주관응력효과를 고려한 고강도강 X형 원형강관접합부의 수치해석 연구

김선후,이철호 한국강구조학회 2018 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.30 No.2

Internationally representative steel design standards have forbidden or limited the application of high-strength steels to tubular joints, partly because of concerns about their unique material characteristics such as high yield ratio. Most of design standards stipulate that for steels whose yield strengths exceed 355 or 360 MPa, the strength equations cannot be utilized or strength reduction factor below 1.0 should be multiplied. However, the mechanical background behind these limitations is not clear. Experimental testing of high-strength steel CHS (circular hollow section) X-joints recently conducted by the authors also clearly indicated that the current limitations might be unduly conservative. As a continuing work, extensive, test-validated numerical analyses were made to investigate the behavior of high-strength steel CHS X-joint under axial compression. Three steel grades covering ordinary to very high strength steels were considered in the analysis. Again it was found that the high strength penalty to the joint strength in current standards is too severe and needs to be relaxed. The high-strength steel joints under the effects of chord stress generally showed higher strength than the ordinary steel joints and their strengths were conservatively predicted by current standards. It is also emphasized that current format of the CHS X-joint strength equation does not reflect observed behavior and needs to be recast. 고강도 강재의 높은 항복비와 같은 특이한 물성에 대한 우려 등의 이유로 국내외 대표적인 강구조 설계기준에서는 강관구조에 고강도강재를 적용하는 것을 금지하거나 제한하고 있다. 대부분의 설계기준에서는 강관의 항복강도가 355 또는 360MPa을 초과하는 경우 제시된 설계강도식을 사용할 수 없거나 강도저감계수를 통해 설계강도를 낮추어야 한다. 반면 이러한 제한사항에 대한 역학적 근거는 명료하지 않다. 또한 최근 저자들에의해 수행된 X형 원형강관접합부에 대한 실험연구는 고강도강에 대한 규제가 과도하게 보수적일 수도 있다는 점을 지적한 바 있다. 본 연구에서는고강도강 X형 원형강관접합부의 지관 압축 하에서의 거동을 더 자세히 분석하기 위해 실험에 이은 수치해석 변수연구를 수행하였다. 일반 강재부터매우 항복강도가 높은 고강도 강재까지 넓은 범위의 강종을 고려하였다. 본 수치해석 연구에서도 현행의 고강도강 페널티가 매우 보수적이며 완화될여지가 있음을 확인할 수 있었다. 또한 주관 축응력 하에서의 고강도강 접합부의 거동을 분석한 결과 현행 기준식이 고강도강 접합부의 주관 축응력에의한 강도 감소 효과를 보수적으로 예측함을 확인하였다. 일반적으로 주관 축응력이 작용할 때 고강도강 접합부는 일반강 접합부에 비해 접합부 강도를 더 잘 유지하였다. 더불어 현행 기준식의 형태가 실제 접합부 거동을 정확히 표현하는 데에 한계가 있으며 개선될 여지가 있음을 지적하였다.

고항복비-고강도강의 유강혼합구조 시스템 적용에 관한 실험적 연구

오상훈,김진원,문태섭,Oh, Sang Hoon,Kim, Jin Won,Moon, Tae Sup 한국강구조학회 2005 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.17 No.4

본 논문은 고항복비-고강도강의 효율적인 이용을 위하여 유강혼합구조 시스템의 실험결과를 요약한 것이다. 최근 건축구조물에서도 대형화 및 초고층화 되어감에 따라 사용강재에 대하여 높은 성능을 요구하게 되었고, 고강도강을 사용해야 하는 경우가 늘고 있다. 하지만 고강도강은 항복비가 높고 최대 응력시 변형도가 작고 탄성계수가 연강과 같다는 단점으로 인하여 수요가 증가하고 있지 못한 실정이다. 이러한 고항복비를 가지는 고강도강의 결점을 보완하고 효과적인 사용을 위해서는 새로운 구조시스템이 필요하다. 본 연구에서는 고항복비를 가지는 고강도강을 건축구조물에 효과적으로 적용할 수 있는 방안으로 유강혼합구조 시스템을 제안하고, 고강도강이 포함된 유강혼합기둥 실험을 통하여, 고강도강을 효율적으로 사용할 수 있는 가능성을 제시하고자 하였다. 내력비와 강성비를 포함할 수 있는 강요소 (stiff element)와 유요소 (flexible element)의 항복변형비를 변수로 하여, 유강혼합구조시스템 적용시 적절한 항복변형비를 찾고자 하였다. 실험결과 제안된 유강혼합구조시스템은 연강만으로 이루어진 시스템에 비해 높은 에너지 흡수능력을 보여주었고, 강요소에 대한 유요소의 항복변형비가 2.7~3.3일 때 가장 큰 에너지 흡수능력을 갖는 것을 확인할 수 있었다. This paper summarizes the test results of the flexible-stiff mixed system for the effective use of high-strength steel. Steel with a high degree of strength and performance is being increasingly required as buildings get larger and taller. High-strength steels cannot be used for many applications, though, because they have a number of defects. For instance, they have a high yield ratio, a small strain in maximum stress, and equal Young's modulus compared to mild steels. A new structural system is needed to effectively use high-strength steels with some defects. This paper proposes the flexible-stiff mixed system for the effective use of high-strength steels with high yield ratios. The possibility of using the system is discussed through the test of flexible-stiff mixed columns with high-strength steels. The main variable of the specimens is the yield displacement ratio, including both the force ratio and the stiffness ratio. The proper yield displacement ratio is proposed by adopting the flexible-stiff mixed system. The test results showed that the proposed flexible-stiff mixed system has a high capacity for energy absorption and the highest capacity for energy absorption when the yield displacement ratio of the flexible element to the stiff element ranges from 2.7 to 3.3.

강섬유로 보강된 초고강도 콘크리트의 뽑힘 실험에 의한 부착 거동에 대한 연구

최창식,배백일,김경주,최현기 한국방재학회 2014 한국방재학회 학술발표대회논문집 Vol.2014 No.-

최근의 콘크리트 공학의 발전은 콘크리트의 압축강도 상승과 밀접하게 관계되어 있으며 연구자들은 이를 초고강도 콘크리트로 지칭하고 있다. 초고강도 콘크리트로 제작된 부재는 일반적으로 얇고 긴 형태를 가지게 되며 프리캐스트 콘크리트의 형태로 시공된다. 따라서 이러한 부재들은 적합한 부착 강도 및 앵커에 의해 서로를 연결시켜 줄 필요가 있다. 현재까지 초고강도 콘크리트의 제 성능에 대한 많은 연구가 진행되었으나, 부착특성에 대한 연구는 활발하게 진행되지 않았다. 따라서 이 연구에서는 얇은 초고강도 콘크리트 부재에서 나타날 수 있는 쪼개짐 파괴를 막기 위해 섬유로 보강되었으며 반응성 분체 콘크리트로 제작된 초고강도 콘크리트의 부착강도를 파악하기 위한 실험을 단순 뽑힘 실험 방법을 통해 수행하였다. 실험에 사용된 콘크리트의 압축강도는 100~200MPa로 설정하였다. 콘크리트의 압축강도 뿐만 아니라 섬유의 보강효과, 피복 두께의 효과를 파악하기 위한 실험을 구성하였다. 대부분의 실험체가 철근의 길이 방향과 같은 방향으로 발생한 균열에 의해 파괴되었다. 그러나 실험 결과 쪼개짐에 파괴시의 부착강도가 보통 또는 고강도 콘크리트에 비해 큰 부착강도를 보유하고 있음을 확인할 수 있었다. 부착강도는 피복 두께에 크게 영향을 받는 것으로 나타났으며 피복두께의 증가에 대한 부착강도의 상승폭은 콘크리트의 강도 증가와 함께 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 강섬유는 부착강도를 크게 증진시키는 역할을 하고 있었으나 이 또한 콘크리트의 압축강도 증가와 함께 부착강도 증진율이 낮아지는 현상을 나타내었다.

경량설계를 위한 고강도강 적용 Seat 보강재 차체 부품의 Seat Belt Anchorage 해석

김기주(Kee Joo Kim),이재웅(Jae-Woong Lee) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.5

일반강보다 더 높은 강도특성을 갖는 고강도강은 가격경쟁력 측면에서 비철금속이나 샌드위치 복합소재보다 경량재료로 각광받고 있다. 또한, 가공의 용이성 측면에서도 고강도강은 경량재료로 떠오르고 있다. 그러므로 본 연구에서는 부품의 두께를 줄여 경량화를 이루는 데 600 MPa 이상의 인장강도를 갖는 고강도강을 자동차 시트 보강재료에 적용하는 것을 목표로 하였다. 이를 위하여, FMVSS 210 북미법규를 만족하는 해석방법을 제시하였으며 해석 결과를 나타내었다. 자동차 시트 보강재료의 상부(upper) 판재에 적용된 SPFC340 소재와 하부(lower) 판재에 적용된 SCP1 소재를 상대적으로 성형성을 개선하여 개발된 고강도강인 TR590 및 DP590 소재로 대체하여 개발하였다. 이를 통해 각 부품의 충돌 안전성에 대한 경량화 가능성을 연구하였다. 연구 결과, 1.0 t의 고장력강을 적용하게 되면 앞 상부 시트벨트 보강재는 16.6%, 앞 하부 시트벨트 보강재는 28.6%의 경량화가 가능함을 확인하였다. High-strength steel, which has higher strength characteristics than general body steel, has superior price competitiveness as compared to other lightweight materials such as non-ferrous metals and sandwich plates. In addition, because of its simple manufacturing process, it has emerged as a representative lightweight material. Therefore, this study aimed to reduce the thickness of the parts and realize weight reduction by applying high-strength steel of 600 MPa or greater to the reinforcement seat-belt front-upper amp and lower parts of automobiles. Accordingly, an analytical method to satisfy the North American crash law of FMVSS 210 is proposed, and the analytical results are presented. In this study, the existing steel plate formability cold-rolled 340 (SPFC340) and SCP1 steel materials for seat belt reinforcement parts were replaced with high-strength materials TR590 and dual-phase 590 (DP590) high-strength steel with reinforced formability. The possibility of weight reduction of the parts was studied by reviewing the crash safety. Result of the study confirmed that weight reductions of 16.6% and 28.6% for the reinforcement seat-belt front-upper and front-lower parts, respectively, was possible when 1.0 t high tensile steel was applied.

지관 압축을 받는 고강도강 X형 원형강관접합부의 구조적 성능에 대한 실험적 연구

이철호,김선후,정동현,김대경,김진원,Lee, Cheol Ho,Kim, Seon Hu,Chung, Dong Hyun,Kim, Dae Kyung,Kim, Jin Won 한국강구조학회 2017 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.29 No.4

Most of current representative design standards worldwide forbid or impose restrictions on the use of high-strength steels for hollow tubular structures. The mechanical background of these limitations appears unclear and unduly conservative, and their validity needs to be re-evaluated. In this study, a total of 9 CHS(Circular Hollow Section) X-joints were tested under axial compression and analyzed to examine if the high-strength steel restrictions specified by current design standards could be relaxed. All the high-strength steel CHS X-joints tested showed satisfactory performance compared to ordinary steel joints in terms of serviceability, ultimate strength, and ductility, although the yield strength of steel was even as high as 800MPa. 고강도강 강관부재의 사용은 설계에서 시공에 이르기까지 다양한 이점을 제공할 수 있다. 그러나 현행의 국내외 대표적인 구조설계 기준에서는 강관구조에 고강도 강재를 적용하는 것을 금지하거나 제한하고 있다. 이러한 제한사항은 그 역학적 근거가 불분명하며 과도하게 보수적일 가능성이 있다. 본 연구에서는 일반강 및 고강도강 X형 원형강관접합부 압축 실험을 통하여 고강도강에 부과된 제한사항이 완화될 수 있는지에 대하여 다각도로 검토하였다. 실험 결과 고강도강 X형 강관접합부는 재료의 측정항복강도가 800MPa에 이름에도 불구하고 한계강도, 사용성, 연성의 관점에서 모두 일반강에 비견될 만한 성능을 보였으며, 이는 현행의 고강도강 제한사항은 완화되어야 함을 시사한다.

고강도 강재보의 비탄성 횡-비틀림좌굴 제어를 위한 횡지지 거리

박창희,이철호,한규홍,김진호,이승은,하태휴,김진원,Park, Chang Hee,Lee, Cheol Ho,Han, Kyu Hong,Kim, Jin Ho,Lee, Seung Eun,Ha, Tae Hyu,Kim, Jin Won 한국강구조학회 2013 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.25 No.2

본 연구에서는 공칭인장강도 800MPa를 지니는 고강도 강재로 조립된 H형강보의 횡지지거리에 따른 횡비틀림 좌굴강도를 현행 강구조설계기준(KBC 2009, AISC-LRFD 2010)을 바탕으로 평가하였다. 현행 기준은 고강도 강재와 응력도-변형도 특성이 확연히 다른 항복강도 350MPa 이하의 일반강을 전제로 정립된 것으로서, 고강도 강재에 대한 현행 기준의 적합성 여부가 우선 검토되어야 한다. 본 연구의 실험체는 모두 컴팩트 단면으로서 춤-폭비(H/B) 1.7을 갖는 실험군 A(상대적 뒤틀림 강성을 통한 모멘트전달이 작은 경우)와 2.7을 갖는 실험군 B(상대적으로 모멘트전달에 뒤틀림 강성 크게 기여하는 경우)로 구성하였다. 항복 이후의 응력도-변형도 특성의 영향을 받는 비탄성 횡좌굴 거동이 유발되도록 횡지지거리를 제어하면서 횡지지 구간 내에 균등모멘트가 작용하도록 가력하였다. 두 실험군 모두 현행 기준에 요구하는 강도를 충분히 상회하였고, 특히 뒤틀림 거동을 통한 모멘트전달이 크지 않은 실험군 A의 일부실험체는 소성설계에서 요구하는 수준의 회전능력까지 발휘하였다. 이들 실험결과는 현행 기준을 고강도 강재에 보수적으로 확대하여 적용할 수 있음을 보여준다. 실험결과를 좀더 심층적으로 분석하기 위해 일반강 및 고강도강의 응력도-변형도 특성을 고려한 H형강보의 횡지지거리에 따른 비탄성 횡좌굴강도 산정식을 유효접선계수를 반영하여 해석적으로 유도하였다. 이를 통해 소재의 항복강도와 탄성계수만을 고려하여 산정되는 현행 기준의 소성횡지지거리($L_p$) 제한식은, 항복참(yield plateau)없이 즉시 변형경화하는 고강도 강재에 적용하는 경우 보수적인 결과로 귀결됨을 입증하였다. 비탄성 횡좌굴 제어를 위한 횡지지거리는 소재의 항복강도 뿐만 아니라 항복 이후의 변형경화특성까지 반영하여 정의되는 타당하므로 이에 대한 개선의 필요성이 있다. In this study, lateral-torsional buckling (LTB) strength of high-strength H-beams built up from 800MPa tensile-strength steel was experimentally and analytically evaluated according to current lateral stability provisions (KBC 2009, AISC-LRFD 2010). The motivation was to evaluate whether or not current LTB provisions, which were originally developed for ordinary steel with different stress-strain characteristics, are still applicable to high-strength steel. Two sets of compact-section specimens with relatively low (Set A) or high (Set B) warping stiffness were prepared and tested under uniform moment loading. Laterally unbraced lengths of the test specimens were controlled such that inelastic LTB could be induced. All specimens exhibited LTB strength exceeding the minimum limit required by current provisions by a sufficient margin. Moreover, some specimen in Set A reached a rotation capacity required for plastic design, although its laterally unbraced length belonged to the inelastic LTB range. All the test results indicated that extrapolation of current provisions to high-strength steel is conservative. In order to further analyze the test results, the relationship between inelastic moment and laterally unbraced length was also derived in explicit form for both ordinary- and high-strength steel based on the effective tangent modulus of inelastic section. The analytical relationship derived again showed that extrapolation of current laterally unbraced length limit leads to a conservative design in the case of high-strength steel and that the laterally unbraced length to control the inelastic LTB behavior of high-strength steel beam should be specified by including its unique post-yield strain-hardening characteristics.

보 단부 용접상세에 따른 고강도강 기둥-보 접합부의 변형능력에 관한 연구

오상훈,박해용,Oh, Sang Hoon,Park, Hae Yong 한국강구조학회 2014 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.26 No.4

고강도 강의 경우 재료의 높은 항복비와 모재인성 부족으로 인해 휨 구조부재에 적용하기가 용이하지 않다. 고강도 강 휨재의 가장 큰 문제점 중 하나는 일반 연강접합부와 마찬가지로 보 단부의 취성파단이다. 연강접합부의 경우 부재의 보강 및 보 단부의 용접접근공 상세의 개량을 통하여 국내기준의 특수모멘트골조용 접합상세가 다수 개발된 바 있으나 고강도강 접합부에 대한 적용성 평가는 아직까지 미비한 실정이다. 본 연구는 국내에서 개발된 고강도 강(HSA800)을 적용한 기둥-보 접합부의 적용성 평가를 위한 초기단계의 연구이며 보 단부의 용접접근공 상세에 따른 고강도 강 접합부의 구조성능을 실험 및 해석적 방법을 통하여 고찰하였다. For high-strength steel, it is difficult to be applied to flexible structural member because it have high yield ratio and low basic material's toughness. One of the great problems when using high-strength steel connections is the brittle fracture at the end of the beam member in common with general mild steel connections. In the cases of mild steel connections, it has be developed that special moment frame connection details by reinforcing structural member or improvement of welding access hole. But, it is incomplete at yet about applicability estimation of high-strength steel connections. This study is the initial step research for the applicability estimation of beam-to-column connections being applied to developed high-strength steel, HSA800. And, it studied about structural performance of the high-strength steel connections according to the details of welding access hole through full-scale test and analytical method.

피복두께를 고려한 초고강도 콘크리트와 돌기형 탄소 보강근의 부착성능 평가

유선재,원천봉,장룩파르,윤영수 한국콘크리트학회 2023 콘크리트학회논문집 Vol.35 No.2

본 연구에서는 돌기형 탄소 보강근과 초고강도 콘크리트의 부착 강도 평가를 위하여 콘크리트 강도(일반강도 고강도 초고강도) 및 피복두께(1.5d_b, 2.5d_b, 3.5d_b, 피복 중앙)에 따른 부착실험을 수행하였으며, 탄소 보강근 매입 길이에 따른 부착 강도를 평가하였다. 실험결과, 일반강도 및 고강도 콘크리트에서는 각각 피복두께 2.5d_b, 3.5d_b에서 콘크리트 쪼개짐 파괴를 방지할 수 있었으며 초고강도 콘크리트를 활용한 경우 콘크리트에 미세한 균열만 발생하였다. 또한, 콘크리트 압축강도 증가에 따라 탄소 보강근의 부착 응력은 계속 증가하였으며 적은 매입 길이에서 매입 길이 증가에 따라 부착 응력이 증가하였다. 이를 통해 콘크리트 압축강도, 피복두께 탄소 보강근 매입 길이와 부착 응력의 상관관계를 확인하였으며, 실험결과를 부착 설계기준과 비교하여 돌기형 탄소 보강근의 부착특성을 확인하고자 하였다.

경량설계를 위한 고강도강 적용 A, B-Pillar 차체 부품의 Seat Belt Anchorage 해석

김기주(Kee Joo Kim),이재웅(Jae-Woong Lee) 대한기계학회 2022 大韓機械學會論文集A Vol.46 No.2

최근 개발되고 있는 고강도강은 가격경쟁력 측면에서 비철금속이나 샌드위치 복합소재보다 경량재료로 연구되고 있다. 그러므로 본 연구에서는 부품의 두께를 줄여 경량화를 이루는데 600 MPa 이상의 인장강도를 갖는 고강도강을 자동차 A-pillar 및 B-pillar에 적용하는 것을 목표로 하였다. 이를 위하여, FMVSS 210 북미 법규를 만족하는 해석을 수행하였다. 자동차 차체부품인 A-pillar 판재에는 기존소재인 SPFC440 소재를 B-pillar 판재에는 SPFC340 소재가 적용되어 있었으며 이를, 상대적으로 성형성을 개선하여 개발된 고강도강인 TR590 및 DP590 소재로 대체하여 개발하였다. 이를 통해 각 부품의 충돌안전성에 대한 경량화 가능성을 연구하였다. 연구 결과 0.8 mm의 고장력강을 적용하게 되면 pillar-A inner upper 및 B-pillar inner 부품의 경우 20%의 경량화가 가능함을 확인하였다. High-strength steel, which has greater strength characteristics than general-body steel, has superior price competitiveness compared with other lightweight materials such as nonferrous metals and sandwich plates. Therefore, this study aims to realize better impact safety in automobiles by applying high-strength steel of 600 MPa or more to the A- and B-pillar components. To this end, the analysis results satisfying FMVSS 210, a North American Crash Law, are presented. In this study, the existing plate formability cold rolled 440 (SPFC440) and SPFC340 steel materials for the A- and B-pillar components were replaced with TR590 and dual phase 590 (DP590) high-strength steel with reinforced formability. Then, the benefits of using high-strength steel were studied by reviewing the crash safety. From the results of the study, it was confirmed that 20% of the weight of the pillar-A inner upper and B-pillar inner parts could be reduced by applying 0.8 mm high-tensile steel.

고강도강을 적용한 HyFo 합성보의 휨성능에 대한 실험적 연구

조성현,김상섭 한국방재학회 2016 한국방재학회논문집 Vol.16 No.6

Recently various studies of composite beam and high strength steel are proceeding. This study developed the new concept of HyFo(Hybrid Forming) composite beam using a high strength steel. Also, this study evaluated the bending performance of HyFo composite beam through the bending test. Test result showed that the yield load to the maximum load(Pu/Pn) is 1.23 and the nominal load to the maximum load(Pu/Pn) is 1.21. The capacity of the HyFo composite beam was increased stably. Also, it is possible to apply the existing composite beam evaluation equation to the HyFo composite beam. 최근 합성보와 고강도강에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 연구에서는 고강도강을 적용한 새로운 형상의 HyFo(Hybrid Forming) 합성보를 개발하고 휨실험을 통해 휨성능을 평가하였다. 실험결과 실험 시 항복하중에 대한 최대하중의 비는 1.23, 예상하중에 대한 최대하중의 비는 1.21로 나타나 안정적인 내력증가를 보였다. 또한 HyFo 합성보의 내력평가식은 기존 합성보 내력평가식을 적용 가능한 것으로 나타났다.