Experimental and Analytical Study of RHS X-Joints under Axial Compression

Abstract

최근 건축물은 물론 해양구조물에도 적용되는 강관은 기둥과 트러스로 널리 사용되고 있다. 그중에서 각형강관은 강관의 제작과 용접이 간단하여 원형강관을 대체하는 단면으로 활용되고 있다. 각형강관에 고강도강관을 사용하면 설계부터 제작, 운반, 시공뿐 아니라 미학적 측면으로도 많은 이점을 취할 수 있다. 그러나 고강도 강재를 적용하는 데 있어 가장 관대한 기준인 유로코드에서조차 고강도 강재를 적용한 각형강관 접합부의 강도를 산정할 때에는 사용되는 강재의 항복강도에 따라 0.8 또는 0.9의 강도감소계수를 곱하도록 제한하고 있다. 본 연구에서는 유로코드에서 제안하는 강도감소계수의 적절성을 검증하기 위해 각형강관 X형 접합부에 압축력을 가하는 실험을 계획하였다. 실험변수는 2가지로 강재의 항복강도(fy)와 지관과 주관 사이의 폭 비율(β)이다. 총 6개의 실험체를 제작하였으며, 실험결과, 접합부의 탄성구간 이후 거동은 지관과 주관의 폭 비율에 따라 굉장한 차이를 보였다. 모든 실험체가 유로코드 공칭강도를 초과하는 실험강도를 보였으며, 발현된 실험강도들은 0.8의 강도감소계수가 적용되지 않은 유로코드 공칭강도조차도 상회하였다. 한편, 지관과 주관의 폭이 동일한 X형 접합부 실험체에 적용되는 주관측벽 좌굴강도식은 실험강도를 지나치게 보수적으로 예측하였기에 그 정확도를 개선해야한다. 선행연구 중에는 개선된 주관측벽 좌굴강도식을 제안하는 연구도 있었으나, 이 연구에서 제안한 식을 통해 얻은 예측강도는 고강도 강재를 적용한 실험체의 강도를 여전히 보수적으로 평가하였다. 그러므로 본 연구에서는 새로운 주관측벽 좌굴강도식을 제안하였다. 이 식은 판 좌굴에 근거한 이론적 모델에서 유도되었으며, 수치해석을 통해 그 유효성을 검증하였다. 또한, 선행 연구들로부터 수집한 실험강도 데이터를 통해 본 연구에서 제시한 식과 현행 주관측벽 좌굴강도식들을 비교하였다. 결론적으로, 본 연구에서 새롭게 정의한 세장비를 유로코드 기둥좌굴 곡선 중 하나인 c곡선에 적용한다면 현존하는 다른 강도식보다 더 일관성 있고 정확한 예측강도를 얻을 수 있다.

Applying high-strength steel to rectangular hollow section (RHS) joints can bring about many technological advantages from design to erection. However, the application of high-strength steel to RHS joints is forbidden or permitted with high-strength penalty in most representative international standards. To examine the appropriateness of the strength reduction penalty imposed on high-strength steels, six RHS X-joint specimens fabricated from high-strength and ordinary steels were tested under axial compression. The key parameters of this experimental test included brace to chord width ratios and grade of steels. All high-strength steel specimens exhibited sufficient strength compared to the EC3 strength criteria

their strengths were even higher than the EC3 unreduced nominal strength. Significantly different post-elastic joint behavior was observed depending upon the brace to chord width ratio and grade of steels. It was also found that the formulation of sidewall buckling strength in current EC3 is inaccurate (too conservative) and needs to be improved. Although improved strength formula was recently suggested by Becque and Cheng (2016), it is still conservative and inaccurate to evaluate the strength of RHS X-joints fabricated from high-strength steel. A new design formula for RHS X-joint experiencing sidewall buckling was proposed in this thesis. When the new normalized plate slenderness ratio proposed in this study is used in combination with the column curve c of EC3, the accuracy and consistency in strength predictions were much improved compared to strength formulae currently available.