Plastic Strain Analysis and Ultimate Resistance Criteria of Tubular Joints with High Strength Steel = 고강도강 강관접합부의 소성 변형도 평가를 통한 강도 산정법

국문 초록 (Abstract)

고강도 강재를 적용한 강관 용접 접합부의 설계 및 해석시 고강도 강재의 취성적인 특성으로 인한 조기파단 발생 가능성을 고려해야 한다. 수치해석모델에 재료 손상 모델(material damage model)을 적용하면 초기파단의 발생 및 진행을 모사할 수 있으나, 재료 손상 모델은 실험 결과를 바탕으로 한 매개변수 보정을 필수적으로 요구하기 때문에 실제 설계 과정에서의 활용도가 제한적이다. 변형도 한계 기준(strain limit criterion)은 접합부 특정 지점에서 측정한 변형도가 설정된 한계를 초과할 시점의 하중을 접합부의 극한 강도로 산정하는 방법으로, 파단과 직접적인 연관이 있는 변형도 측정을 통해 재료 손상 모델 없이 수치해석으로 고강도 강관 접합부의 강도를 평가할 수 있다는 점에서 실용적인 대안이 될 수 있다. 국제 강관 접합부 설계 표준 ISO 14346의 최신 개정안에서는 하중 유형 및 접합부 형태에 관계없이 변형도 한계를 일괄적으로 5%로 적용할 것을 제안하고 있으나, 변형도를 평가하는 구체적인 방법이 명시되어 있지 않다. 또한 접합부의 유형에 따라 연성 및 파괴 특성이 다름에도 불구하고 동일한 한계를 적용하는 점에서, 각 접합부 유형에 맞는 적절한 변형도 한계를 제시할 필요가 있다. 이를 해결하기 위해 다양한 접합부 유형을 고려한 광범위한 연구가 요구된다.
본 연구에서는 강관 접합부의 변형도 한계 기준을 확립하고 이를 적용하기 위한 실험 및 수치해석을 수행하였으며, 구체적인 변형도 평가 방법을 제시하였다. 접합부 유형에는 가장 흔히 활용되는 강관 접합부 유형인 원형강관 K 접합부, 가장 큰 연성 거동을 보이는 길이 방향 거셋 플레이트 강관 X 접합부, 그리고 가장 낮은 연성 거동을 보이는 횡방향 거셋 플레이트 강관 X 접합부를 포함하였으며, 플레이트 강관 접합부의 주관의 경우 각형강관과 원형강관 모두를 포함하였다. 재료에는 항복강도 최대 700 MPa의 고강도 강재를 적용하였으며, 하중-변형 관계, 균열 발생 및 변형도 분포를 체계적으로 분석하였다.
실험으로 검증된 수치해석모델을 활용하여 변형도 한계 기준의 적용 가능성을 검토하였다. 실험 중 파단이 발생한 영역에 국한하여 미세 요소를 배치한 최적화 유한요소해석모델은 실험의 하중-변형 거동을 효과적으로 모사하였다. Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN) 재료 손상 모델은 원형 강관 K 접합부의 파단을 효과적으로 모사하였으나, 실험 결과를 바탕으로 한 매개변수 보정이 필수적이었기에 실용성에 한계가 있었다. 반면 본 연구에서 개발한 최적화 유한요소해석모델은 재료 손상 모델을 적용하지 않고도 변형도 측정에서 신뢰할 수 있는 결과를 제공하여 실용적인 대안으로 적합함을 입증하였다. 일반적으로 유한요소의 크기가 부재 두께의 1/16 이하일 경우 측정되는 변형도가 수렴하는 경향을 보였으며, 모든 접합부 형상에 대하여 용접부 끝선에서부터 부재 두께의 절반만큼 떨어진 곳에서 변형도를 측정하는 것이 적절함을 확인하였다. 원형강관 K 접합부와 횡방향 거셋 플레이트 강관 X 접합부의 경우 각각 2.5% 및 5% 변형도 한계가 파단을 보수적으로 예측하는 기준으로서 적절하였으며, 길이 방향 거셋 플레이트 강관 X 접합부의 경우 2.5% 변형도 한계가 파단을 보수적으로 예측함과 동시에 기존 변형한계기준보다 경제적인 설계를 가능하게 해주는 실용적인 기준으로 작용하였다.
본 연구를 통해 제안된 변형도 한계 기준은 고강도 강관 접합부의 파단을 효과적으로 예측하며 극한 강도를 산정할 수 있는 실용적인 도구로 활용될 수 있다. 이를 바탕으로 고강도 강재의 안전하고 경제적인 설계를 지원함으로써 강관 구조물에서 고강도 강재의 활용을 촉진할 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Tubular structure systems are capable of maximizing the advantages of high strength steels, leading to their augmented application in modern engineering. However, the use of high strength steels in tubular structures presents significant challenges, particularly the increased susceptibility to fracture in welded joints due to reduced ductility. While material damage models can simulate crack initiation and propagation in numerical analysis, their implementation is hindered by complexity and the necessity for case-specific parameter calibration process through experimental data. As a practical alternative, the concept of a strain limit criterion offers a simplified approach to controlling fracture in high strength steel tubular joints. According to this approach, when the monitored strain obtained from numerical analysis exceeds a specified limit, the load-deformation relationship is deemed reliable only before the exceedance, and the ultimate joint strength is determined as the load corresponding to the strain limit. The latest draft of ISO 14346 advocates the use of a 5% strain limit for tubular joints, regardless of joint configuration or loading type. However, the methodology for strain evaluation and the need for tailored strain limits to account for varying ductility and failure characteristics remain unaddressed.
This study extends the strain limit investigation to a wide range of tubular joint configurations, proposing systematic strain evaluation procedures and tailored strain limits to enhance design accuracy and structural safety. The research combines experimental programs with numerical investigations across three key tubular joint configurations: circular hollow section (CHS) K joints, longitudinal gusset plate to tubular X (XP2) joints, and transverse gusset plate to tubular X (XP1) joints. Both CHS and rectangular hollow section (RHS) chord members were considered for XP2 and XP1 joints. High strength steel with nominal yield stresses of up to 700 MPa was adopted for experimental validation. The experimental program investigated load-deformation relationships, fracture behavior, and strain distributions for each joint configuration.
Test-validated numerical analyses further explored the feasibility of strain limit criteria. Optimized finite element models, incorporating extremely fine elements exclusively in the critical regions where fractures occurred during testing, effectively replicated the experimental load-deformation behavior. The Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN) material damage model was applied to simulate fracture in CHS K gap joints with maximum gaps, yielding reliable results but requiring case-specific calibration, making it less practical. General finite element models without material damage demonstrated acceptable strain measurement accuracy without requiring calibration, supporting their use for practical applications. Strain convergence was achieved with a mesh interval of t/16 or smaller, and a stand-off distance of 0.5t from the weld toe was validated for all configurations (t denotes the thickness of the member). For CHS K joints and XP1 joints, limiting strain of 2.5% and 5%, respectively, were found to conservatively predict fractures. For XP2 joints, a 2.5% limiting strain not only provided a conservative prediction of fracture but also facilitated a more economical design compared to the conventional deformation-based criterion.
Existing deformation-based ultimate joint strength evaluation criteria often fail to adequately assess the strength of high strength steel tubular joints prone to early fracture. This study establishes strain limit criteria as a robust and simplified tool for predicting fracture behavior and evaluating ultimate joint strength in high strength steel tubular joints. The findings contribute to advancing structural engineering practices and design standards, paving the way for the broader application of high strength steels in tubular structures.

목차 (Table of Contents)

• Abstract i
• Table of Contents iii
• List of Figures vi
• List of Tables xi
• Notation xiii
• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research Background 1
• 1.2. Scope and Objectives 9
• 1.3. Outline of Dissertation 11
• Chapter 2. Literature Review 13
• 2.1. Investigations on Deformation Limit Criteria 13
• 2.2. Alternative Method to Evaluate Ultimate Joint Strength 18
• 2.3. Investigations on Strain Limit Criteria 21
• Chapter 3. Experimental Investigation on Tubular K joints 24
• 3.1. Introduction 24
• 3.2. Design Provisions in EN 1993-1-8 29
• 3.3. Steel Materials 34
• 3.3.1. Chemical composition and macro/microstructure examination 37
• 3.3.2. Flattening and bending test 40
• 3.3.3. Vickers hardness test 43
• 3.3.4. Charpy impact test 45
• 3.3.5. Tensile tests 48
• 3.4. Testing Program 52
• 3.4.1. Specimen design 52
• 3.4.2. Specimen fabrication 56
• 3.4.3. Testing procedure 59
• 3.5. Test Results 64
• 3.5.1. CHS K gap joints 64
• 3.5.2. CHS K Overlap Joints 75
• 3.5.3. Overall summary of test results and recommendations for future studies 82
• 3.6. Summary 84
• Chapter 4. Numerical Investigation on Tubular K Gap Joints 86
• 4.1. Introduction 86
• 4.2. Gurson–Tvergaard–Needleman (GTN) Damage Model 89
• 4.3. General Finite Element Analysis Modeling 92
• 4.3.1. General modeling scheme 92
• 4.3.2. Validation of general finite element modeling 99
• 4.4. Fracture Simulation with Material damage Model 106
• 4.4.1. GTN modeling detail 106
• 4.4.2. Fracture simulation results 111
• 4.5. Plastic Strain Analysis with General Numerical Model 117
• 4.5.1. Optimization of general finite element model with extremely fine mesh and its validation 117
• 4.5.2. Procedure for plastic strain analysis 121
• 4.5.3. Verification of mesh convergence and strain monitoring locations 125
• 4.5.4. Evaluation of Strain Limit 130
• 4.6. Plastic Strain Analysis with Material Damage Model 136
• 4.6.1. Procedure for plastic strain analysis 136
• 4.6.2. Evaluation of Strain Limit 137
• 4.7. Summary 140
• Chapter 5. Strain Limit Criteria for Longitudinal Gusset Plate to Tubular X Joints 143
• 5.1. Introduction 143
• 5.2. Testing Program 147
• 5.2.1. Specimen design and fabrication 147
• 5.2.2. Steel materials 152
• 5.2.3. Testing procedure 157
• 5.3. Test Results 160
• 5.3.1. Load deformation relationship 160
• 5.3.2. Strain deformation relationship 165
• 5.4. Plastic Strain Analysis for XP2 joints 167
• 5.4.1. Finite element modeling and its validation 167
• 5.4.2. Supplemental validation with other test results 173
• 5.4.3. Considerations for strain analysis 177
• 5.4.4. Evaluation of strain limit 185
• 5.4.5. Parametric studies 189
• 5.5. Summary 193
• Chapter 6. Strain Limit Criteria for Transverse Gusset Plate to Tubular X Joints 194
• 6.1. Introduction 194
• 6.2. Testing Program 197
• 6.2.1. Specimen design 197
• 6.2.2. Testing procedure 199
• 6.2.3. Test Results 201
• 6.3. Considerations for Numerical Analysis 205
• 6.3.1. Weld geometry effects on strength of RHS XP1 joints 206
• 6.3.2. Finite element modeling and its validation 212
• 6.3.3. Direction of strain development 215
• 6.4. Plastic Strain Analysis for XP1 joints 216
• 6.4.1. Procedure for plastic strain analysis 216
• 6.4.2. Evaluation of strain limit 220
• 6.5. Summary 228
• Chapter 7. Application of Strain Limit Criteria and Recommendation for Further Research 230
• 7.1. Application of strain limit criteria 230
• 7.2. Recommendation for further research 232
• Chapter 8. Summary and Conclusion 236
• Bibliography 240
• Abstract in Korean (국문초록) 245