선택한 단어 수는 입니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
최소 단어 이상 선택하여야 합니다.
선택한 단어 수는 30입니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
최대 10 단어까지만 선택 가능합니다.
문제 정의
- , 2014)를 바탕으로 접합부의 최대내력과 파단형태를 예측하는데 유한요소해석의 타당성을 검증하고 하중방향 연단거리에 따른 면외변형 구속여부에 대한 추가 변수해석을 실시하여 면외변형 발생조건과 내력 저하정도를 제시하고자 한다. 또한, 해석결과로 얻어진 접합부의 내력과 현행 설계 기준식에 의한 내력을 비교하여 설계식의 적용성을 고찰하는 것을 연구 목적으로 한다.
- 본 연구에서는 기존의 STS201 2행 2열 일면전단 볼트접합부(공칭평판두께 3.0 mm, 볼트직경 12 mm)의 실험결과(Cho et al., 2014)를 바탕으로 접합부의 최대내력과 파단형태를 예측하는데 유한요소해석의 타당성을 검증하고 하중방향 연단거리에 따른 면외변형 구속여부에 대한 추가 변수해석을 실시하여 면외변형 발생조건과 내력 저하정도를 제시하고자 한다. 또한, 해석결과로 얻어진 접합부의 내력과 현행 설계 기준식에 의한 내력을 비교하여 설계식의 적용성을 고찰하는 것을 연구 목적으로 한다.
가설 설정
- 볼트의 전단파단에 대해서는 고려하지 않는 것을 가정하여 강체요소(Rigid element)로 한다. 지압형 볼트접합부이므로 볼트의 초기장력(Pretension)은 별도로 모델링 하지 않고 너트와 와셔의 구속효과를 고려하여 판 두께 방향 변위를 구속한다.
제안 방법
- 1) 하중방향연단거리(e=24 mm∼80 mm)와 하중직각방향 연단거리(b=30 mm, 36 mm, 48 mm, 60 mm)에 대한 추가 변수해석을 통해 면외변형이 접합부의 최대내력저하에 영향을 주는 하중방향 및 하중직각방향 연단거리 조건(36≤e≤80 36 mm, 48≤b≤60mm)을 제시하였다.
- STS201 고강도 오스테나이트계 스테인리스강 일면전단 볼트접합부의 최대내력 및 면외변형양상을 실험적 방법 이외로 연단거리에 대한 내력의 영향을 조사하기 위해 하중방향 연단거리(e=24~80 mm)와 하중직각방향 연단거리 (b=30, 36, 48, 60 mm)를 변수로 추가적인 변수로 설정하여 유한요소해석을 수행한다. 또한, 면외변형이 접합부의 최대내력에 미치는 영향을 조사하고자 Fig.
- Table 3에 기존 실험결과(Cho et al., 2014)와 유한요소해석 결과의 최대내력, 파단형태 및 면외변형 발생여부를 비교하였다. 실험종료시점에서의 볼트간 인장파단 및 면외변형과 해석결과의 최대내력시점에서 얻어진 응력분포와 면외변형형상을 Fig.
-
STS201 고강도 오스테나이트계 스테인리스강 일면전단 볼트접합부의 최대내력 및 면외변형양상을 실험적 방법 이외로 연단거리에 대한 내력의 영향을 조사하기 위해 하중방향 연단거리(e=24~80 mm)와 하중직각방향 연단거리 (b=30, 36, 48, 60 mm)를 변수로 추가적인 변수로 설정하여 유한요소해석을 수행한다. 또한, 면외변형이 접합부의 최대내력에 미치는 영향을 조사하고자 Fig. 2의 해석모델에 두께방향의 변위
(U3)를 구속(면외변형 구속)시킨 해석모델을 설정하여 해석을 수행하였다. - 하중방향 연단거리(e)를 변수로 하여 면외변형 발생여부와 그에 따른 최대내력에 미치는 영향을 조사하였다. 볼트배열은 2행 2열이고 볼트전단파단이 아닌 볼트지압에 의한 판의 파단이 발생되도록 실험체를 계획하였다. 공칭평판두께(t)는 3.
- , 2010a). 실험이 종료된 시점에서 외형적인 종국파단형태는 하중직각방향의 순단면파단(N)으로 판단할 수 있으나 기존 실험결과의 현행기준식인 ASCE에의한 순단면 파단 예측내력과 실험최대내력 사이에 큰 차이와 뚜렷한 순단면 방향으로 네킹현상이 관찰되지 않은 점으로부터 최대내력시점에서의 파단형태는 블록전단파단(볼트간 인장파단과 하중방향의 전단항복의 조합)으로 판단하였다(Cho et al., 2014).
- 오스테나이트계 스테인리스강(STS201) 2행 2열 일면전단 볼트접합부(공칭평판두께 3.0 mm, 볼트직경 16 mm, 피치와 게이지는 공통 48 mm)의 실험결과를 토대로 유한요소해석 모델을 제시하였다. 해석모델의 타당성 검증을 토대로 하중직각방향 연단거리(b)와 하중방향연단거리(e)에 대한 변수해석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 0 mm의 크기로 메쉬를 분할하고, 두께방향에 대해서는 3등분한다. 유한요소해석 모델에서 실험에서 관찰된 면외변형 등의 대변형을 고려한 기하비선형 해석 조건인 Nlgeom 기능을 설정하였다.
- 하중방향 연단거리(e)를 변수로 하여 면외변형 발생여부와 그에 따른 최대내력에 미치는 영향을 조사하였다. 볼트배열은 2행 2열이고 볼트전단파단이 아닌 볼트지압에 의한 판의 파단이 발생되도록 실험체를 계획하였다.
- 0 mm, 볼트직경 16 mm, 피치와 게이지는 공통 48 mm)의 실험결과를 토대로 유한요소해석 모델을 제시하였다. 해석모델의 타당성 검증을 토대로 하중직각방향 연단거리(b)와 하중방향연단거리(e)에 대한 변수해석을 실시하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 3과 같이 제시하였다. 해석시간을 단축하기 위해 파단측인 평판두께 3.0 mm인 부분만 모델링하였다.
대상 데이터
- 1은 실험체의 형상 및 셋팅상황을 나타낸다. 사용한 강재인 STS201 오스테나이트계 스테인리스강은 냉간가공에 의해 항복점이 300계보다 40%정도 높고, 화학조성은 16Cr-3.5Ni이며, 압연중에 변태현상을 동반하지 않고 비자성을 나타낸다(KS, 2015)
이론/모형
- 평판부의 해석요소는 8개의 절점을 가진 저감적분(Reduced integration) 솔리드 요소인 C3D8R을 적용하였다(Kim et al., 2007).
- 폰 미세스 항복조건 및 등방경화법칙이 적용되는 탄소성재료모델을 채택하였다. 해석모델에 사용되는 재료 데이터는인장시험 결과로부터 얻어진 공칭응력도-공칭변형도(σn – ∊n)값을 식 (1)과 식 (2)을 이용하여 하중 및 하중직각방향의 인장시편의 단면적 변화가 고려된 진응력도-진변형도(σt – ∊t) 값으로 변환하고, 탄성영역 이후의 소성영역거동은 식(3)에 따라 전체변형도(∊t)에서 탄성변형도(∊et)를 공제한 소성변형도(∊pl)를 입력하였다(ABAQUS, 2003).
- 하중 증가에 따른 볼트접합부의 응력분포와 변형양상을 상세하기 조사하기 위하여 기존실험결과를 토대로 비선형 유한 요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하여 기존 해석모델(Kim et al., 2007, Cha et al., 2016)을 참조하여 Fig. 3과 같이 제시하였다. 해석시간을 단축하기 위해 파단측인 평판두께 3.
성능/효과
- 2) 면외변형에 의한 내력저하정도를 평가하기 위해 두께방향의 변위를 구속시킨 해석모델을 추가적으로 해석을 수행하였고, SAM4T30B48 시리즈, SAM4T30B60 시리즈 접합부에서 각각 최대 19%, 32%의 내력저하가 발생하였다.
- 접합부의 면외변형에 의한 강성 및 내력저하와 동시에 볼트간 인장파단으로 최대내력이 결정되었고, 최대내력시점에서의 변형형상과 응력분포(즉, 하중직각방향 볼트간 인장파단 시점에서 하중방향의 볼트간 전단단면에 응력이 집중됨)로부터 최종파단형태는 블록전단파단(BS)으로 판단된다. 2장의 기존실험결과에서 실험종료시점에서의 파단형태는 외형적으로 인장파단이지만 ASCE기준내력 비교결과와 최대내력시점에서 볼트간 인장파단과 하중방향 볼트간 전단위험 단면에서 항복상태의 조합인 블록전단파단으로 판단된다고 언급하였다.
- 3) 현행기준식의 순단면파단내력은 면외변형이 발생하지 않았거나 발생하였더라고 내력저하에 미치는 영향이 미비했던 접합부에 대한 해석내력과 큰 차이는 없었다. AISC/KBC, AISI와 AIJ의 기준식에 의해서는 평균 4% 과대평가되었고, ASCE의 기식은 평균 5% 과소평가하는 것으로 나타났다.
- 4) 면외변형에 의한 내력저하가 관찰된 접합부에 대해 해석의 파단형태와 동일한 블록전단파단에 대한 현행기준과 기존연구자(Teh et al.)의해 제시된 내력식에 의한 예측내력(Put)과 해석최내력(Pua)을 비교한 결과, AISC/KBC와 AISI는 평균 내력비(Put/Pua)가 0.95, AIJ는 1.54, Teh et al.식은 0.
- 3) 현행기준식의 순단면파단내력은 면외변형이 발생하지 않았거나 발생하였더라고 내력저하에 미치는 영향이 미비했던 접합부에 대한 해석내력과 큰 차이는 없었다. AISC/KBC, AISI와 AIJ의 기준식에 의해서는 평균 4% 과대평가되었고, ASCE의 기식은 평균 5% 과소평가하는 것으로 나타났다. 구조안정성 측면에서 순단면 파단에 대해서는 스테인리스강 구조기준인 ASCE가 더 적합한 것으로 판단된다.
- SEI/ASCE의 순단면파단 내력 식 (13)에 의한 최대내력비(Put/Pua)는 0.93∼0.97(평균=0.95)의 범위로 다른 기준식에 비해 내력을 안정적으로 평가하는 것을 알 수 있었다.
- 6(f))은 순단면파단(N)이 발생하였다. 결과적으로 하중직각방향 연단거리(b)가 48 mm, 60 mm이고 하중직방향 연단거리가 36 mm이상인 접합부에서 면외변형 발생으로 내력이 저하에 영향을 주는 것으로 나타났고 각각 최대 19%, 32%의 내력저하가 발생하였다.
- , 2013c))으로 제작된 볼트접합부의 구조적 거동이 실험과 해석적 연구에 의해 조사되었다. 그 결과, 스테인리스강의 재료적 특성과 박판의 형상적 요인에 의해 하중직각방향(판두께 방향)으로 면외변형(Curling)이 발생하였고, 하중방향 연단거리와 하중직각방향 연단거리가 비교적 긴 접합부에서 특히 면외변형의 발생에 의한 접합부의 내력저하가 관찰되었다. 연단거리에 따른 면외변형 발생조건, 면외변형을 고려한 새로운 내력평가식이 제안되었다.
- 그 결과, 하중직각방향 연단거리 (b)가 30 mm, 36 mm인 접합부는 AISC/KBC, AISI, AIJ의 식 (4)에 의한 최대 내력비(Put/Pua)는 1.02∼1.06(평균=1.04)의 범위로 나타났으며 상기 현행 기준식에 의해 순단면파단된 접합부의 내력을 평균 4%정도 과대평가되는 것으로 나타났다.
- 동일한 하중방향 연단거리를 갖는 볼트접합부에서 하중직각 방향연단거리가 더 긴 SAM4T30B60시리즈가 SAM4T30B48시리즈보다 면외변형에 의한 내력저하정도가 높았다.
- 85)의 범위로 나타났다. 면외변형에 의한 내력저하 정도가 큰 접합부(즉, 하중방향 연단거리가 긴 접합부) 일수록 블록전단파단내력식에 의해 최대내력을 과대평가하는 경향을 보였다. SEI/ASCE에서는 별도로 블록전단 내력식을 규정하지 않고 있으며, 상기의 탄소강 구조설계기준에서 제시되고 있는 블록전단파단식에 의해서는 고강도 오스테나이트계 스테인리스강 STS201로 제작된 일면전단 볼트접합부에서 발생되는 블록전단파단의 내력을 평가하는 것은 적합하지 않는 것으로 판단된다.
- 실험 최대내력(Pue)에 대한 해석 최대내력(Pua)의 내력비(Pua/Pue)는 0.99∼1.05의 범위로 나타났고, 유한요소해석에 의해 볼트접합부 실험체의 내력을 평가 하는데 신뢰성이 있는 것으로 판단된다.
- 실험결과 Table 1에서 알 수 있듯이 실험체 모두 면외변형이 발생하였고, 하중방향 연단거리가 40 mm, 48 mm, 64 mm인 접합부의 최대내력(Pue)에는 큰 차이가 없었다. 하중방향 연단거리가 가장 긴 실험체 SAM4T30B60E80(e=80 mm)s는 면외변형에 의해 내력저하가 가장 컸고 최대내력이 209.
- 5의 우측 응력분포 및 변형양상으로부터 면외변형과 하중방향 연단에서 멀리 떨어진 볼트에서 응력집중이 관찰되었다. 접합부의 면외변형에 의한 강성 및 내력저하와 동시에 볼트간 인장파단으로 최대내력이 결정되었고, 최대내력시점에서의 변형형상과 응력분포(즉, 하중직각방향 볼트간 인장파단 시점에서 하중방향의 볼트간 전단단면에 응력이 집중됨)로부터 최종파단형태는 블록전단파단(BS)으로 판단된다. 2장의 기존실험결과에서 실험종료시점에서의 파단형태는 외형적으로 인장파단이지만 ASCE기준내력 비교결과와 최대내력시점에서 볼트간 인장파단과 하중방향 볼트간 전단위험 단면에서 항복상태의 조합인 블록전단파단으로 판단된다고 언급하였다.
후속연구
- 추후, 연단거리에 따른 상세변수해석을 통해 명확한 면외변형 발생조건과 면외변형을 고려한 내력평가식을 제안할 필요가 있다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.