용접 포털 프레임 처마 모멘트 연결

설명

이 챕터에서는 용접 포털 프레임 처마 모멘트 연결에 대한 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)을 구성요소법(CM)으로 검증합니다. 개방형 단면 보가 개방형 단면 기둥에 용접됩니다. 기둥은 보 플랜지 반대편에 두 개의 수평 스티프너로 보강됩니다. 압축을 받는 판, 예를 들어 기둥의 수평 스티프너, 전단력을 받는 기둥 웨브 패널, 압축을 받는 보 플랜지는 좌굴을 방지하기 위해 3^rd 등급으로 제한됩니다. 래프터는 전단력과 휨 모멘트를 받습니다.

해석 모델

본 연구에서는 전단력을 받는 웨브 패널, 횡방향 압축을 받는 기둥 웨브, 횡방향 인장을 받는 기둥 웨브, 휨을 받는 기둥 플랜지, 압축을 받는 보 플랜지의 다섯 가지 구성요소를 검토합니다. 모든 구성요소는 EN 1993-1-8:2005에 따라 설계됩니다. 필릿 용접은 접합부에서 가장 취약한 구성요소가 되지 않도록 설계됩니다. 보강된 보-기둥 접합부의 필릿 용접 검증 연구는 4.4장에 수록되어 있습니다.

전단력을 받는 웨브 패널

기둥 웨브의 두께는 안정성 문제를 방지하기 위해 세장비로 제한됩니다. EN 1993‑1‑8:2005, Cl 6.2.6.1(1) 참조. 전단력을 받는 4등급 기둥 웨브 패널은 6.2장에서 다룹니다. 하중 저항 능력에 대한 두 가지 기여가 고려됩니다: 전단력을 받는 기둥 패널의 저항과 기둥 플랜지 및 수평 스티프너의 프레임 메커니즘에 의한 기여. EN 1993‑1‑8:2005, Cl. 6.2.6.1 (6.7 및 6.8) 참조.

횡방향 압축을 받는 기둥 웨브

전단 하중의 상호작용 효과가 고려됩니다. EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2, Tab. 6.3 참조. 기둥 패널의 종방향 응력의 영향이 고려됩니다. EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2(2) 참조. 수평 스티프너는 이 구성요소의 하중 저항 능력에 포함됩니다.

횡방향 인장을 받는 기둥 웨브

전단 하중의 상호작용 효과가 고려됩니다. EN 1993-1-8:2005, Cl. 6.2.6.2, Tab. 6.3 참조. 수평 스티프너는 이 구성요소의 하중 저항 능력에 포함됩니다.

휨을 받는 기둥 플랜지

수평 스티프너가 기둥 플랜지를 지지하므로 이 구성요소는 고려되지 않습니다.

압축을 받는 보 플랜지

수평 보는 좌굴을 방지하기 위해 3등급 단면 이상으로 설계됩니다.

고려된 예제 및 재료의 개요는 Tab. 9.1.1에 제시되어 있습니다. 치수가 포함된 접합부의 형상은 Fig. 9.1.1에 나타나 있습니다. 본 연구에서 고려된 매개변수는 보 단면, 기둥 단면, 기둥 웨브 패널의 두께입니다.

Tab. 9.1.1 예제 개요

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.1 Joint geometry and dimensions}}}\]

수치 모델

각 적분점의 층별로 비선형 탄소성 재료 상태를 검토합니다. 평가는 EN 1993-1-5:2006에 따라 5%의 최대 변형률 값을 기준으로 합니다. 

전체 거동

모멘트-회전 다이어그램으로 나타낸 포털 프레임 모멘트 연결의 전체 거동 비교를 제시합니다. 모멘트-회전 다이어그램의 주요 특성은 초기 강성, 탄성 저항, 설계 저항입니다. 예제에서는 개방형 단면 보 IPE 330이 기둥 HEB 260에 용접됩니다. 기둥에 수평 스티프너가 있는 포털 프레임 모멘트 연결은 구성요소법에 따라 S_j,ini = ∞인 강접합부로 간주됩니다. 따라서 기둥에 수평 스티프너가 없는 접합부를 분석합니다. 모멘트-회전 다이어그램은 Fig. 9.1.2에 나타나 있으며, 결과는 Tab. 9.1.2에 요약되어 있습니다. 결과는 초기 강성 및 접합부 전체 거동에서 매우 좋은 일치를 보여줍니다.

Tab. 9.1.2 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 및 CM에서의 포털 프레임 모멘트 연결의 회전 강성

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.2 Moment-rotation diagram for a joint without column stiffeners}}}\]

저항 검증

CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)으로 계산된 결과를 CM과 비교합니다. 비교는 설계 저항과 임계 구성요소에 초점을 맞춥니다. 본 연구는 보 단면, 기둥 단면, 기둥 웨브 패널의 두께의 세 가지 매개변수에 대해 수행됩니다.

보 단면이 매개변수인 예제에서는 개방형 단면 기둥 HEB 260이 사용됩니다. 기둥은 보 플랜지 반대편에 두께 10 mm의 수평 기둥 스티프너 두 개로 보강됩니다. 스티프너의 폭은 보 플랜지의 폭에 대응합니다. 보 IPE 단면은 IPE 140에서 IPE 500까지 선택됩니다. 결과는 Tab. 9.1.3에 나타나 있습니다. 용접 포털 프레임 모멘트 연결의 설계 저항에 대한 보 단면의 영향은 Fig. 9.1.4에 나타나 있습니다. CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)에서의 임계 구성요소는 보 플랜지, 기둥 플랜지 및 기둥 웨브였습니다. Fig. 9.1.3은 플랜지 설명이 포함된 예제 모델 중 하나를 보여줍니다. 

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.3 Model with flanges description}}}\]

Tab. 9.1.3 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 및 CM에서의 설계 저항과 임계 구성요소

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.4 Sensitivity study of beam size in a portal frame moment connection}}}\]

기둥 단면이 매개변수인 예제에서는 개방형 단면 보 IPE330이 사용됩니다. 기둥은 보 플랜지 반대편에 두께 10 mm의 수평 기둥 스티프너 두 개로 보강됩니다. 스티프너의 폭은 보 플랜지의 폭에 대응합니다. 스티프너의 합산 폭은 160 mm입니다. 기둥 단면은 HEB 160에서 HEB 500까지 선택됩니다. 결과는 Tab. 9.1.4에 나타나 있습니다. 용접 포털 프레임 모멘트 연결의 설계 저항에 대한 기둥 단면의 영향은 Fig. 9.1.5에 나타나 있습니다.

Tab. 9.1.4 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 및 CM에서의 모멘트 연결의 설계 저항과 임계 구성요소

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.5 Sensitivity study of column size in a portal frame moment connection}}}\]

세 번째 예제는 개방형 단면 보 IPE 330과 기둥 HEA 320으로 구성된 포털 프레임 모멘트 연결을 다룹니다. 매개변수는 기둥 웨브의 두께입니다. 기둥은 두께 10 mm, 폭 160 mm의 수평 기둥 스티프너 두 개로 보강됩니다. 기둥 웨브 두께는 4 mm에서 16 mm까지 선택됩니다. 결과는 Tab. 9.1.5에 요약되어 있습니다. 용접 포털 프레임 모멘트 연결의 설계 저항에 대한 기둥 웨브 두께의 영향은 Fig. 9.1.6에 나타나 있습니다.

Tab. 9.1.5 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 및 CM에서의 모멘트 연결의 설계 저항과 임계 구성요소

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.6 Sensitivity study of column web thickness}}}\]

CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 모델의 정확도를 설명하기 위해, 매개변수 연구 결과를 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)과 구성요소법의 저항을 비교하는 다이어그램으로 요약합니다. Fig. 9.1.7 참조. 결과는 두 계산 방법 간의 차이가 일반적으로 허용 가능한 값인 5% 미만임을 보여줍니다. 기둥 웨브 두께를 매개변수로 한 연구에서는 구성요소법에 비해 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 모델이 더 높은 저항을 나타냅니다. 이 차이는 용접 단면을 고려하기 때문에 발생합니다. 구성요소법에서 전단 하중의 전달은 웨브에서만 고려되며 플랜지의 기여는 무시됩니다.

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.7 Verification of CBFEM to CM}}}\]

벤치마크 예제

입력값

기둥

• 강재 S235
• HEB260

보

• 강재 S235
• IPE330

기둥 스티프너

• 두께 t_s = 19 mm
• 폭 80 mm
• 보 플랜지 반대편

용접

• 보 플랜지: 필릿 용접 목두께 a_f  = 8 mm
• 보 웨브: 필릿 용접 목두께 a_w  = 8 mm
• 스티프너 주위 맞대기 용접

출력값

• 휨 설계 저항 M_Rd = 146 kNm
• 임계 구성요소: 보 플랜지 1

\[ \textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 9.1.8 Benchmark example}}}\]