Behavior and Design of Longitudinal Plate-to-CHS Joints under Combined Axial Loading and In-plane Bending

Abstract

Up-to-date design rules for tubular joints with welded branch plate(s) were recently formulated in prEN 1993-1-8. For plate-to-circular hollow section (CHS) joint, the design rules cover joints of high-strength steel tubular members whose yield stress is up to 460 MPa by incorporating the material factor (or joint strength reduction factor). These limitations on the high-strength steel joints are from concerns about lower strain hardening and the reduced ductility of high-strength steel compared to mild steel. However, the background data for the regulations need to be further augmented. In this study, to evaluate the current limitations on high-strength steel for plate-to-CHS joint, the strength and ductility of the high-strength steel joint were investigated based on the experimental and test-validated numerical studies. Meanwhile, it was also noted that the current design standards or guides do not provide an interaction relationship for the design of joints under combined axial compression and in-plane bending (IPB). To establish an interaction relationship of combined axial compression and IPB for longitudinal plate-to-CHS joints, the numerical parametric study was conducted. In the experiment, high-strength steel with a yield stress of 460 or 700 MPa was applied on the longitudinal X-type plate-to-CHS joints. The deformation capacity for the high-strength steel joints was sufficient relative to the ultimate deformation limit which determines the joint strength. The joint strength also provided high safety margin compared to the design resistance, suggesting that the yield stress limitation (fy ≤ 460 MPa) may be relaxed. The material factor for steel grade 460 was further investigated based on an extensive test-validated numerical analysis. Longitudinal X- and T-type plate-to-CHS joints were considered in the analysis, and their nondimensional geometric parameters were carefully chosen to induce a ductile chord plastification failure only. For the loading conditions, the combined axial compression and IPB were included in addition to the individual loading case. It was first shown that when IPB loading is involved, the use of a widely accepted 3% deformation limit criterion often yields a conservative joint strength rating. A more reasonable criterion is proposed considering both the 3% indentation limit and an additional limit in terms of the joint rotation angle. With the new deformation limit criterion, the code-specified material factor (0.90) for steel grade 460 was found to be appropriate for the X- and T-joints regardless of the loading type. Moreover, based on the analysis results of this study, the use of a linear interaction equation is newly proposed for both mild and high-strength steel joints.

기존 유로코드의 개정안인 prEN 1993-1-8에서는 플레이트가 용접된 강관접합부에 대한 최신의 설계기준을 제안하고 있다. 설계기준에서는 플레이트-원형강관 접합부에 항복강도 460MPa 이하의 고강도강을 적용할 것을 제시하며, 이때 항복강도가 355MPa 이상일 경우에는 재료계수(또는 강도저감계수) 0.9를 사용하여 설계강도를 저감시켜야 한다. 이러한 고강도강에 대한 제한사항은 일반강에 비해 낮은 고강도강의 연성에 대한 우려 때문이다. 그러나 기준에서의 규제는 그 역학적 근거가 불분명하여 이에 대한 타당성을 확보할 필요가 있다. 본 논문에서는 실험 및 수치해석을 통해 고강도강을 적용한 플레이트-원형강관 접합부의 강도 및 연성을 검토하여 고강도강에 대한 현행의 제한사항을 평가하였다. 한편, 설계기준에서는 플레이트-원형강관 접합부가 축력과 면내휨의 조합력을 받을 때 그들의 상관관계식을 제시하지 않고 있다. 따라서 조합력을 받는 횡방향 플레이트-원형강관 접합부에 대한 해석적 연구를 통해 상관관계를 정립하고자 하였다. 실험에서는 횡방향 X형 플레이트-원형강관 접합부에 대해 항복강도 460 또는 700 MPa의 고강도강을 적용하였다. 실험 결과, 모든 고강도강 접합부는 접합부의 강도가 결정되는 변형한계와 비교했을 때 충분한 변형 능력을 갖고 있음을 확인하였으며, 접합부의 강도 또한 일반강에 비견될 만한 성능을 보였다. 이에 따라 설계기준에서 제시하는 항복강도 상한(fy = 460MPa)이 완화될 수 있음을 제시하였다. 또한, 검증된 수치해석 기법을 사용하여 기준에서 제시하고 있는 재료계수를 평가하였다. 횡방향 X형, T형 플레이트-원형강관 접합부에 압축력, 면내휨, 그리고 압축력과 면내휨의 조합력을 가하였으며, 해석에 고려된 접합부의 기하학적 형상은 주관소성화 파괴모드만 유도될 수 있도록 선정되었다. 해석적 연구를 통해 플레이트-원형강관 접합부에 면내휨이 작용할 때 강관접합부에서 널리 사용되는 3% 변형한계 기준의 사용은 대체로 보수적인 접합부 강도를 제공하였다. 따라서 3% 변형한계 기준을 기반으로 추가적인 보정을 통해 보다 합리적인 회전각 변형한계 기준을 제시하였다. 새롭게 정의한 변형한계 기준을 사용하여 기준에서 제시하는 항복강도 460MPa에 대한 재료계수 0.9가 하중 조건에 관계없이 X형, T형 접합부에 적절함을 확인하였다. 더불어 조합력을 받는 플레이트-원형강관 접합부의 경우, 선형 상관관계식을 사용할 것을 새롭게 제시하였다.