Unified Mechanistic Design Approach for Rectangular Hollow Section X Joints with Varied Geometries = 다양한 형상을 갖는 각형강관 X접합의 통합적 역학 기반 설계 제시

국문 초록 (Abstract)

각형강관은 구조적 효율성과 미적 우수성으로 널리 사용되고 있다. 그러나 각형강관 간 용접 접합부 설계는 다양한 파괴 모드가 발생할 뿐만 아니라, 기존 설계식의 근간이 되는 해석 모델들이 복잡하고 실제 거동을 반영하지 못하는 점 때문에 여전히 난해한 과제로 남아있다. 더욱이, 서로 다른 파괴 모드에 대해 개별적으로 개발된 해석 모델들은 중요한 역학적 거동과 모순되는 가정을 포함하고 있는 것을 확인할 수 있다. 이러한 모순은 설계법의 정확성과 이론적 타당성을 저해하며, 각형강관 접합부 파괴의 본질을 이해하는 것을 상당히 어렵게 만든다. 본 연구는 견고하고 일관된 이론적 원리에 기반하여, 각형강관, 원형강관, 거셋플레이트 등 다양한 지관 형태와 여러 하중 조건 및 광범위한 기하학적 변수를 포괄하는, 각형강관 용접 접합부에 대한 통합적 설계 프레임워크를 정립하는 것을 목표로 한다.
본 연구의 핵심은 각형강관 주관의 주요 파괴 메커니즘, 특히 주관면소성화와 주관측벽파괴를 규명하는 해석 모델을 개발하는 데 있다. 복잡한 접합부 형상을 2차원으로 단순화하는 유사 링 모델 접근법을 주관면소성화 해석에 일관되게 적용하였다. 주관측벽파괴에 대해서는 기존의 기둥 좌굴 모델을 비판적으로 재검토하고, 특히 기울어진 지관의 효과 및 주관 응력 효과를 고려하여 개선하였다. 이러한 해석 모델과 이로부터 유도된 설계식들은 광범위한 유한요소 매개변수적 연구 및 문헌과 본 연구를 통해 수행된 실험 데이터를 통해 엄밀하게 검증되고 보정되었다.
제안된 설계 원리는 다음과 같은 다양한 접합부 형상에 체계적으로 적용되고 검증되었다:
• 압축력을 받는 지관과 주관의 폭이 같은 각형강관 X접합 (제3장): 기울어진 지관을 갖는 접합부에 대해 기존의 설계 기준보다 정확하게 초기항복하중 변화 및 주관 응력 상호작용을 고려하는 수정된 방법을 제시하였다.
• 압축력을 받는 지관의 폭이 주관의 폭보다 작은 각형강관 X접합 (제4장): 링 모델이 주관면소성화를 효과적으로 예측함을 확인하였다.
• 축력을 받는 다중평면 각형강관 XX접합 (제5장): 링 모델을 더 복잡한 공간적 구성의 접합부에도 적용할 수 있음을 입증하였다.
• 축인장력과 휨모멘트를 받는 거셋플레이트 지관–각형강관 X접합 (제6장): 통합적인 주관 파괴 개념을 이들 접합부로 확장하였으며, 특히 휨모멘트 저항력 산정 방법을 새롭게 제안하였다.
• 압축력을 받는 원형강관 지관-각형강관 X접합 (제6장): 각형강관 지관에 대한 주관면소성화 모델을 기하학적 보정계수 (π/4)를 사용하여 원형강관 지관에 대해 성공적으로 적용하였다.
본 연구의 핵심적인 발견은 주관 파괴에 대한 일관된 역학 기반 모델링에 초점을 맞춘 통합적 설계 접근법이 이러한 다양한 접합부 유형과 하중 조건에 걸쳐 훨씬 향상된 정확도와 광범위한 적용성을 달성할 수 있다는 것이다. 이는 기존 설계 기준에 비해 더욱 합리적이고 간결한 설계식을 도출하는 결과로 이어진다. 고강도강의 영향과 재료계수 적용 또한 안전한 설계를 보장하기 위해 함께 다루어졌다.
본 연구는 각형강관 X접합 거동에 대한 보다 근본적인 이해에 기여하고, 일관성 있는 설계 원리들을 제공한다. 제안된 통합적 프레임워크는 구조 엔지니어의 설계 실무를 간소화하고 예측 정확도를 향상시키며, 각형강관 부재의 더욱 다양하고 신뢰성 있는 활용을 촉진할 것으로 기대된다. 또한, 물리적 거동에 기반한 모델의 특성은 향후 다른 접합부 구성 및 하중 조건으로의 확장을 위한 견고한 토대를 시사한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Rectangular hollow sections (RHSs) are widely used for their structural efficiency and aesthetic appeal. However, designing welded joints between RHSs remains intricate due to the possibility of diverse failure modes and due also to complex and often unrealistic analytical models that underlie the existing design equations. Moreover, separate analytical models developed for different failure modes are shown to contain contradictory assumptions regarding important mechanical behavior. This inconsistency diminishes the accuracy and theoretical soundness of the design method, making it significantly difficult to understand the nature of RHS joint failure. This study aims to establish a unified design framework for RHS welded joints, grounded in sound and consistent theoretical principles, encompassing diverse brace types—RHS, circular hollow section (CHS), and gusset plate—various loading conditions, and a broad range of geometric parameters.
The core of this research lies in developing analytical models that capture the fundamental failure mechanisms of the RHS chord, primarily chord face plastification and chord sidewall failure. The analogous ring model approach, simplifying complex joint geometry into a two-dimensional analysis, was consistently employed for chord face plastification. For chord sidewall failure, existing column buckling analogies were critically re-evaluated and refined, especially for inclined joints and considering chord stress effects. These analytical models and the joint strength equations derived from them were rigorously validated and calibrated against extensive finite element (FE) parametric studies and experimental data sourced from literature and conducted as part of this research.
The proposed design principles were systematically applied and verified for several joint configurations:
• Compression-loaded equal-width RHS X joints, including a revised methodology for inclined braces that accounts for squash load derivation and chord stress interaction more accurately than current codes (Chapter 3).
• Compression-loaded partial-width RHS X joints, where the ring model effectively predicts chord face plastification (Chapter 4).
• Axially loaded multiplanar RHS XX joints, demonstrating the applicability of the ring model to more complex spatial configurations (Chapter 5).
• Branch plate-to-RHS X joints under axial tension and bending moment, extending the unified chord failure concepts to these connections, notably proposing a new method for moment resistance calculation (Chapter 6).
• Compression-loaded CHS-to-RHS X joints, where the chord face plastification model for RHS braces was successfully adopted using a geometric correction factor (π/4) (Chapter 6).
A key finding of this study is that a unified design approach, focusing on consistent mechanical-based modeling of chord failure, can achieve significantly improved accuracy and broader applicability across these diverse joint types and loading scenarios. This leads to more rational and streamlined design equations compared to current standards. The influence of high strength steel (HSS) and the application of material factors were also addressed to ensure safe design.
This research contributes to a more fundamental understanding of RHS X joint behavior and provides a coherent set of design principles. The proposed unified framework is expected to simplify design practice for structural engineers, enhance predictive accuracy, and facilitate more versatile and reliable use of RHS members in structural engineering. The physical behavior-grounded nature of the models also suggests a strong basis for future extensions to other joint configurations and loading scenarios.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1. Research background 1
• 1.2. Aim of research 5
• 1.3. Terminology of rectangular hollow section (RHS) joints 10
• 1.4. Outline of dissertation 13
• Chapter 2. Literature Review 15
• 2.1. Existing design guidelines 15
• 2.1.1. Compressive chord sidewall failure 17
• 2.1.2. Compressive chord face plastification 24
• 2.1.3. Multiplanar joints 25
• 2.1.4. High strength steel (HSS) joints with branch plate 28
• 2.1.5. Joints with CHS brace 33
• 2.2. Previous experimental and analytical studies 35
• 2.2.1. Equal-width RHS X joints 35
• 2.2.2. Partial-width RHS X joints 39
• 2.2.3. Multiplanar RHS XX joints 45
• 2.2.4. Branch plate-to-RHS X joints 47
• 2.2.5. CHS-to-RHS X joints 49
• Chapter 3. Compression-Loaded Equal-Width RHS X Joints 50
• 3.1. Overview 50
• 3.2. Equal-width RHS X joints with brace inclination 51
• 3.2.1. Analysis of brace angle effect 51
• 3.2.2. Finite element (FE) modeling 65
• 3.2.3. Parametric FE study 70
• 3.3. Behavior of equal-width joints 85
• 3.3.1. sidesway instability 85
• 3.3.2. Load dispersion 91
• 3.4. Design principles for equal-width RHS X joints 102
• Chapter 4. Compression-Loaded Partial-Width RHS X Joints 104
• 4.1. Limitations of current design approach 104
• 4.2. Analytical modeling of chord face plastification 108
• 4.2.1. Suggestion of alternative approach 108
• 4.2.2. Yield load model 112
• 4.2.3. Plastic load model 117
• 4.3. Prediction equations for chord face plastification behavior 121
• 4.3.1. Parametric study via FE analysis 121
• 4.3.2. Equation for ultimate strength prediction 126
• 4.3.3. Simplified bilinear model for load-deformation relationship 131
• 4.4. Design principles for partial-width RHS X joints 138
• Chapter 5. Axially Loaded Multiplanar RHS XX Joints 139
• 5.1. Overview 139
• 5.2. Strength of axially loaded RHS XX joints 141
• 5.3. Determination of effective chord length 154
• 5.3.1. Numerical investigation using FE analysis 154
• 5.3.2. Chord face plastification (CP) 165
• 5.3.3. Chord bearing (CB) 169
• 5.4. Design principles for RHS XX joints 172
• Chapter 6. Extension of design approach 175
• 6.1. Limitations of current design approach 175
• 6.2. Branch plate-to-RHS X joints 177
• 6.2.1. Experimental program 177
• 6.2.2. Test results and their evaluation 188
• 6.2.3. Proposal of prediction equations for branch plate-to-RHS X joint 204
• 6.3. Compression Loaded CHS-to-RHS X joints 213
• 6.4. Design principles for other RHS X joints 218
• Chapter 7. Summary and Conclusions 219
• Appendix 1. Derivation of the plastic load (Np) 224
• Appendix 2. Derivation of RHS XX joint strength 228
• Bibliography 233
• Abbreviations and Symbols 241
• 요약(국문초록) 245