Chord Stress Effect in Grade 700 Steel Tubular X-Joints with Non-Compact Cross-Section

Abstract

최근 고강도 강재의 개발 및 상용화로 그 수요가 점차 증가하고 있다. 고강도 강재의 강관 구조체로의 적용 또한 증가하는데, 이는 강관의 단면적 특성을 극대화할 수 있다. 그러나, 현행 강관 접합부 설계기준은 일반강 강관 접합부 실험 결과 및 해석데이터를 근간하여 제작된 것으로, 고강도강 강관 접합부 설계에 대한 맞춤 기준이 미비하다. 따라서 고강도강 접합부 설계 시 현행 설계기준을 적용하면 몇몇 조항등이 고강도강 적용에 독소조항으로 작용하는데, 대표적으로 유로코드3의 조밀 단면 제한이 있다. 조밀 단면 제한은 설계 시 부재의 단면 형상이 조밀 단면에 해당해야 하는 설계기준으로, 고강도강을 이용하여 강관 접합부 설계 시 현재 상용되는 강관 부재 치수 대부분을 제한한다. 이러한 제한사항은 고강도강 적용에 대해 보수적이고 역학적 근거도 불분명하여 재평가할 필요가 있다. 최근 원형강관 X형 접합부와 각형강관 X형 접합부에 대한 Kim 등의 선행연구에서 주관에 기작용하는 압축력 또는 휨모멘트에 의한 접합부 강도 감소(주관응력효과)는 비조밀 단면에 해당하는 고강도강 접합부에서도 일반강 접합부에 비견되는 수준임을 확인하였다. 이는 현행 설계 기준이 고강도강 접합부에 보수적임을 나타낸다. 본 연구에서는 단면 조밀도에 따른 고강도강과 일반강의 주관응력효과를 보다 자세히 조사하기 위해, 주관에 압축력이 작용하는 경우에 대해 매우 얇은 두께의 주관 단면을 갖는 접합부까지 단면 두께 범위를 확장하여 수치해석을 진행했다. 또한 주관에 휨모멘트가 작용 경우, 항복을 접합부 부근으로 유도하기 위해 선행연구의 순차적 가력 방법이 아닌 동시 가력 방식을 적용하여 접합부 부근의 항복을 유도한 뒤 조밀 단면과 비조밀 단면에서의 고강도강과 일반강의 주관응력효과를 비교하였다. 이때, 주관과 지관의 폭비 또는 지름비가 같을 경우 (β = 1.0) 다른 한계상태 거동을 보이므로, 주관과 지관의 폭비 또는 지름비가 같은 경우에 대해 구분하여 조사하였다. 주관에 압축력이 작용하는 경우, 주관과 지관의 지름이 같은 원형강관은 고강도강과 일반강의 차이 없이 주관응력효과가 거의 나타나지 않았다. 한편, 각형강관의 경우 주관의 두께가 매우 얇아지면 주관응력에 의한 접합부 강도 감소가 발생하였다. 지관의 폭 또는 지름이 주관보다 작을 경우, 원형강관과 각형강관 모두 단면 두께가 얇아질수록 주관응력효과가 증가했다. 현행 설계기준과 비교 시 단면 두께 범위 상한 (D/t ≤ 40) 내에서 주관과 지관 폭이 같은 각형강관을 제외하면 보수적이라 평가할 수 있다. 그러나, 주관과 지관 지름이 같은 원형강관을 제외하면 단면 두께 범위 상한은 필수적이라 평가된다. 주관에 휨모멘트가 작용하는 경우, 주관응력에 의한 접합부 강도 감소는 고강도강과 일반강 모두 현행 설계기준보다 크게 나타났다. 따라서, 주관응력관계식 (n)의 휨모멘트항에 강도감소계수 0.7을 적용한 새로운 기준식을 제안하였다. 새롭게 적용한 기준식은 강관 단면 형상 및 강재의 강도에 상관없이 주관에 휨모멘트가 작용할 경우 접합부의 강도 감소를 반영한다.

The application of high-strength steels on tubular structures enhances structural advantages of hollow sections by increasing merits of a closed section. However, in most representative design standards, the use of high-strength steels on tubular structures has been prohibited in general, or partially allowed by applying joint strength reduction. The limitation on section compactness, in which applicable range of design formulae is limited to members with the compact cross-section (e.g., Class 1 and Class 2 according to the Eurocode) when axial compression is applied, also hinder the use of many tubular sections in practical range of steel whose grade 700 steel or higher. In previous numerical study by the authors (Kim et al., 2019) on the circular hollow section (CHS) X-joints and rectangular hollow section (RHS) X-joints, the joint strength reduction caused by preloaded compression or preloaded bending moments on a chord member (i.e., the chord stress effect) was shown to be acceptable for many high-strength steel chord sections classified as Class 3 or 4. The study, in case of preloaded chord compression, is extended to much more slenderer cross-sections to investigate more comprehensively the influence of cross-sectional compactness on the chord stress effect. Meanwhile, in case of bending moments, numerical analyses comparing high-strength and mild steel joint having compact or non-compact section are conducted by replacing a sequential loading profile to a proportional loading profile in which the chord load and the brace load acts simultaneously, to induce yielding near the joint. At this time, CHS and RHS joints with brace-to-chord diameter ratio of 1.0 are separately analyzed since the ultimate behavior of these joints are different from the joints with lower diameter ratios. Under the chord compression, steel grade is shown to be a minor influential factor to the chord stress effect except full-width RHS X-joints. Comparing chord stress effect of study results and that of CIDECT design guide, study results are shown to have less joint strength degradation than that of CIDECT for both steel grades within the design cross-sectional slenderness range in CIDECT except full-width RHS X-joints. Meanwhile, under the chord bending moments, chord stress effect for both steel grades and cross-section shapes shows larger than design criteria of CIDECT design guide. The application of a proposed strength reduction factor 0.7 on bending moments term in the chord stress level equation is recommended. With the new strength reduction factor, the modified chord stress level equation is found to be appropriate for the tubular X-joints regardless of the cross-sectional shapes and steel grades.