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지원 센터검증 예제공칭 응력법에 의한 피로 수명
공칭 응력법에 의한 피로 수명
SteelConnection designVerificationsConnectionEN (Eurocode)

공칭 응력법에 의한 피로 수명

이 문서는 다음 언어로도 제공됩니다
ENCZDEESFRITPTNLHUROKRPLTHTRVIZH
AI가 영어에서 번역했습니다

이 문서에서는 IDEA StatiCa Connection의 피로 해석 유형에 대한 검증 예제를 제시합니다. 공칭 응력법이 활용되었습니다. CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 결과는 해석적 방법 및 솔리드 요소를 사용한 유한요소법과 비교됩니다.

1. 일반

1.1. 공칭 응력법

설계 수명은 EN 1993-1-9: 2005에 따라 공칭 응력법으로 다음과 같이 예측됩니다:

ΔσE,2=σmax−σmin\Delta \sigma_{E,2}=\sigma_{max}-\sigma_{min}ΔσE,2​=σmax​−σmin​

ΔσR=γF1σE,2\Delta \sigma_R=\gamma_{F1} \sigma_{E,2}ΔσR​=γF1​σE,2​

NR=Ncσcm/ΔσRmN_R=N_c\sigma_c^m / \Delta \sigma_R^mNR​=Nc​σcm​/ΔσRm​

여기서:

  • σmax, σmin\sigma_{max},\,\sigma_{min}σmax​,σmin​ – 응력의 극값
  • ΔσE,2\Delta \sigma_{E,2}ΔσE,2​ – 공칭 응력 범위의 특성값
  • γF1\gamma_{F1}γF1​ – 부분 안전계수, 본 계산에서 γF1=1.15\gamma_{F1}=1.15γF1​=1.15
  • ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​ – 공칭 응력 범위의 설계값
  • NcN_cNc​ – 기준 내구 횟수, 모든 계산에서 Nc=2⋅106N_c=2\cdot 10^6Nc​=2⋅106
  • σc\sigma_cσc​ – EN 1993-1-9:2005의 표 8.1–8.10에서 취한 피로 강도의 기준값
  • mmm – 피로 강도 곡선의 기울기, 모든 계산에서 m=3m=3m=3

1.2. 해석 모델에 의한 응력

하중 조합으로부터 계산된 응력은 다음과 같이 구합니다:

σi=Fi/A\sigma_i=F_i/Aσi​=Fi​/A

여기서:

  • FiF_iFi​ – 축력의 극값
  • AAA – 플레이트의 단면적

1.3. 수치 모델

유한요소법 모델은 솔리드 요소 No. 181을 사용하여 Ansys 19.1에서 작성되었습니다. 메시 크기는 0.4t×0.4t0.4t \times 0.4t0.4t×0.4t입니다. CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 모델은 IDEA StatiCa 버전 22.1에서 4절점 쉘 요소로 작성되었습니다. 기본 메시 설정이 사용되며, 최소 메시 크기는 10 mm, 최대는 50 mm입니다.

2. 횡방향 필릿 용접이 있는 십자형 접합부

2.1. 설명

세 플레이트의 용접 십자형 접합부는 목두께 6 mm의 필릿 용접으로 제작됩니다. 플레이트 치수는 50x16 mm이며, 강종 S450으로 제작됩니다. 그림 1 참조. 접합부는 인장력을 받습니다.

그림 1: 용접 십자형 접합부

이 접합부는 EN 1993-1-9:2005의 표 8.5에 따른 시공 상세 1에 해당합니다. l=플레이트 두께+2×용접 두께=28  mml=\textrm{플레이트 두께}+2\times \textrm{용접 두께}= 28\, \textrm{mm}l=플레이트 두께+2×용접 두께=28 mm, 즉 l<50 mml<50\,\textrm{mm}l<50mm에 대한 상세 범주는 80입니다.

2.2. 해석 모델

이 접합부에서 플레이트의 단면적은 A=50⋅16=800 mm2A=50\cdot 16=800\, \textrm{mm}^2A=50⋅16=800mm2입니다. 해석 모델의 결과는 표 1에 나타나 있습니다.

표 1: 해석 해법 AM의 결과

FmaxF_{max}Fmax​FminF_{min}Fmin​σmax\sigma_{max}σmax​σmin\sigma_{min}σmin​ΔσE,2\Delta \sigma_{E,2}ΔσE,2​ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​NRN_RNR​
[kN][kN][MPa][MPa][MPa][MPa][-]
85.38.53106.710.796110.47.61E+05
105.810.58132.213.2119136.94E+05
127.112.71158.915.9143164.52.3E+05
148.414.84185.618.6167192.11.45E+05
169.817212.221.2191219.79.66E+04

2.3. 수치 모델

피로 단면은 국부 용접 형상의 응력 집중 영향을 피하기 위해 용접 토우로부터 일정 거리에서 용접 단면을 사용하여 생성됩니다 (4t=64 mm≥폭=50 mm4t=64 \, \textrm{mm} \ge \textrm{폭} = 50\, \textrm{mm}4t=64mm≥폭=50mm). 유한요소법 및 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)을 사용한 수치 해법의 결과는 표 2 및 3에 나타나 있습니다.

표 2. 수치 해법 결과 – 유한요소법

FmaxF_{max}Fmax​FminF_{min}Fmin​σmax\sigma_{max}σmax​σmin\sigma_{min}σmin​ΔσE,2\Delta \sigma_{E,2}ΔσE,2​ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​NRN_RNR​
[kN][kN][MPa][MPa][MPa][MPa][-]
85.38.53106.810.796.1110.67.58E+05
105.810.58132.613.3119.3137.23.96E+05
127.112.71159.315.9143.4164.92.28E+05
148.414.84185.518.6166.91921.45E+05
169.817212.121.2190.9219.69.67E+04

표 3. 수치 해법 결과 – CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)

FmaxF_{max}Fmax​FminF_{min}Fmin​σmax\sigma_{max}σmax​σmin\sigma_{min}σmin​ΔσE,2\Delta \sigma_{E,2}ΔσE,2​ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​NRN_RNR​
[kN][kN][MPa][MPa][MPa][MPa][-]
85.38.53108.710.997.8112.57.2E+05
105.810.58134.713.5121.2139.43.78E+05
127.112.71161.916.2145.7167.62.18E+05
148.414.84189.118.9170.2195.71.37E+05
169.81721621.6194.4223.69.16E+04

2.4. 검증

CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 수치 계산은 응력 범위 및 피로 내구성에 따라 해석 모델 및 수치 유한요소법 모델로 검증됩니다. 그림 2 참조. 응력 범위 차이의 평균값은 약 2%입니다.

그림 2: 설계 수명 NR 값의 비교

2.5. 벤치마크 예제

입력값

플레이트:

  • 강종 S450
  • 플레이트 50 × 16 mm

용접:

  • 목두께 = 6 mm

하중 효과:

  • Fmin=8.53 kNF_{min}= 8.53\textrm{ kN}Fmin​=8.53 kN
  • Fmax=85.33 kNF_{max}= 85.33\textrm{ kN}Fmax​=85.33 kN

출력값

  • 최소 수직 응력: σmin=10.9 MPa\sigma_{min}= 10.9\textrm{ MPa}σmin​=10.9 MPa
  • 최대 수직 응력: σmax=108.7 MPa\sigma_{max}= 108.7\textrm{ MPa}σmax​=108.7 MPa
  • 공칭 응력 범위의 특성값: ΔσE,2=97.8 MPa\Delta \sigma_{E,2}= 97.8\textrm{ MPa}ΔσE,2​=97.8 MPa
  • 공칭 응력 범위의 설계값: ΔσR=112.5 MPa\Delta \sigma_{R}= 112.5\textrm{ MPa}ΔσR​=112.5 MPa
  • 피로 강도의 기준값: σc=80 MPa\sigma_c= 80\textrm{ MPa}σc​=80 MPa
  • 피로 강도 곡선의 기울기: m=3m=3m=3
  • 설계 수명 NR=7.2⋅105N_R=7.2\cdot 10^5NR​=7.2⋅105

그림 3: 공칭 응력 범위의 특성값

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3. 두 개의 횡방향 플레이트가 있는 플레이트의 십자형 접합부

3.1. 설명

두 개의 횡방향 플레이트가 있는 용접 십자형 접합부는 목두께 4 mm의 필릿 용접으로 제작됩니다. 그림 4 참조. 플레이트 치수는 90x10 mm이며, 강종 S235로 제작됩니다. 접합부는 인장력을 받습니다.

그림 4: 두 개의 횡방향 플레이트가 있는 용접 십자형 접합부

EN 1993-1-9: 2005에 따르면, 이 접합부는 표 8.4의 시공 상세 6에 해당합니다. l=플레이트 두께+2×용접 두께=18  mml=\textrm{플레이트 두께}+2\times \textrm{용접 두께}= 18\, \textrm{mm}l=플레이트 두께+2×용접 두께=18 mm, 즉 l<50 mml<50\,\textrm{mm}l<50mm이므로 상세 범주는 80입니다.

3.2. 해석 및 수치 모델

이 해석 계산에서 플레이트의 단면적은 A = 900 mm2입니다. 피로 단면은 국부 용접 형상의 응력 집중 영향을 피하기 위해 용접 토우로부터 일정 거리에서 용접 단면을 사용하여 생성됩니다 (9t=90 mm≥폭=90 mm)(9t = 90\textrm{ mm} \ge \textrm{폭}=90\textrm{ mm})(9t=90 mm≥폭=90 mm). 해석 모델 AM, 솔리드 모델 유한요소법, 쉘 모델 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)의 결과는 표 4에 나타나 있습니다.

표 4: 해법 결과



AM
FEM
CBFEM
FmaxF_{max}Fmax​FminF_{min}Fmin​ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​NRN_RNR​ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​NRN_RNR​ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​NRN_RNR​
[kN][kN][MPa][-][MPa][-][MPa][-]
9991156.73E+05115.56.64E+05115.96.57E+05
108.99127.74.92E+051284.88E+05128.74.81E+05
118.89140.33.71E+05140.73.68E+05141.53.62E+05
128.791532.86E+05153.42.84E+05154.22.79E+05
1449172.51.99E+051731.98E+05173.91.95E+05

3.3. 검증

CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 수치 계산은 응력 범위 및 피로 내구성에 따라 해석 모델 및 수치 유한요소법 모델로 검증됩니다. 표 4 및 그림 5 참조. 최대 및 평균 응력 차이는 1% 미만입니다.

그림 5: 설계 수명 NR 값의 비교

3.4. 벤치마크 예제

입력값

플레이트:

  • 강종 S235
  • 플레이트 90 × 10 mm

용접:

  • 목두께 = 4 mm

하중 효과:

  • Fmin=9 kNF_{min}= 9\textrm{ kN}Fmin​=9 kN
  • Fmax=99 kNF_{max}= 99\textrm{ kN}Fmax​=99 kN

출력값

  • 최소 수직 응력: σmin=10.1 MPa\sigma_{min}= 10.1\textrm{ MPa}σmin​=10.1 MPa
  • 최대 수직 응력: σmax=110.9 MPa\sigma_{max}= 110.9\textrm{ MPa}σmax​=110.9 MPa
  • 공칭 응력 범위의 특성값: ΔσE,2=100.8 MPa\Delta \sigma_{E,2}= 100.8\textrm{ MPa}ΔσE,2​=100.8 MPa
  • 공칭 응력 범위의 설계값: ΔσR=115.9 MPa\Delta \sigma_{R}= 115.9\textrm{ MPa}ΔσR​=115.9 MPa
  • 피로 강도의 기준값: σc=80 MPa\sigma_c= 80\textrm{ MPa}σc​=80 MPa
  • 피로 강도 곡선의 기울기: m=3m=3m=3
  • 설계 수명 NR=6.57⋅105N_R=6.57\cdot 10^5NR​=6.57⋅105
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4. 종방향 플레이트가 있는 용접 T 접합부

4.1. 설명

치수 100 x 8 mm의 종방향 플레이트가 목두께 4 mm의 필릿 용접으로 치수 40 x 8 mm의 플레이트에 용접됩니다. 그림 6 참조. 두 플레이트 모두 강종 S355입니다. 접합부는 인장력을 받습니다.

그림 6: 종방향 플레이트가 있는 용접 T 접합부 플레이트

EN 1993-1-9:2005에 따르면, 이 접합부는 표 8.4의 시공 상세 1에 해당합니다. L=100  mmL=100 \textrm{ mm}L=100  mm, 즉 80<L<100 mm80<L<100\textrm{ mm}80<L<100 mm이므로 상세 범주는 63입니다.

4.2. 해석 및 수치 모델

이 해석 계산에서 플레이트의 단면적은 A = 320 mm2입니다. 피로 단면은 국부 용접 형상의 응력 집중 영향을 피하기 위해 용접 토우로부터 40 mm 거리의 작업 평면을 사용하여 생성됩니다. 해석 모델 AM, 솔리드 모델 유한요소법, 쉘 모델 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)의 결과는 표 5에 나타나 있습니다.

표 5: 해법 결과



AM
FEM
CBFEM
FmaxF_{max}Fmax​FminF_{min}Fmin​ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​NRN_RNR​ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​NRN_RNR​ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​NRN_RNR​
[kN][kN][MPa][-][MPa][-][MPa][-]
343.4110.03.76E+05129.42.31E+05110.23.74E+05
37.53.8121.32.8E+05142.61.72E+05121.22.81E+05
41.74.2134.72.05E+05158.61.25E+05135.02.03E+05
44.54.5143.81.68E+05169.11.03E+05143.91.68E+05
49.85.0161.01.2E+05189.47.36E+04161.21.19E+05

4.3. 검증

CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 수치 계산은 응력 범위 및 피로 설계 수명에 따라 해석 모델 및 수치 유한요소법 모델로 검증됩니다. 표 5 및 그림 7 참조. 해석 모델과의 최대 및 평균 응력 차이는 약 1%입니다. 유한요소법과 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 간의 차이는 솔리드 모델과 쉘 모델의 차이 및 편심 고려 방법의 차이로 인해 더 큽니다.

그림 7: 설계 수명 NR 값의 비교

4.4. 벤치마크 예제

입력값

플레이트:

  • 강종 S355
  • 플레이트 40 × 8 mm
  • 플레이트 100 × 8 mm

용접:

  • 용접 목두께 = 4 mm

하중 효과:

  • Fmin=3.4 kNF_{min}= 3.4\textrm{ kN}Fmin​=3.4 kN
  • Fmax=34 kNF_{max}= 34\textrm{ kN}Fmax​=34 kN

출력값

  • 최소 수직 응력: σmin=10.6 MPa\sigma_{min}= 10.6\textrm{ MPa}σmin​=10.6 MPa
  • 최대 수직 응력: σmax=106.4 MPa\sigma_{max}= 106.4\textrm{ MPa}σmax​=106.4 MPa
  • 공칭 응력 범위의 특성값: ΔσE,2=95.8 MPa\Delta \sigma_{E,2}= 95.8\textrm{ MPa}ΔσE,2​=95.8 MPa
  • 공칭 응력 범위의 설계값: ΔσR=110.2 MPa\Delta \sigma_{R}= 110.2\textrm{ MPa}ΔσR​=110.2 MPa
  • 피로 강도의 기준값: σc=63 MPa\sigma_c= 63\textrm{ MPa}σc​=63 MPa
  • 피로 강도 곡선의 기울기: m=3m=3m=3
  • 설계 수명 NR=3.74⋅105N_R=3.74\cdot 10^5NR​=3.74⋅105
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5. 횡방향 플레이트가 있는 용접 T 접합부

5.1. 설명

치수 50 x 12 mm의 플레이트와 치수 50x10 mm의 횡방향 플레이트로 구성된 용접 T 접합부는 목두께 5 mm의 필릿 용접으로 강종 S355로 제작됩니다. 그림 8 참조. 접합부는 인장력을 받습니다.

그림 8. 횡방향 플레이트가 있는 용접 T 접합부

EN 1993-1-9: 2005에 따르면, 이 접합부는 표 8.4의 시공 상세 6에 해당합니다. l=플레이트 두께+2×용접 두께=20  mml=\textrm{플레이트 두께}+2\times \textrm{용접 두께}= 20\, \textrm{mm}l=플레이트 두께+2×용접 두께=20 mm, 즉 l<50 mml<50\,\textrm{mm}l<50mm이므로 상세 범주는 80입니다.

5.2. 해석 및 수치 모델

이 해석 계산에서 플레이트의 단면적은 A = 600 mm2입니다. 피로 단면은 국부 용접 형상의 응력 집중 영향을 피하기 위해 용접 토우로부터 5t 거리에서 용접 단면을 사용하여 생성됩니다 (5t=60 mm>t=50 mm5t=60\textrm{ mm} > t=50\textrm{ mm}5t=60 mm>t=50 mm). 해석 모델 AM, 솔리드 모델 유한요소법, 쉘 모델 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)의 결과는 표 6에 나타나 있습니다.

표 6: 해법 결과



AM
FEM
CBFEM
FmaxF_{max}Fmax​FminF_{min}Fmin​ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​NRN_RNR​ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​NRN_RNR​ΔσR\Delta \sigma_RΔσR​NRN_RNR​
[kN][kN][MPa][-][MPa][-][MPa][-]
94.19.4162.32.39E+05155.02.75E+05162.82.37E+05
117.811.8203.21.22E+05194.01.4E+05203.81.21E+05
140.714.1242.87.16E+04231.88.23E+04243.37.11E+04
152.015.2262.25.68E+04250.36.53E+04263.05.63E+04
160.016.0276.04.87E+04263.55.6E+04276.94.82E+04

5.3. 검증

CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 수치 계산은 응력 범위 및 피로 수명에 따라 해석 모델 및 수치 유한요소법 모델로 검증됩니다. 그림 9 및 표 6 참조. 해석 모델과의 최대 및 평균 응력 차이는 약 1%입니다. 이 경우 편심의 영향은 크지 않으며, 유한요소법과 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 간의 차이는 약 5%입니다.

그림 9: 설계 수명 NR 값의 비교

5.4. 벤치마크 예제

입력값

플레이트:

  • 강종 S355
  • 플레이트 50 × 12 mm
  • 횡방향 플레이트 50 × 10 mm

용접:

  • 목두께 = 5 mm

하중 효과:

  • Fmin=9.4 kNF_{min}= 9.4\textrm{ kN}Fmin​=9.4 kN
  • Fmax=94.1 kNF_{max}= 94.1\textrm{ kN}Fmax​=94.1 kN

출력값

  • 최소 수직 응력: σmin=15.7 MPa\sigma_{min}= 15.7\textrm{ MPa}σmin​=15.7 MPa
  • 최대 수직 응력: σmax=157.3 MPa\sigma_{max}= 157.3\textrm{ MPa}σmax​=157.3 MPa
  • 공칭 응력 범위의 특성값: ΔσE,2=141.6 MPa\Delta \sigma_{E,2}= 141.6\textrm{ MPa}ΔσE,2​=141.6 MPa
  • 공칭 응력 범위의 설계값: ΔσR=162.8 MPa\Delta \sigma_{R}= 162.8\textrm{ MPa}ΔσR​=162.8 MPa
  • 피로 강도의 기준값: σc=80 MPa\sigma_c= 80\textrm{ MPa}σc​=80 MPa
  • 피로 강도 곡선의 기울기: m=3m=3m=3
  • 설계 수명 NR=2.37⋅105N_R=2.37\cdot 10^5NR​=2.37⋅105
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검증 예제는 프라하 체코 기술대학교의 Kirill Golubiatnikov가 작성하였습니다.

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피로 해석 – I형 단면의 맞대기 용접

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