강구조 연결 구성요소 검토 (HKG)

홍콩 코드에 따른 플레이트 규정 검토

결과적인 등가 응력(HMH, von Mises)과 소성 변형률이 플레이트에서 계산됩니다. 이선형 재료 다이어그램에서 설계 항복강도 \(p_y\)(조항 3.1.2)에 도달하면 등가 소성 변형률 검토가 수행됩니다. 한계값 5%는 Eurocode(EN 1993-1-5 부록 C, 조항 C8, 주석 1)에서 제안된 값입니다. 이 값은 코드 설정에서 수정할 수 있으나, 검증 연구는 이 권장값을 기준으로 수행되었습니다. 

플레이트 요소는 5개의 층으로 나뉘며, 각 층에서 탄성/소성 거동이 검토됩니다. 프로그램은 모든 층 중 가장 불리한 결과를 표시합니다.

응력은 설계 항복강도보다 약간 높을 수 있습니다. 그 이유는 계산의 안정성을 향상시키기 위해 해석에 사용되는 응력-변형률 다이어그램의 소성 구간이 약간 기울어져 있기 때문입니다.

\[ p_y = \min \left \{ \frac{Y_s}{\gamma_{m1}}, \frac{U_s}{\gamma_{m2}} \right \} \]

여기서:

• \(p_y\) – 설계 항복강도
• \(Y_s\) – 특성 항복강도
• \(U_s\) – 최소 인장강도
• \(\gamma_{m1}\) – 재료 계수(표 4.1); 기본값 \(\gamma_{m1} = 1\), 코드 설정에서 수정 가능
• \(\gamma_{m2}\) – 재료 계수(표 4.1); 기본값 \(\gamma_{m2} = 1.2\), 코드 설정에서 수정 가능

홍콩 코드에 따른 용접 규정 검토

맞대기 용접

완전 용입 맞대기 용접이 적용되며, 그 저항력은 모재와 동등한 것으로 간주됩니다 – Cl. 9.2.5.2.1.

필릿 용접

필릿 용접은 Cl. 9.2.5.1.6에 따른 간편법으로 설계됩니다. 

\[ f_w \le p_w \]

• \(f_w = \sqrt{\sigma_\perp ^2 + \tau_\perp ^2 + \tau_\parallel ^2}\) – 모든 방향에서 용접 목 부분의 응력 벡터 합
• \(p_w\) – Table 9.2a 및 9.2b에 따라 결정된 필릿 용접의 설계값 강도; Table 9.2a 및 9.2b에서 다루지 않는 경우:
  • \(p_w = \min \{0.5 U_e, 0.55 U_s\}\) – EN 강재에 EN 용접봉을 사용하는 경우
  • \(p_w = 0.38 \min \{U_e, U_s\}\) – 기타 경우
• \(U_e\) – 용접봉의 최소 인장 강도
• \(U_s\) – 최소 인장 강도

필릿 용접의 유효 길이는 Cl. 9.2.5.1.3에 따라 \(2\cdot s\)만큼 감소되며, 여기서 \(s\)는 \(a\cdot \sqrt{2}\)와 동일하게 가정된 필릿 용접 다리 크기입니다.

Table 9.2a 및 9.2b: 설계값 강도 \(p_w\) [MPa]

용접봉의 기본 최소 인장 강도 \(U_e\) [MPa]

용접 다이어그램은 다음 공식에 따른 응력을 나타냅니다:

\[ \sigma = \sqrt{\sigma_{\perp}^2 + \tau_{\perp}^2 + 3 \tau_{\parallel}^2 } \]

홍콩 코드에 따른 볼트 규정 검토

인장 볼트

볼트의 인장 저항력은 Cl. 9.3.7.1에 따라 다음과 같이 검토됩니다:

\[ P_t = A_s \cdot p_t \]

여기서:

• \(A_s\) – 인장 응력 면적
• \(p_t\) – Table 9.8에서 얻은 인장 강도

프라잉 힘은 유한요소법 해석을 통해 고려됩니다.

전단력 볼트

볼트의 전단력 용량은 Cl. 9.3.6.1.1에 따라 다음과 같이 적용됩니다:

\[ P_s = p_s \cdot A_s \]

여기서:

• \(p_s\) – Table 9.5에서 얻은 설계값 전단력 강도
• \(A_s\) – 유효 전단력 면적; 나사산이 전단면에 걸리는 경우 \(A_s = A_t\), 그렇지 않은 경우 \(A_s\)는 생크의 단면적으로 적용
• \(A_t\) – 인장 면적 

Cl. 9.3.6.1.6에 따라, 볼트가 공칭 직경 \(d\)의 1/3을 초과하는 두께 \(t_{pa}\)의 패킹을 통과하는 경우, 전단력 용량 \(P_s\)는 다음 식으로 구한 저감 계수 \(\beta_p\)를 곱하여 저감해야 합니다:

\[ \beta_p = \frac{9d}{8d+3t_{pa}} \le 1 \]

인장과 전단력의 조합 볼트

인장과 전단력의 조합은 Cl. 9.3.8.1에 따라 다음과 같이 검토됩니다:

\[ \frac{F_s}{P_s} + \frac{F_{tot}}{P_t} \le 1.4 \]

여기서:

• \(F_s\) – 볼트의 전단력
• \(P_s\) – 볼트의 전단력 저항력
• \(F_{tot}\) – 프라잉 힘을 포함한 볼트에 작용하는 총 인장력
• \(P_t\) – 볼트의 인장 저항력

지압 볼트

볼트의 지압 용량은 Cl. 9.3.6.1.2에 따라 다음과 같이 적용됩니다:

\[ P_{bb} = d \cdot t_p \cdot p_{bb} \]

여기서:

• \(d\) – 볼트의 공칭 직경
• \(t_p\) – 연결 플레이트의 두께
• \(p_{bb}\) – Table 9.6에서 얻은 볼트의 지압 강도

각 플레이트는 개별적으로 검토되며 최악의 결과가 표시됩니다.

연결 부재의 지압 용량은 Cl. 9.3.6.1.3에 따라 다음 중 최솟값으로 적용됩니다:

\[ P_{bs} = k_{bs} \cdot d \cdot t_p \cdot p_{bs} \]

\[ P_{bs} = 0.5 \cdot k_{bs} \cdot e \cdot t_p \cdot p_{bs} \]

\[ P_{bs} = 1.5 \cdot l_c \cdot t_p \cdot U_s \le 2.0 \cdot d \cdot t_p \cdot U_b \]

여기서:

• \(k_{bs}\) – 구멍 계수:
  • 표준 구멍의 경우 \(k_{bs} = 1.0\)
  • 과대 구멍 및 단슬롯 구멍의 경우 \(k_{bs} = 0.7\)
  • 장슬롯 구멍의 경우 \(k_{bs} = 0.5\)
• \(d\) – 볼트 공칭 직경
• \(t_p\) – 연결 플레이트 두께
• \(p_{bs}\) – 연결 부재의 지압 강도
  • S275 등급 강재의 경우, \(p_{bs} = 460\) MPa
  • S355 등급 강재의 경우, \(p_{bs} = 550\) MPa
  • S460 등급 강재의 경우, \(p_{bs} = 670\) MPa
  • 기타 등급 강재의 경우, \(p_{bs} = 0.67 (U_s+Y_s)\)
• \(e\) – 볼트 중심선에서 측정한 전단력 방향의 단부 거리
• \(l_c\) – 동일한 하중 전달 방향에서 구멍의 지압 단부와 인접 구멍의 근접 단부 사이의 순 거리
• \(U_s\) – 연결 플레이트의 최소 인장 강도
• \(Y_s\) – 연결 플레이트의 특성 항복 강도
• \(U_b\) – 볼트의 규정 최소 인장 강도

홍콩 코드에 따른 볼트 및 프리로드 볼트의 규정 검토

전단 내력

프리로드 볼트의 전단 내력은 Cl. 9.3.6.2에 따라 다음과 같이 결정됩니다:

\[ P_{SL} = 0.9 \cdot K_s \cdot \mu \cdot P_0 \]

여기서:

• \(K_s\) – 구멍 계수, 다음과 같이 적용
  • 표준 구멍의 경우 \(K_s = 1.0\)
  • 과대 구멍의 경우 \(K_s = 0.85\)
  • 슬롯 구멍의 경우 \(K_s = 0.7\)
• \(\mu\) – 표 9.7에 따른 연결 부재 간 미끄럼 계수; 코드 설정에서 편집 가능
• \(P_0\) – 관련 국제 또는 국내 기준에 명시된 볼트의 최소 증명 하중

인장과 전단력의 조합

인장과 전단력의 조합은 Cl. 9.3.8.2에 따라 다음과 같이 검토됩니다:

\[ \frac{F_s}{P_{SL}}+\frac{F_{tot}}{0.9\cdot P_0} \le 1.0 \]

여기서:

• \(F_s\) – 볼트의 전단력
• \(P_{SL}\) – 프리로드 볼트의 미끄럼 내력
• \(F_{tot}\) – 프라잉 힘을 포함한 볼트에 작용하는 총 인장력
• \(P_0\) – 프리로드 볼트의 규정 최소 증명 하중

홍콩 코드에 따른 콘크리트 블록의 규정 검토

지압 상태의 콘크리트

지압 상태의 콘크리트는 CoP – SUoS – Cl. 9.4.1에 따라 다음과 같이 검토됩니다:

\[ \sigma \le w \]

여기서:

• \(\sigma\) – 유효 면적 \(A_{eff}\)에서의 평균 압축 응력으로, 다음 두 면적의 교차 영역입니다:
  • \(A_{CM}\) – 순수 압축에 대해 Cl. 9.4.1에 따라 결정된 유효 면적
  • \(A_{FEM}\) – 유한요소해석으로 결정된 콘크리트와 접촉하는 베이스 플레이트 하부 면적
• \(w = 0.6 f_{cu}\) – 집중 하중에 대한 콘크리트 압축 저항력 
• \(f_{cu}\) – 콘크리트 최소 특성 압축 강도

유효 면적 \(A_{CM}\)은 베이스 플레이트에 용접된 스티프너를 포함한 강재 부재의 면적에 겹침 길이 \(c\)를 더한 면적입니다:

\[ c = t_p \sqrt{\frac{p_{yp}}{3w}} \]

여기서:

• \(t_p\) – 베이스 플레이트 두께
• \(p_{yp}\) – 베이스 플레이트의 설계 항복 강도

압축 구역 하부의 압력은 균등 분포로 가정합니다.

전단력 전달

베이스 플레이트에서의 전단 작용은 다음을 통해 기둥에서 콘크리트 기초로 전달되는 것으로 가정합니다:

1. 베이스 플레이트와 콘크리트/그라우트 사이의 마찰
2. 전단 키
3. 앵커 볼트

앵커

앵커의 인장력에는 프라잉 힘이 포함되며, 유한요소해석으로 결정됩니다.

앵커는 소프트웨어에서 검토되지 않습니다.

홍콩 코드에 따른 볼트 및 용접 상세

볼트

볼트 최소 간격은 Cl. 9.3.1.1에 따르며: 볼트 중심 간 거리는 \(2.5 \cdot d\)보다 커야 하며, 여기서 \(d\)는 볼트의 공칭 직경입니다.

볼트 중심선에서 측정한 최소 단부 거리는 Table 9.3에 따릅니다:

용접

필릿 용접의 최소 다리 크기는 Table 9.1에 따라 검토됩니다.

홍콩 코드에 따른 내력 설계

홍콩 기준에서는 내력 설계가 요구되지 않습니다.

홍콩 코드에 따른 강성 분류

접합부는 접합부 강성에 따라 다음과 같이 분류됩니다:

• 강체 – 부재 사이의 원래 각도 변화가 미미한 접합부,
• 반강체 – 신뢰할 수 있고 알려진 수준의 휨 구속을 제공할 수 있는 것으로 가정되는 접합부,
• 힌지 – 휨 모멘트가 발생하지 않는 접합부.

접합부는 EN 1993-1-8 – Cl. 5.2.2에 따라 분류됩니다.

• 강체 – \( \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} \ge k_b \)
• 반강체 – \( 0.5 < \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} < k_b \)
• 힌지 – \( \frac{S_{j,ini} L_b}{E I_b} \le 0.5 \)

여기서:

• S_j,ini – 접합부의 초기 강성; 접합부 강성은 M_j,Rd의 2/3까지 선형으로 가정됨
• L_b – 해석 대상 부재의 이론적 길이; 부재 속성에서 설정
• E – 영(Young)의 탄성계수
• I_b – 해석 대상 부재의 단면 2차 모멘트
• k_b = 8: 가새 시스템이 수평 변위를 80% 이상 감소시키는 골조; k_b = 25: 기타 골조(단, 모든 층에서 K_b/K_c ≥ 0.1인 경우). 사용자가 코드 설정에서 "가새 시스템"을 설정하지 않는 한 k_b = 25가 사용됩니다.
• M_j,Rd – 접합부 설계값 모멘트 저항
• K_b = I_b / L_b
• K_c = I_c / L_c