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.

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.

휨을 받는 강섬유 보강 고강도철근 콘크리트 보의 구조 거동

양인환,김경철,조창빈 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.3

The purpose of this paper is to investigate the flexural behavior of high-strength steel fiber-reinforced concrete beams with compressive strength of 130 MPa. The paper presents experimental research results of steel fiber-reinforced concrete beams with steel fiber content of 1.0% by volume and steel reinforcement ratio of less than 0.02. Both of normal-strength rebar and high-strength rebar were used in the test beams. Modeling as well as compressive and tensile strength test of high-strength steel fiber- reinforced concrete was performed to predict the bending strength of concrete beams. Tension modeling was performed by using inverse analysis in which load-crack mouth opening displacement relationship was considered. The experimental results show that high-strength steel fiber-reinforced concrete beams and the addition of high-strength rebar is in favor of cracking resistance and ductile behavior of beams. For beams reinforced with normal-strength rebar, the ratio of bending strength prediction to the test result ranged from 0.81 to 1.42, whereas for beams reinforced with high-strength rebar, the ratio of bending strength prediction to the test result ranged from 0.92 to 1.07. The comparison of bending strength from numerical analysis with the test results showed a reasonable agreement. 이 논문의 목적은 압축강도 130 MPa급의 고강도 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨거동 특성을 파악하는데 있다. 부피비 1.0%의 강섬유와 철근비 0.02 이하의 철근으로 보강된 고강도 강섬유 보강 콘크리트의 휨거동 특성 실험결과를 제시하였다. 일반강도철근과 고강도철근을 실험 부재에 사용하였다. 강섬유 보강 콘크리트의 압축 및 인장거동 재료 실험과 모델링을 수행하였다. 강섬유 보강 콘크리트의 하중-균열개구변위 실험결과를 반영하여 가상균열모델에 근거한 역해석을 통해 인장거동모델링을 제시하였다. 실험결과는 강섬유 보강 콘크리트와 고강도철근의 사용은 균열제어 및 연성 거동에 유리한 것을 나타낸다. 일반강도철근을 사용한 보의 휨강도 실험값에 대한 수치해석에 의한 예측값의 비는 0.81~1.42를 나타내고, 고강도철근을 사용한 보의 휨강도 실험값에 대한 수치해석에 의한 예측값의 비는 0.92~1.07을 나타낸다. 수치해석에 의한 휨강도는 실험결과를 합리적으로 예측하고 있는 것으로 판단된다.

고강도 강재를 적용한 겹침이음 접합부의 블록전단거동 및 강도

김근형,이철호,김대경,안재권 한국강구조학회 2018 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.30 No.6

Although block shear rupture is one of the critical failure modes of bolted lap joint in steel structures, the failure mechanism and strength capacity have yet to be more clearly established. Further, since existing design formulas in presentative steel design standards were developed based on experimental studies with ordinary steels, it is unclear whether it can be applied to high-strength steels with significantly different post-yield properties. In this study, the behavior of bolted lap joints made of high-strength steel was experimentally investigated and a new design formula was developed. A total of 10 specimens were tested to evaluate the block shear strength depends upon steel grades and bolt arrangements. In addition, finite element analyses have been carried out to investigate the effects of bolt number, bolt spacing, and joint length. The block shear strength equations in the existing design standards is shown to be inconsistent and a new formula applicable to both ordinary and high-strength steels is proposed. 블록전단 파단은 전단부와 인장부의 파괴가 수직인 방향으로 동시에 발생하는 것으로, 볼트접합부 설계과정에서 고려해야 하는 다양한 파괴 모드 중 하나이다. 다양한 볼트접합부의 블록전단 실험결과가 존재하지만 블록전단의 파괴메커니즘을 정확히 설명하는 연구는 드물다. AISC 2010은 블록전단 너무 보수적으로 예측하고, 파괴 모드도 정확하게 예측하지 못하고있다.또한 기존 블록전단 강도 설계식은 일반강재를 이용한 실험을 바탕으로 하였기에 고강도강에 적용가능 여부가 불분명하였다. 이 연구에서는 인장강도 800MPa급 HSA800 강재를 적용한 볼트접합부의 거동을 실험적으로 평가하고 새로운 설계법개발의 근거를 제시하고자 하였다.강종 및 볼트 배열을 따른 블록전단 강도를 평가하고자 실대형 실험을 진행하였으며 상용 유한요소해석 프로그램 ABAQUS를 이용하여 볼트접합부의 수치해석 연구를 진행하였다. 실험에서 반영하지 못한 볼트의수와간격에 따른 볼트접합부의 길이에 따른 블록전단 강도를 유한요소 해석을 이용하여 확인하고자 하였다. 이 연구에서 기존의 실험결과와 유한요소해석에 의한 데이터를 바탕으로 일반강재와 고강도 강재 모두에 적용 가능한 새로운 블록전단 강도 산정식을제안하였다.

휨을 받는 강섬유 보강 고강도철근 콘크리트 보의 구조 거동

양인환,김경철,조창빈 한국구조물진단유지관리공학회 2016 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.20 No.3

이 논문의 목적은 압축강도 130 MPa급의 고강도 강섬유 보강 콘크리트 보의 휨거동 특성을 파악하는데 있다. 부피비 1.0%의 강섬 유와 철근비 0.02 이하의 철근으로 보강된 고강도 강섬유 보강 콘크리트의 휨거동 특성 실험결과를 제시하였다. 일반강도철근과 고강도철근 을 실험 부재에 사용하였다. 강섬유 보강 콘크리트의 압축 및 인장거동 재료 실험과 모델링을 수행하였다. 강섬유 보강 콘크리트의 하중-균열 개구변위 실험결과를 반영하여 가상균열모델에 근거한 역해석을 통해 인장거동모델링을 제시하였다. 실험결과는 강섬유 보강 콘크리트와 고 강도철근의 사용은 균열제어 및 연성 거동에 유리한 것을 나타낸다. 일반강도철근을 사용한 보의 휨강도 실험값에 대한 수치해석에 의한 예측 값의 비는 0.81~1.42를 나타내고, 고강도철근을 사용한 보의 휨강도 실험값에 대한 수치해석에 의한 예측값의 비는 0.92~1.07을 나타낸다. 수 치해석에 의한 휨강도는 실험결과를 합리적으로 예측하고 있는 것으로 판단된다. The purpose of this paper is to investigate the flexural behavior of high-strength steel fiber-reinforced concrete beams with compressive strength of 130 MPa. The paper presents experimental research results of steel fiber-reinforced concrete beams with steel fiber content of 1.0% by volume and steel reinforcement ratio of less than 0.02. Both of normal-strength rebar and high-strength rebar were used in the test beams. Modeling as well as compressive and tensile strength test of high-strength steel fiber- reinforced concrete was performed to predict the bending strength of concrete beams. Tension modeling was performed by using inverse analysis in which load-crack mouth opening displacement relationship was considered. The experimental results show that high-strength steel fiber-reinforced concrete beams and the addition of high-strength rebar is in favor of cracking resistance and ductile behavior of beams. For beams reinforced with normal-strength rebar, the ratio of bending strength prediction to the test result ranged from 0.81 to 1.42, whereas for beams reinforced with high-strength rebar, the ratio of bending strength prediction to the test result ranged from 0.92 to 1.07. The comparison of bending strength from numerical analysis with the test results showed a reasonable agreement.

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.

고강도 후크형 강섬유로 보강된 콘크리트의 압축 및 휨 성능

왕기 ( Qi-wang ),김동휘 ( Dong-hwi Kim ),윤현도 ( Hyun-do Yun ),장석준 ( Seok-joon Jang ),김선우 ( Sun-woo Kim ) 한국구조물진단유지관리공학회 2021 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.25 No.6

이 논문은 고강도 후크형 강섬유 보강량과 형상비에 따른 콘크리트의 압축 및 휨 성능에 미치는 영향에 대하여 다룬다. 이를 위하여 총 10개 콘크리트 배합이 계획되었다. 설계기준강도 30 MPa인 콘크리트에 형상비(l/d)가 64, 67, 80인 강섬유를 0.25%, 0.50%, 0.75% 혼입하여 강섬유 보강콘크리트가 제조되었다. 형상비 64, 67, 80인 강섬유의 인장강도는 각각 2,000, 2,400, 2,100 MPa이다. 시험 결과로부터 고강도 후 크형 강섬유의 혼입량은 콘크리트의 압축 및 휨 성능에 영향을 미치는 것으로 나타났다. 강섬유 혼입량이 증가함에 따라 푸아송비 및 압축인성은 향상되었으나 콘크리트의 압축강도 및 탄성계수에 큰 변화를 보이지 않았다. 강섬유 보강 콘크리트의 균열발생후 휨거동의 특성을 나타내는 잔여 휨강도 및 노치에서 시작된 균열면에서 에너지 소산능력은 강섬유의 혼입률 및 형상비에 따라 크게 좌우되었다. 특히 MC2010에서 정의된 사용 및 극한 상태한계에서의 잔여 휨강도는 강섬유 혼입량과 형상비가 증가함에 따라 증가되었다. This paper investigates the effect of high strength hooked-end steel fiber content and aspect ratio on the compressive and flexural performance of concrete. A total of ten mixtures were prepared and tested. Concretes with specific compressive strength of 30 MPa were reinforced with three different aspect ratios (l/d) of steel fibers 64, 67, and 80 and three different percentages of steel fibers 0.25, 0.50, and 0.75% by volume of concrete. Tensile strengths of steel fibers with l/d of 64, 67, and 80 are 2,000, 2,400, and 2,100 MPa, respectively. The compressive and flexural properties of plain and steel fiber-reinforced concrete (SFRC) mixtures were evaluated and compared. The experimental results indicated that the incorporation of high-strength hooked-end steel fibers had significant effects on the compressive and flexural performance of concrete. With the increase of steel fiber content, compressive performances, such as Poisson's ratio and toughness, of concrete were improved. The steel fibers with the least l/d of 67 resulted in a larger enhancement of compressive performances. The residual flexural strength, that is, post-cracking flexural resistance and toughness, of concrete is mainly depended on the dosage and aspect ratio of steel fibers. The residual flexural strength at serviceability (SLS) and ultimate limit state (ULS) defined in fib Model Code 2010 (MC2010) is increased as the fiber content and aspect ratio increase.

고강도 강재의 언더매칭 종방향 필릿용접부 공칭강도

조재병,김윤기 한국강구조학회 2018 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.30 No.6

Recently, the demand for undermatching weld has increased as high strength steel is used and also expected to be used more for steel structures. Presented in this study is a more appropriate formula for a nominal strength of undermatching fillet welded longitudinal joints of high strength steel ( ≥  ). Relevant test data were collected from overseas as well as Korea and analyzed to derive the formula. Tensile strength of parent materials and matching ratio of weld metal to base material strength were selected as major parameters. The derived formula was compared with the test results and showed good agreement. In addition, the effects of matching ratio were investigated for the parent material(HSB460 and HSB690) and weld metal combinations according to KS and also compared with the test data. In general, the values of nominal strength calculated in accordance with the domestic steel structure design standards (KDS 14 31 25) are smaller than the test data and the differences are becoming even greater as the matching ratio decreases. However, by applying the matching ratio correction factors proposed in this study, the values of calculated nominal strength were found to lie on the safe side with almost same level of differences from the test data for all range of matching ratios reviewed. 최근 고강도 강재가 점점 더 많이 사용됨에 따라 언더매칭 용접의 적용에 대한 요구도 증대되고 있다. 이 연구에서는 고강도 강재의언더매칭용접부에 대해 보다 적합한 공칭강도를 산출할 수 있는 계산식을 제안하였다. 인장강도 600MPa 이상의 강재에 대한 국내외의 관련 시험자료를 수집 분석하고, 모재의 인장강도와 매칭비를 변수로 한 종방향 필릿용접부의 공칭강도 계산식을 도출하였다. 제안한 계산식과 시험결과를 비교하여 그 적합성을 보였다. 또한 국내의 고강도 강재 HSB460과 HSB690에 KS 표준에 따른 여러 등급 용접금속을 적용한 경우에 대하여 KDS 14 31 25에 따라 산정한 공칭강도 값과 시험 값을 비교하였다. 현행 국내의 강구조 연결 설계기준에 따른 공칭강도 값은 시험에 의한강도 값에 비해 전체적으로 작은 쪽에 놓이며, 그 차이는 강종에 상관없이 매칭비의 감소에 따라 점점 더 크게 증가하는 것으로 나타났다. 이 연구에서 제안한 매칭비에 따른 보정계수를 적용한 공칭강도는 검토한 범위의 매칭비에 대해서 시험결과로 얻는 강도 대비 모두 거의 일정한 수준의안전 측에 놓이게 되는 것으로 나타났다.

600㎫급 고강도 원형강관 기둥 및 보부재의 거동

이은택(Lee Eun-Taik),심현주(Shim Hyun-Ju),이상훈(Lee Sang-Hoon),김진호(Kim Jin-Ho) 대한건축학회 2007 대한건축학회 학술발표대회 논문집 - 계획계/구조계 Vol.27 No.1

Recent advances of technology in materials science have made it easy to respond to user's needs on high performance steel in civil and building structures. The high-performance and high-strength steel are required for large scale structure and high-rise building to have high-strength, high fracture toughness and better weldability etc. Therefore development of 600㎫ class steel for mega structure is going on. high strength steels, however, may have mechanical properties that are significantly different from those of the conventional steels. The application of high-strength steels to building structures should be reviewed as to whether inelastic behavior equivalent to that of coventional steels can ve attained or not. This study researched the structural behavior of high strength circular tubes under compression and under flexure. Three column tests and three flexural tests were carried out. The suitability of existing design formulae(KBC 2005) and the structural behavior were investigated through these columns and beams with various types.

프로젝션용접 FE 해석을 통한 재료강도에 따른 적정용접구간 도출

하상언(Sang Un Ha),최완섭(Wan Sub Choi),임성상(Sung Sang Lim),박영도(Yeong Do Park),이형일(Hyungyil Lee) 대한기계학회 2018 大韓機械學會論文集A Vol.42 No.2

프로젝션용접이란 국부적인 열발생을 유도해 원하는 위치에 재료를 접합시키는 용접법이다. 돌출부는 스탬핑 공정을 통해 제작되므로 돌출부 주변 잔류응력은 재료에 따라 변한다. 최근 다양한 고강도강의 개발로 재료특성이 저항용접에 미치는 영향에 대한 관심이 높아졌다. 그러나 고강도강의 적정용접구강은 기존의 강과 다르며 이는 많은 용접문제를 유발한다. 이에 본 연구에서는 Abaqus (6.13ver)로 전기-열-응력이 3중 연계된 3차원 프로젝션용접 전산모사를 수행하며 가압력, 전류, 통전시간, 돌출부 높이, 재료강도에 따라 얻은 해석 너깃크기를 토대로 적정 용접변수 구간을 제시한다. 고강도강 중 하나인 DP780강에 대한 실험과 해석 간 너깃크기의 평균오차는 6.8 %이다. The resistance projection welding is a welding method for inducing local heat generation to join a material to a desired position. As the projection is formed through the stamping process, the residual stresses around the projection varies with the material. Recent developments of various high-strength steels have kindled interest in the effect of material properties on resistance welding. However the acceptable welding domain of high-strength steel differs from that of conventional steels, resulting in various welding problem. In this study, we perform a fully coupled electricalthermal-mechanical finite element analyses (FE) of a 3-dimensional resistance projection welding model using Abaqus(6.13ver). The acceptable welding domains are obtained by using nugget size from FE analyses for various welding parameters such as electrode force, current, welding time, height of projection and material strength. For DP780 steel, one of the high-strength steels, the average error of the nugget size between the experiment and the analysis is 6.8 %.