이중강관 부재의 휨거동에 관한 실험적 연구 :An Experimental Study on the Flexural Behavior of Double Steel Pipe Members

양엽

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자료유형: 학위논문

저자정보: 양엽 (한국교통대학교, 한국교통대학교 일반대학원)

지도교수: 이승용

발행연도: 2021

저작권: 한국교통대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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초록· 키워드

토목구조물에서 강관구조는 미관을 고려한 다양한 형식의 강관구조 교량 구조물이 개발되어 시공되고 있다. 폐쇄형 단면을 갖는 강관구조는 강판을 원형단면으로 구부림 가공한 후 용접에 의해 강관을 제작하는 경우가 일반적이고, 보강을 위해 산소 등으로 강관을 다시 절단하여 보강을 실시하므로 제작에 있어서 복잡한 제작공정이 요구된다.
본 연구는 기존 단일강관 구조시스템에 비해 휨응력 등에 대한 저항성이 뛰어나며, 단면감소로 인한 미관이 뛰어나고, 제작공정이 간편한 이중강관 구조시스템을 개발하기 위한 목적으로 수행하였다. 단면계산을 통해 이중강관 실험체의 단면형상을 결정하고, 구조성능을 평가하기 위하여 정적 휨실험을 실시하였다.
실험결과로부터 수직보강재가 없는 실험체는 강관좌굴로 인해 초기 50kN 지점부터 하중-변위 관계가 비선형적인 거동을 보였으나, 수직보강재가 있는 실험체에서는 용접부에 부분적인 파단이 발생되어도 하중-변위 곡선에서 직선 거동을 보이고, 구조물 전체에 휨강성에는 크게 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
정적 휨실험을 통해 얻어진 하중-변형률 관계로부터 모든 실험체의 상부 압축부는 초기 탄성구간과 최대하중에서 모두 구조적으로 문제가 없는 것을 알 수 있다. 수직보강재가 설치되지 않은 단일강관 실험체는 좌굴로 인해 측면 수직부로 변형에너지가 집중되면서 좌굴로 인해 다른 실험체에 비해 실험체 측면의 변형률 분포가 최대 18.6배까지 높게 나타났으며, 이로부터 좌굴 안전성을 확보하기 위해서 단일강관에 적절한 보강대책이 필요하다고 판단된다.
한편 실험체 하부 인장변형률 분포는 단면2차모멘트가 가장 작은 실험체가 외부강관의 두께 부족으로 충분한 용접효과를 발휘하지 못하는 것으로 나타났으며, 인장응력이 집중되는 하부 용접부에 있어서는 응력을 분산시킬 수 있는 적절한 보강상세와 충분한 외부강관의 두께 확보 및 용접에 특별한 주의가 필요할 것으로 판단된다.
휨하중을 받는 강관부재는 휨압축하중을 받는 부위에서 좌굴에 대해 안정적인 단면상세가 필요하며, 응력이 집중되는 용접부에서는 응력을 분산시킬 수 있는 적절한 보강상세와 충분한 용접두께의 확보가 필요할 것으로 판단된다.

Recently, various types of steel pipe structure bridge structures have been developed and constructed considering aesthetics in civil engineering structures. A steel pipe structure having a closed cross-section is generally manufactured by bending a steel plate into a circle and welding it. For reinforcement, a complicated manufacturing process is required in manufacturing because the steel pipe is cut again and reinforced with oxygen or the others.
This study was conducted for the purpose of developing a double steel pipe structure system that has superior resistance to bending stress compared to single steel pipe structures, has excellent aesthetics due to reduced cross section, and is easy to manufacture. The cross-sectional shape of the double steel pipe specimen was determined through the cross-sectional calculation, and a flexural test was conducted to examine the structural performance.
As a result of the experiment, the specimen without vertical stiffener non-linear behavior in the load-displacement relationship from the initial 50kN point due to buckling of the steel pipe. However, the test specimen with vertical stiffener showed a linear behavior in the load-displacement relationship even when partial fracture occurred in the weld, and it was found that it did not significantly affect the flexural stiffness of the entire structure.
From the load-strain relationship from the flexural test, it can be seen that the upper compression part of all specimens has no structural problems in both the initial elastic part and the maximum load part. In the single steel pipe specimen without vertical stiffener, the strain energy was concentrated to the vertical part of the side due to local buckling, and the strain distribution on the side of the specimen was up to 18.6 times higher than that of other specimens due to local buckling. For this purpose, it is judged that appropriate reinforcement is necessary for a single steel pipe.
The distribution of tensile strain in the lower part of the specimen showed that the specimen with the smallest second moment area did not exhibit sufficient welding effect due to insufficient thickness of the external steel pipe. In the lower weld area where tensile stress is concentrated, it is judged that appropriate reinforcing details to distribute stress should be selected, sufficient external steel pipe thickness should be secured, and special attention should be necessary to welding.
Steel pipe members subjected to flexural loads require stable cross-sectional details against local buckling in areas subjected to flexural compressive loads, and it is judged that it is necessary to secure adequate reinforcement details and sufficient weld thickness to distribute stress in welded areas where stress is concentrated.

#double steel pipe #flexural behavior #vertical stiffener #local buckling #welding crack

Ⅰ. 서 론 1
1.1 연구배경 및 필요성 1
1.2 연구목적 3
1.3 연구동향 4
1.4 연구내용 6
Ⅱ. 이중강관 시스템 7
2.1 이중강관 구조시스템 개념 7
2.2 이중강관 실험체 단면결정 11
Ⅲ. 실험 방법 19
3.1 강재 19
3.2 실험체 형상 및 제원 20
3.3 정적 휨실험 방법 23
Ⅳ. 결과분석 및 고찰 30
4.1 하중-변위 관계 30
4.2 하중-변형률 관계 32
4.3 변위 분포 특성 비교 38
4.4 변형률 분포 특성 비교 41
Ⅴ. 결 론 56
참고문헌 58
Abstract 61

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