파괴 모드 방법

CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)으로 예측된 원형 중공 단면 T형 접합부의 단면 내 용접 플레이트 연결은 본 챕터에서 파괴 모드 방법(FMM)과 비교 검증됩니다. CBFEM에서 설계 저항은 변형률 5 % 도달 또는 접합부 변형 3 % d₀에 해당하는 힘에 의해 제한되며, 여기서 d₀는 현재(chord) 직경입니다. FMM은 최대 하중 한계 또는 3 % d₀ 변형 한계를 기반으로 합니다(Lu et al., 1994 참조). EN 1993‑1‑8:2006에 따라 설계된 용접부는 접합부에서 가장 취약한 구성요소가 아닙니다.

현재(chord) 소성화

CHS 현재(chord) 면의 설계 저항은 prEN 1993-1-8:2020의 9장 및 ISO/FDIS 14346에 제시된 FMM 모델 방법을 사용하여 결정됩니다(Fig. 7.3.1 참조). 축방향 하중을 받는 CHS 접합부에 용접된 플레이트의 설계 저항은 다음과 같습니다:

T형 접합부

횡방향

$$N_{1,Rd} = 2.5 \cdot C_f f_{y0} t_0^2 (1+3 \beta^2) \gamma^{0.35} Q_f / \gamma_{M5}$$

종방향

$$N_{1,Rd} = 7.1 \cdot C_f f_{y0} t_0^2 (1+0.4 \eta) Q_f / \gamma_{M5}$$

X형 접합부

횡방향

$$N_{1,Rd} = 2.1 \cdotC_f f_{y0} t_0^2 (1+3 \beta^2) \gamma^{0.25} Q_f / \gamma_{M5}$$

종방향

$$N_{1,Rd} = 3.5 \cdotC_f f_{y0} t_0^2 (1+0.4 \eta^2) \gamma^{0.1} Q_f / \gamma_{M5}$$

여기서:

• f_y,i – 부재 i의 항복 강도 (i = 0,1,2 또는 3)
• t_i – CHS 부재 i의 벽 두께 (i = 0,1,2 또는 3)
• $\beta$ – 브레이스 부재의 평균 직경 또는 폭과 현재(chord)의 비율
• $\eta$ – 브레이스 부재 깊이와 현재(chord) 직경 또는 폭의 비율
• $\gamma$ – 현재(chord) 폭 또는 직경과 벽 두께의 2배의 비율
• Q_f – 현재(chord) 응력 계수
• C_f – 재료 계수
• $\gamma_{M5}$ – 중공 단면 래티스 거더 접합부 저항에 대한 부분 계수
• N_i,Rd – 부재 i의 내부 축력으로 표현된 접합부의 설계 저항 (i = 0,1,2 또는 3)

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.1 Examined failure mode - chord plastification}}}$$

적용 범위

CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)은 용접 원형 중공 단면의 일반적인 접합부에 대해 검증되었습니다. 이러한 접합부의 적용 범위는 prEN 1993-1-8:2020의 표 7.8에 정의되어 있습니다(Tab 7.3.1 참조). 동일한 적용 범위가 CBFEM 모델에도 적용됩니다. FMM의 적용 범위를 벗어나는 경우, 검증된 연구 모델에 따른 검증을 위해 실험을 준비하거나 검증을 수행해야 합니다.

Tab. 7.3.1 파괴 모드 방법의 적용 범위

검증

본 챕터에서는 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)을 prEN 1993-1-8:2020에 기술된 플레이트와 CHS T형 접합부의 FMM 모델과 비교 검증합니다. 모델은 변형 한계에 기반한 저항을 사용하여 Tab 7.3.2–7.3.3의 기계적 시험 데이터와 비교됩니다. 수치 시험의 재료 및 기하학적 특성은 (Voth A.P. and Packer A.J., 2010)에 기술되어 있습니다. 적용 범위를 벗어나는 실험은 표에서 별표 *로 표시되며, 그래프에서는 경계 조건의 품질을 나타내기 위해 표시됩니다.

Tab. 7.3.2 횡방향 T형 접합부에 대한 실험 및 FMM 모델의 연결 기하학적 특성, 재료 특성 및 저항

Tab. 7.3.3 종방향 T형 접합부에 대한 실험 및 FMM 모델의 연결 기하학적 특성, 재료 특성 및 저항

$$\textsf{\textit{\footnotesize{ Fig. 7.3.2 Validation of FMM to mechanical experiments for transverse T-type plate-to-CHS connections (left) and to longitudinal T-type plate-to-CHS connections (right)}}}$$

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.3 Validation of FMM to mechanical experiments for transverse T-type plate-to-CHS connections (left) and longitudinal T-type plate-to-CHS connections (right)}}}$$

Fig. 7.3.2 및 7.3.3에 나타난 검증 결과는 실험과의 차이가 일반적으로 안전 측으로 최소 15 % 이상임을 보여줍니다. 적용 범위를 벗어나는 실험도 포함되어 표시되었습니다. 결과는 선택된 경계 조건의 우수한 품질을 나타냅니다.

단면 내 플레이트 T형 접합부

연구에서 고려된 예제의 개요는 Tab. 7.3.4에 제시되어 있습니다. 선택된 사례는 접합부 기하학적 비율의 넓은 범위를 포함합니다. 치수가 표시된 접합부의 기하학적 형상은 Fig. 7.3.4에 나타나 있습니다. 본 연구에서 다루는 모든 경우에서 플레이트 두께는 15 mm입니다.

Tab. 7.3.4 예제 개요

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.4 Dimensions of plate to CHS T joint, transverse (left) and longitudinal (right)}}}$$

검증

FMM의 저항 및 설계 파괴 모드 결과는 Tab. 7.3.5 및 Fig. 7.3.5에서 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 결과와 비교됩니다.

Tab. 7.3.5 FMM에 대한 CBFEM의 저항 예측 검증 a) 횡방향 배치  b) 종방향 배치

본 연구는 적용된 하중 케이스에 대해 양호한 일치를 보여줍니다. 결과는 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)과 FMM의 설계 저항을 비교하는 다이어그램으로 요약됩니다(Fig. 7.3.5 참조). 결과는 두 계산 방법 간의 차이가 모든 경우에서 7 % 미만임을 보여줍니다.

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.5 Verification of CBFEM to FMM for the uniplanar Plate to CHS T-joint}}}$$

벤치마크 예제

입력값

현재(chord)

• 강재 S355
• 단면 CHS219.1/5,0

브레이스

• 강재 S355
• 플레이트 95/15 mm
• 브레이스 부재와 현재(chord) 사이의 각도 90° (횡방향)

용접

• 브레이스 주위 맞대기 용접

하중 조건

• 압축 방향으로 브레이스에 힘 적용

메시 크기

• 원형 중공 부재 표면을 따라 64개 요소

출력값

• 압축에 대한 설계 저항은 N_Rd = 45,2 kN
• 설계 파괴 모드는 펀칭 전단력

$$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 7.3.6 Boundary conditions for the uniplanar Plate to CHS T-joint}}}$$