국부좌굴이 발생하는 H-형강 휨부재의 강도에 관한 연구

서건호,서상정,권영봉,Seo, Gun-Ho,Seo, Sang-Jung,Kwon, Young-Bong 한국강구조학회 2011 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.23 No.6

This paper describes the moment capacity of flexural members with local buckling based on a series of FE and experiment results. Thin-walled flexural members undergo local, lateral-torsional, or interactive buckling according to the section geometries and lateral boundary conditions. Flexural members with large width-to-thickness ratios in the flanges or the web may undergo local buckling before lateral-torsional buckling. Local buckling has a negative effect on the flexural strength based on the lateral-torsional buckling of flexural members. This phenomenon should be considered in the estimation of the flexural strength of thin-walled sections. Flexural members with various width-to-thickness ratios in their flanges and web were analyzed. Initial imperfections in the local buckling mode, and residual stresses, were included in the FE analyses. Simple bending moment formulae for flexural members were proposed based on the FE and test results to account for local and lateral-torsional buckling. The proposed bending moment formulae for the thin-walled flexural members in the Direct Strength Method use the empirical strength formula and the grosssection modulus. The ultimate flexural strengths predicted by the proposed moment formulae were compared with the AISC (2005), Eurocode3 (2003), and Korean Highway Bridge Design Specifications (2010). The comparison showed that the proposed bending moment formulae can reasonably predict the ultimate moment capacity of thin-walled flexural members. 본 논문에는 국부좌굴이 발생하는 휨부재의 유한요소해석 및 실험에 근거한 단면의 휨강도에 대하여 기술하였다. 박판으로 구성된 휨부재는 단면조건 및 횡방향 경계조건에 따라서 국부좌굴, 횡-비틀림좌굴 및 두 좌굴의 혼합좌굴이 발생하게 된다. 플랜지나 복부의 폭-두 께비가 큰 경우 횡-비틀림좌굴 발생 이전에 국부좌굴이 발생하며, 국부좌굴은 휨부재의 횡-비틀림좌굴강도에 영향을 미치게 된다. 이런 현상은 박판 형강의 휨강도 산정 시 고려하여야 한다. 다양한 폭-두께비를 갖는 플랜지와 복부판으로 구성된 휨부재의 해석에 국부좌굴 및 횡좌굴 모드의 초기처짐 및 잔류응력을 포함하였다. 해석결과 및 실험에 근거하여 국부좌굴과 횡-비틀림좌굴을 고려하는 설계강도식을 제안하였다. 제안된 직접강도법은 실험에 근거한 강도식과 유효단면 대신 총단면의 단면계수를 사용한다. 제안된 강도식에 의한 휨강도를 AISC, EC3 및 도로교설계기준과 비교하여 보았다. 제안된 직접강도법은 국부좌굴과 횡-비틀림좌굴의 혼합 유무와 상관없이 휨부재의 휨강도를 적절하게 예측할 수 있는 것으로 판단되었다.

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.

콘크리트 충전 반원기둥보강재가 적용된 플레이트 거더의 뒤틀림 강도 증가를 통한 횡비틀림 좌굴 강도의 검토

천진욱,이승후,백승철,김선희 대한토목학회 2023 대한토목학회논문집 Vol.43 No.5

횡비틀림 좌굴은 가설 중 붕괴 사고 등의 안전사고를 유발할 수 있기 때문에 설계단계에서 좌굴에 대한 정확한 안전성 검토가 이루어져야 한다. 횡비틀림 좌굴을 방지하기 위한 방안으로 단부 보강을 통해 거더의 뒤틀림 강도 증가시키거나 크로스 프레임 설치를 통해 비지지길이를 감소하는 방법 등이 있다. 크로스 프레임은 바닥판 합성 이후 구조적 역할이 적은 반면 재료비와 설치비에 따른 인건비 비중이 매우 크며, 용접부의 피로 균열로 인해 유지관리 성능을 감소시키는 요인으로 작용할 수 있다. 콘크리트 충전 반원기둥보강재를 통한 단부 보강 공법은 반원기둥 형태의 보강재를 통해 플레이트 거더의 단부를 보강하는 공법으로 거더 자체의 뒤틀림 강성을 증가시켜 횡비틀림 좌굴 강도를 증가시킨다. 이 연구에서는 콘크리트 충전 반원기둥보강재가 적용된 플레이트 거더의 뒤틀림 강도 증가로 인한 횡비틀림 좌굴 강도의 영향을 검토하기 위하여 설계식에 의한 결과와 유한요소해석의 결과를 비교하였고 실물재하실험을 통해 검증하였다. 설계식은 경계조건의 구속과 관련된 유효길이계수를 적용하고 있는 Eurocode의 설계식을 사용하였으며 결과를 검증하기 위하여 다양한 단면의 유한요소해석을 수행하였다. 이후 횡방향 하중을 통해 뒤틀림을 받는 거더의 실물재하실험을 수행하여 콘크리트 충전 반원기둥보강재의 성능을 확인하였다. 그 결과 CFHPS가 적용된 플레이트 거더는 기존 판형 보강재가 적용된 플레이트 거더와 비교하여 뒤틀림 강도가 증가하였으며 그로 인해 횡비틀림 좌굴 강도가 증가하는 것으로 확인되었다. Lateral torsional buckling causes safety accidents such as collapse accidents during erection. Therefore, an accurate safety design should be conducted. Lateral torsional buckling can be prevented by reinforcing the end or reducing the unbraced length. The method of reducing the unbraced length by installing a cross frame has high material and installation costs and low maintenance performance. In addition, structural safety may be deteriorated due to cracks. The end reinforcement method using Concrete Filled Half Pipe Stiffener is a method of reinforcing the end of a plate girder using a stiffener in the form of a semi-circular column. This method increases the warping strength of the girder and increases the lateral torsional buckling strength. In this study, the effect of increasing the warping strength of plate girders with concrete filled half pipe stiffeners was confirmed. To verify the effect, the results of the design equation and the finite element analysis were compared and verified through a experiment. As a result, the plate girder with CFHPS increased the warping strength and confirmed that the lateral torsional buckling strength was increased

횡비틀림좌굴을 고려하는 2차 소성힌지해석을 이용한 3차원 강뼈대 구조물 설케

김승억,박주수 한국전산구조공학회 2002 한국전산구조공학회논문집 Vol.15 No.1

In this paper, 3-D fame design using second-orders plastic-hinge analysis accounting for lateral torsional buckling is developed. This analysis accounts for material and geometric nonlinearities of the structural system and its component members. Moreover, the problem associated with conventional second-order plastic-hinge analyses, which do not consider the degradation of the flexural strength caused by lateral torsional buckling, is overcome. Efficient ways of assessing steel frame behavior including gradual yielding associated with residual stresses and flexure, second-order effect, and geometric imperfections are presented. In this study, a model consisting of the unbraced length and cross-section shape is used to account for lateral torsional buckling. The proposed analysis is verified by the comparison of the LRFD results. A case studs shows that lateral torsional buckling is a very crucial element to be considered in second-order plastic-hinge analysis. The proposed analysis is shown to be an efficient reliable tool ready to be implemented into design practice. 본 논문에서는 횡비틀림좌굴을 고려하는 2차 소성힌지해석법을 이용하여 3차원 강뼈대구조물의 설계기법을 개발하였다. 본 해석은 구조시스템 및 개별부재의 재료적 기하학적 비선형 거동을 고려한다. 더욱이, 종래의 2차 소성힌지해석에서 횡비틀림좌굴효과에 의한 휨강도 감소효과를 고려하지 못한 문제를 해결하였다. 강뼈대구조물의 잔류응력과 휨에 의한 비선형성 및 기하학적 불완전성에 의한 점진적인 소성화효과를 고려하는 효율적인 방법을 기술하였다. 횡비틀림좌굴효과를 고려하기 위하여 비지지장 및 단면 형상으로 구성되는 침강도 감소모델을 사용하였다. 개발된 2차 소성힌지해석법을 LRFD 설계방법과 비교함으로서 검증하였다. 예제해석을 통하여 횡비틀림좌굴효과는 2차 소성힌지해석법에 고려해야 할 중요한 요소임을 알 수 있었다. 본 해석은 실제 설계에 활용할 수 있는 효율적이고 신뢰성 있는 방법이다.

I-단면 플레이트거더교의 횡비틀림 좌굴강도의 해석적 평가

박용명,황순용,박재봉,황민오,최병호,Park, Yong Myung,Hwang, Soon Young,Park, Jae Bong,Hwang, Min Oh,Choi, Byung H. 한국강구조학회 2009 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.21 No.3

본 연구에서는 I-단면 플레이트거더교의 횡비틀림 좌굴강도 평가를 위한 해석적 연구를 수행하였다. 현재 국내 및 AASHTO 설계 기준에서 횡비틀림 좌굴강도는 양단의 변위가 구속된 단일 거더의 좌굴강도 식을 근거로 하고 있다. 그러나, I-단면 강교의 주거더는 한 개 이상으로 구성되고 중간가로보 또는 수직브레이싱으로 서로 연결되므로, 가로보의 휨강성과 주거더의 상호 효과를 고려한 횡좌굴강도의 평가가 필요하다. 또한, 중간가로보가 부착되는 수직보강재의 강성이 복부판의 뒤틀림과 연계하여 횡좌굴강도에 미치는 영향의 평가가 필요하다. 이에, 4-거더교에서 중간가로보 및 수직보강재의 소요 강성을 평가하기 위해 초기처짐 및 잔류응력을 고려한 3차원 쉘요소 모델을 이용하여 재료 및 기하 비선형해석을 수행하고 그 결과를 제시하였다. This paper presents numerical analysis results for the lateral-torsional buckling (LTB) strength of steel I-girder bridges. Current Korean and AASHTO design specifications for LTB consider the buckling strength of a single girder with both its ends constrained. The I-girder bridges are composed of more than one girder, and the girders are interconnected with intermediate cross-beams or cross-frames. Therefore, it should be required to evaluate the effects of cross-beam stiffness and the interactionof girders on LTB strength. It is also necessary to consider the effects of transverse web stiffeners on LTB strength. By considering these parameters, a series of four-girder systemswere numerically modeled using 3D shell elements to estimate the LTB strength while considering initial imperfections and residual stresses.

선형 모멘트 하중을 받는 계단식 단면변화 I형보의 비탄성 횡-비틀림 좌굴강도산정을 위한 모멘트 구배계수 연구

박종섭,손지민,Park, Jong-Sup,Son, Ji-Min 한국방재학회 2008 한국방재학회논문집 Vol.8 No.6

The cross-sections of continuous multi-span beams sometimes suddenly increase, or become stepped, at the interior supports of continuous beams to resist high negative moments. The three-dimensional finite-element program ABAQUS (2007) was used to analytically investigate the inelastic lateral-torsional buckling behavior of stepped beams subjected to linear moment gradient and resulted in the development of design equations. The ratios of the flange thickness, flange width, and stepped length of beam are considered for the analytical parameters. Two groups of 27 cases and 36 cases, respectively, were analyzed for doubly and singly stepped beams in the inelastic buckling range. The combined effects of residual stresses and geometrical imperfection on inelastic lateral-torsional buckling of beams are considered. First, the distributions of residual stress of the cross-section is same as shown in Pi and Trahair (1995), and the initial geometric imperfection of the beam is set by central displacement equal to 0.1% of the unbraced length of beam. The new proposed equations definitely improve current design methods for the inelastic lateral-torsional buckling problem and increase efficiency in building and bridge design. 일반적으로 연속경간을 가지는 강합성 I-형강 교량에 있어서 내부 지점 부근에서 상대적으로 큰 부모멘트가 발생하므로, 이에 경제적인 단면 활용을 위하여 변단면을 적용하여 휨강도를 증가시킨다. 본 연구에서는 기존 횡-비틀림 좌굴식에 관한 연구를 토대로 하여 비탄성 구간에 있는 계단식 I형보의 횡-비틀림 좌굴강도를 유한요소해석프로그램 ABAQUS(2007)를 이용하여 산정하고, 간편한 설계식을 제안하고 있다. 양단 및 일단 계단식 단면변화를 가지는 보에 대해서 고려하였으며, 플랜지 길이방향 비, 너비방향 비, 두께의 비로 계단식 I형보를 나타내었다. 해석에 사용된 단면매개변수는 각각 27가지 및 36가지 조합이며, 비탄성 횡-비틀림 거동을 고려하기위하여 잔류응력 및 초기결함을 고려한 비선형해석을 실시하였는데, Pi와 Trahair(1995)가 고려한 잔류응력의 형상과 국내 I형강 표준 치수 허용치에 근거하여 부재 길이의 0.1%를 초기제작오차로 고려하였다. 해석모델의 양쪽 끝단에는 모멘트하중을 재하하였다. 개발 제한된 식은 선형 모멘트 하중이 작용할 때 적용가능한 식으로 경제적이고 합리적인 설계에 적극 활용될 수 있을 것이며, 다양한 하중을 받는 계단식 단면 변화보의 비탄성 좌굴강도 연구에 활용될 수 있을 것이다.

하중고 효과를 고려한 비탄성 횡-비틀림 좌굴강도 연구

박이슬,오정재,김규선,박종섭,Park. Yi Seul,Oh. Jeong Jae,Kim. Kyu Sun,Park. Jong Sup 한국방재학회 2012 한국방재학회논문집 Vol.12 No.1

본 논문에서는 비탄성 영역 내 비지지 길이가 존재하는 I형보의 하중고 효과를 고려한 비탄성 횡-비틀림 좌굴강도에 대한 연구를 수행하였다. 하중조건으로는 집중하중과 등분포하중을 적용시켰으며, 비선형 횡-비틀림 좌굴 해석을 위해 잔류응력 및 초기변형을 고려하였다. Pi와 Trahair(1995)가 고려한 단순직선분포를 잔류응력으로 가정하였으며, 국내 I형강 표준 치수 허용치(현대제철, 2006)에 근거하여 부재 길이의 0.1%를 초기 최대 횡변위로 적용하여 초기제작오차로 고려하였다. 새롭게 제안된 모멘트구배계수식은 유한요소해석결과와 매우 유사한 값을 나타내고 있으며, 제안식은 하중고 효과를 고려한 비선형 횡-비틀림 좌굴강도 산정뿐만 아니라 휨부재 극한강도 산정에도 크게 기여할 것이다. This paper investigates inelastic lateral-torsional buckling strengths of I-beams with load height effects. The combined effects of residual stresses and geometrical imperfection on inelastic lateral-torsional buckling of beams are considered. The distribution of the residual stress in the cross-section is same as shown in Pi and Trahair(1995). The initial imperfection of the beam is set by a central displacement equal to 0.1% of the unbraced length of the beam. New moment gradient factors for load height effect of inelastic beams are very similar to the results from finite element analyses. The proposed equations will greatly contribute to calculate the inelastic lateral torsional buckling strengths with load height effect.

순수 휨 하중을 받는 비조밀 플랜지 H형 스텝보의 비탄성 횡-비틀림 좌굴강도

손지민,박종섭 한국방재학회 2012 한국방재학회논문집 Vol.12 No.1

This paper investigates inelastic lateral-torsional buckling of doubly and singly stepped beams with noncompact flange subjected to pure bending. A three-dimensional finite-element program ABAQUS(2007) and a regression program MINITAB(2006)were used to analytically develop new design equation. Ratios of flange thicknesses, flange widths, and stepped lengths of the beam based on a typical section of W14×90 were considered as analytical parameters. Two groups of 27 and 36 cases for doubly and singly stepped beam, respectively, with a total of 252 case, were analyzed in the inelastic buckling range. The combined effects of residual stresses and geometrical imperfection on inelastic lateral-torsional buckling of beams are considered. The new proposed equation will definitely improve the current design methods for the inelastic lateral-torsional buckling problem and will increase the efficiency in building and bridge design. The solution can be easily used to develop new design equations for inelastic lateral-torsional buckling resistance of stepped beams subject to general loading condition such as a concentrated load, a series of concentrated loads or uniformly distributed load. 본 논문에서는 비조밀 플랜지가 사용된 H형강 휨부재에 양단 또는 일단 플랜지 보강된 스텝보에 순수 휨 하중을 받는 경우의 비탄성 횡-비틀림 좌굴에 관한 연구를 수행하였다. 3차원 유한요소 해석 프로그램 ABAQUS(2007)가 사용되었으며, 회귀분석 프로그램 MINITAB(2006)을 이용해 휨강도를 평가하기 위한 간편 설계식을 제안하였다. 해석에 사용된 비조밀 단면은W14×90 단면을 기본으로 하였으며, 양단 또는 일단 스텝보 계수는 길이방향비, 플랜지 너비방향비 및 두께비로 나타내었다. 양단 스텝보의 매개변수는 27개, 일단 스텝보는 36개의 매개변수와 비탄성 범위내 4가지 비지지 길이를 고려하여 총 252개의유한요소해석을 실시하였다. 하중 조건으로는 양단에 균일모멘트가 작용하는 것을 고려하였으며, 비선형 해석을 위해 잔류응력및 초기변형을 고려하였다. 본 연구를 통해 제안된 휨강도 산정식은 경제적이고 합리적인 설계에 쉽게 적용 가능할 것이며, 다양한 하중조건을 가지는 양단 또는 일단 계단식 단면 변화보의 비탄성 횡-비틀림 좌굴 강도 설계식 개발에 적극 활용 될 수있을 것이다.

선형 모멘트 하중을 받는 계단식 단면변화 I형보의 비탄성 횡-비틀림 좌굴강도산정을 위한 모멘트 구배계수 연구

박종섭,손지민 한국방재학회 2008 한국방재학회논문집 Vol.08 No.06

The cross-sections of continuous multi-span beams sometimes suddenly increase, or become stepped, at the interior supports of continuous beams to resist high negative moments. The three-dimensional finite-element program ABAQUS (2007) was used to analytically investigate the inelastic lateral-torsional buckling behavior of stepped beams subjected to linear moment gradient and resulted in the development of design equations. The ratios of the flange thickness, flange width, and stepped length of beam are considered for the analytical parameters. Two groups of 27 cases and 36 cases, respectively, were analyzed for doubly and singly stepped beams in the inelastic buckling range. The combined effects of residual stresses and geometrical imperfection on inelastic lateral-torsional buckling of beams are considered. First, the distributions of residual stress of the cross-section is same as shown in Pi and Trahair (1995), and the initial geometric imperfection of the beam is set by central displacement equal to 0.1% of the unbraced length of beam. The new proposed equations definitely improve current design methods for the inelastic lateral-torsional buckling problem and increase efficiency in building and bridge design. 일반적으로 연속경간을 가지는 강합성 I-형강 교량에 있어서 내부 지점 부근에서 상대적으로 큰 부모멘트가 발생하므로, 이에 경제적인 단면 활용을 위하여 변단면을 적용하여 휨강도를 증가시킨다. 본 연구에서는 기존 횡-비틀림 좌굴식에 관한 연구를 토대로 하여 비탄성 구간에 있는 계단식 I형보의 횡-비틀림 좌굴강도를 유한요소해석프로그램 ABAQUS(2007)를 이용하여 산정하고, 간편한 설계식을 제안하고 있다. 양단 및 일단 계단식 단면변화를 가지는 보에 대해서 고려하였으며, 플랜지 길이방향 비, 너비방향 비, 두께의 비로 계단식 I형보를 나타내었다. 해석에 사용된 단면매개변수는 각각 27가지 및 36가지 조합이며, 비탄성 횡-비틀림 거동을 고려하기위하여 잔류응력 및 초기결함을 고려한 비선형해석을 실시하였는데, Pi와 Trahair(1995)가 고려한 잔류응력의 형상과 국내 I형강 표준 치수 허용치에 근거하여 부재 길이의 0.1%를 초기제작오차로 고려하였다. 해석모델의 양쪽 끝단에는 모멘트하중을 재하하였다. 개발․제한된 식은 선형 모멘트 하중이 작용할 때 적용가능한 식으로 경제적이고 합리적인 설계에 적극 활용될 수 있을 것이며, 다양한 하중을 받는 계단식 단면 변화보의 비탄성 좌굴강도 연구에 활용될 수 있을 것이다.

콘크리트 충전 반원기둥보강재를 적용한 플레이트 거더의 횡비틀림좌굴 성능

천진욱(Cheon, Jin Uk),이승후(Lee, Seng Hoo),김선희(Kim, Sun Hee) 한국강구조학회 2022 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.34 No.1