강축 개단면 보-기둥 용접 강구조 연결의 휨 저항

이 보고서는 ISISE(지속가능성 및 구조공학 혁신 연구소)와 코임브라 대학교 및 IDEA StatiCa 간의 협력 프레임워크 내에서 개발되었습니다. 이 프로젝트는 양 기관이 공동으로 자금을 지원하였으며, 다음 저자들이 작성하였습니다:

• Luis Simões da Silva
• Jorge Conde
• Filip Ljubinković
• João Pedro Martins
• Francisca Santos
• Fernando Freire
• Juan Aguiar

요약

이 보고서는 적절히 검증된 고품질 3D-FEM 모델을 사용하여 전단 성분에서의 기둥 웨브에 특히 초점을 맞춘 용접 보-기둥 강구조 연결의 철저한 분석을 제시합니다. 본 연구는 횡방향 스티프너의 유무에 관계없이 강축 휨 저항 용접 개단면 보-기둥 연결을 포함하며, 중간층(내부) 또는 최상층(지붕)에 위치한 단측 및 양측 접합부를 다루고, 내부 접합부의 경우 다양한 수준의 기둥 축력을 고려합니다. 본 연구는 기둥 세장비, 접합부 종횡비, 접합부 구성, 스티프너, 축력 및 모멘트 비율(양측 접합부의 경우) 측면에서 광범위한 상황을 포함합니다. 재료 모델, 해석 유형, 메시 밀도, 초기 불완전성 등 FE 관련 측면도 고려됩니다.

본 연구는 다음 분야에서 1년간의 작업을 포함합니다:

1. 설정된 목록에는 30%, 50%, 70% 축력 케이스가 포함됩니다.
2. 강재 등급에는 S235, S275, S355가 포함됩니다.
3. 압연 기둥, 필릿 용접 및 맞대기 용접 기둥이 논의됩니다.
4. GMNA와 MNA의 차이에 대한 포괄적인 연구가 포함되었습니다.
5. 재료 구성 법칙의 영향에 대한 포괄적인 연구가 포함되었습니다.
6. 필릿 용접이 접합부 거동에 미치는 영향이 연구됩니다.

목적

본 연구의 목적은 횡방향 스티프너의 영향을 포함하여 개단면 부재(보 및 기둥)를 사용한 단측 및 양측 보-기둥 구성의 용접 접합부에 대한 강축 휨 모멘트 저항을 평가하는 것으로, i) 유럽 설계 규정, ii) FEA(3D 솔리드 요소) 및 iii) IDEA StatiCa를 사용하고, 각 방법으로 얻은 결과를 비교합니다.

방법론

1. 고품질 3D FEM 모델을 통해 광범위한 용접 보-기둥 접합부에 대한 웨브 패널 구성요소의 설계 저항을 평가하고, 이를 벤치마크 케이스로 활용합니다.
2. 쉘 요소 기반의 CBFE 모델(IDEA StatiCa)과 접합부 저항을 비교합니다.
3. 현실적이고 안전한 저항값을 확보하기 위해 IDEA StatiCa가 제공하는 기능 및 기본 옵션 개선 가능성을 논의합니다.
4. 현행 및 차기 버전의 Eurocode 3에서 제공하는 설계 식으로 얻은 결과와 접합부 저항을 비교합니다.
5. 모멘트-회전 곡선에서 '설계 저항'을 정의하기 위해 IDEA StatiCa가 채택한 5% 등가 소성 변형률 기준과 다른 일반적인 기준(초기 강성의 1/3로 할선 강성을 완화하는 방법 등)에 의해 산출되는 휨 저항의 차이를 평가합니다.

검토 사항

• 결과의 산포는 어느 정도인가?
• 다양한 매개변수(세장비, 종횡비, 휨 모멘트 비율, 횡방향 스티프너, 축력 등)가 이러한 결과에 미치는 영향은 무엇인가?
• 기둥 웨브 구성요소가 이러한 결과에 미치는 영향은 무엇인가?

제외 사항

프로그램 결과에 대한 신뢰성 평가는 본 연구의 범위를 벗어나므로 수행하지 않습니다.

결론 요약

Abaqus 결과 분석을 통해 다음과 같은 결론이 도출되었습니다:

1. 5% 등가 소성 변형률 기준과 관련하여, 이 유형의 접합부에서는 초기 강성의 1/3로 할선 강성을 감소시키는 동일한 수치 모델로 얻은 결과와 유사한 저항 결과를 산출하는 것으로 나타났습니다.
2. 초기 불완전성은 분석된 접합부의 거동에 미미한 역할을 하지만, 특히 축력이 존재하는 경우에는 기하학적 비선형성(2차 해석)을 포함해야 합니다.
3. 변형률 경화를 포함하면 저항이 평균 4% 소폭 증가하지만, 접합부 회전에는 평균 약 44%의 큰 영향을 미칩니다.

다음 사항은 IDEA StatiCa 구현과 관련하여 중요합니다:

1. IDEA StatiCa는 프로그램의 기본 메시(버전 23.1)와 MNA(재료 비선형 해석)를 사용할 경우, Abaqus로 얻은 결과보다 큰 저항값을 제공합니다. 맞대기 용접 압연 기둥의 경우 평균 6% 크고, 맞대기 또는 필릿 용접 용접 기둥의 경우 약 11% 큽니다. 필릿 용접 압연 기둥의 경우 결과는 평균적으로 Abaqus 결과와 동일합니다. 개별 케이스에서 관찰된 최대 편차는 22%(맞대기 용접 압연 기둥) 및 53%(맞대기 용접 용접 기둥)입니다.
   IDEA StatiCa 코멘트: 이 상황은 버전 25.0에서 구현된 두 가지 변경 사항으로 해결됩니다:
   - 기하학적 비선형 해석
   - 용접 분산 영역 – 맞대기 용접의 경우 축소, 즉 맞대기 용접 기둥의 저항이 감소됨
   
2. 정밀 메시(기본 메시 크기의 절반)와 GMNA(기하학적 및 재료 비선형 해석)를 사용한 IDEA StatiCa는 Abaqus 결과와 양호한 일치(평균 ±5% 이내)를 보이는 저항값을 제공합니다. 개별 케이스에서 관찰된 최대 편차는 15%(맞대기 용접 압연 기둥), 5%(필릿 용접 압연 기둥), 27%(맞대기 용접 용접 기둥) 및 14%(필릿 용접 용접 기둥)입니다.
   IDEA StatiCa 코멘트: 이전 항목에서 언급된 변경 사항으로 인해 메시를 절반으로 줄일 필요가 없어졌습니다.
   
3. 초기 불완전성의 영향은 단측 내부 접합부에 대해 연구되었으며 무시할 수 있는 수준으로 나타났습니다.
   IDEA StatiCa 코멘트: 이는 조사된 접합부 범위에 대해 GMNA로 충분하며 GMNIA는 필요하지 않음을 의미합니다.
   
4. 2^차 효과 없이 순수 재료 비선형 해석을 수행하면 기둥에 축력이 있는 경우 비보수적인 결과를 초래합니다. 따라서 프로그램에서 기하학적 비선형 해석을 기본으로 활성화할 것을 권장합니다.
   IDEA StatiCa 코멘트: 버전 25.0에서 기하학적 비선형 해석이 모든 연결에 대해 사용 가능하게 되었습니다. 향후 패치에서 경고가 제공될 예정입니다.
   
5. 메시 크기는 결과의 정확도에 필수적인 역할을 합니다. 수렴값을 추정하는 잠재적 접근 방식은 메시 크기를 절반으로 줄이고 두 값으로 얻은 휨 저항에 Richardson 외삽법을 적용하는 자동화 프로세스에 기반할 수 있습니다.
   IDEA StatiCa 코멘트: Richardson 외삽법은 하중 저항을 결정할 때 가능합니다. 그러나 합격/불합격 규정 검토에는 적용할 수 없습니다. 버전 25.0에서 앞서 언급한 변경 사항으로 인해 기본 메시가 이미 충분히 정확한 결과를 제공합니다. 
6. IDEA StatiCa가 구현한 재료 모델(E/1000 변형률 경화 기울기)은 완전 탄소성 재료로 얻은 결과와 비교하여 평균 3%의 휨 저항 증가를 초래합니다.

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• 01 Report IDEA STATICA FINAL SIGNED.pdf (PDF, 10.7 MB)