모, 송동엽, 유정한(2012) 탄소섬유쉬트(CFRP Sheets)로 보강된 세장한 각형강관기둥의 중심축하중실험, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제24권, 제6호, pp.735-742. Park, J.W., Choi, S.K., Choi, S.M., Song, D.Y., and Yoo, J.H. (2012). Concentrated Axial Loading Test for Slender Square Hollow Section Retrofitted by Carbon Fiber Reinforced Polymer Sheets(CFRP Sheets), Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.24, No.6, pp.735-742 (in Korean).
최성모, 박재우(2014) 섬유보강플라스틱(FRP) 스트립으로 보강한 철골보의 휨거동에 관한 실험적연구, 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제26권, 제2호, pp.69-79. Choi, S.M. and Park, J.W. (2014). Experimental Study of Flexural Behavior of Steel Beam Strengthened with the Fiber Reinforced Polymer Plastic(FRP) Strips, Journal of Korean Society of Steel Construction, KSSC, Vol.26, No.2, pp.69-79(in Korean).
Park, J.W., Yeom, H.J., and Yoo, J.H. (2013). Axial Loading Tests and FEM Analysis of Slender Square Hollow Section (SHS) Stub Columns Strengthened with Carbon Fiber Reinforced Polymers, International Journal of Steel Structures, Vol.13, No.4, pp.731-743.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.