파형웨브 강관플랜지 형강보의 구조성능 연구 :Structural performance of steel girders built-up with waved web and tubular flanges

홍정현

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자료유형: 학위논문

저자정보: 홍정현 (호서대학교, 호서대학교 대학원)

지도교수: 김원기

발행연도: 2015

저작권: 호서대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

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H형강은 강구조 건축물에서 압축재와 휨재로 활용되고 있는 가운데, 휨재로 사용되는 H형강의 플랜지는 단면의 강축에 대한 휨모멘트를 대부분 저항하며, 웨브는 전단력의 대부분을 저항하는 역할을 하고 있다.
KS규격에서 규정한 열간압연H형강이 강구조 건축물의 휨재로 사용되는 경우, 휨모멘트의 강도비(소요강도/설계강도)는 1.0에 가깝도록 최적설계가 가능하다. 그러나 전단력의 강도비는 휨모멘트의 강도비에 비해 매우 적으며, 1.0에 가깝도록 설계되지 않아 비경제적이다. 따라서 경제적으로 설계하기위해 웨브의 두께를 줄여(강재량 감소) 용접H형강으로서 플레이트거더를 설계하기도 한다. 웨브의 두께가 얇아져 단면적이 감소했기 때문에 전단력에 대한 웨브의 국부좌굴을 고려하여 설계하여야 한다.
약 1970년경부터 파형웨브 H형강보의 연구를 시작하였다. 파형웨브 H형강보는 얇은 두께의 웨브를 가졌으며, 전단력에 대한 웨브의 국부좌굴을 방지하는 단면으로서 그림 Ⅰ.1 김원기, 오성영 “제형웨브 강관플랜지 형강보의 실험전 연구”, 연구보고서, 호서대학교과 같다. 또한 약 1990년경부터 파형웨브 H형강보보다 국부좌굴강도가 우수한 제형웨브 H형강보를 연구하기 시작하였다. 제형웨브 H형강보는 그림 Ⅰ.2와 같으며 단면이 사다리꼴모양으로 파형웨브 H형강보보다 국부좌굴강도가 우수하다. 파형웨브와 제형웨브 H형강의 웨브의 두께는 매우 얇으며 전단력에 대한 저항이 우수함이 입증되어 교량 또는 장스팬 구조물에서 사용되었다.
호주 ILB에서 제형웨브 H형강보와 유사하지만 그림 Ⅰ.3 김원기, 오성영 “제형웨브 강관플랜지 형강보의 실험전 연구”, 연구보고서, 호서대학교
과 같이 플랜지가 강판이 아닌 각형강관으로 제작한 “제형웨브 강관플랜지 형강보”를 개발 하였다. 이러한 형강보의 구조성능에 대한 연구 논문이 없었으나, (주)해성기공에서 실험적 연구를 수행하여 “제형웨브 강관플랜지 형강보”에 대한 설계법을 개발하였다.
제형웨브와 파형웨브의 활용도가 증가하고 있는 가운데, 파형웨브 강관플랜지 형강보의 구조성능에 관한 연구는 미비한 실정이며 파형웨브에 대한 별도의 기준과 평가 및 설계식이 마련되어 있지 않아 설계과정에서 신뢰성 확보에 어려움이 있다. 특히, 전단강도에 대한 평가 및 설계식이 없었다. 또한 파형웨브를 사용한 그림 Ⅰ.4와 같은 강관플랜지 형강보는 제형웨브보다 제작과 품질관리가 우수하여, 형상의 구조성능을 연구하고 개발할 필요가 있다.
본 연구에서는 파형웨브 강관플랜지 형강보에 대한 실제 설계 적용가능성을 판단하기 위한 연구로서 웨브의 파고에 따라 전단과 휨 실험을 실시하고, 실험 결과 및 전산 해석을 통한 구조성능을 확인한다. 기존 연구에서 제시된 설계식과 실험 및 전산해석 결과를 비교·분석하여 파형웨브 강관플랜지 형강보의 구조설계에 필요한 기초자료를 제공하며 평가 및 설계방법을 제안한다.

목 차
표 목 차 Ⅴ
그림목차 Ⅶ
Ⅰ. 개요 1
1. 연구 배경 및 목적 1
2. 기존 연구 고찰 3
가. 웨브 국부좌굴을 고려한 전단강도 4
나. 웨브 전체좌굴을 고려한 전단강도 5
다. 휨강도 7
라. 횡좌굴 8
3. 제형웨브 강관플랜지 형강보의 설계법 8
가. 탄성거동 8
나. 공칭전단강도 9
다. 공칭휨강도 11
Ⅱ. 실험체 설계 13
1. 실험체 설계 제원 13
가. 플랜지 이음부 14
나. 웨브 이음부 15
다. 지점부 17
라. 전단실험체 가력부 18
마. 휨실험체 가력부 19
바. 횡지지부 20
2. 실험체 종류 20
가. 전단실험체 21
나. 휨실험체 24
3. 실험체 이론적 구조성능 24
가. 전단실험체 이론적 강성 24
나. 전단실험체 이론적 강도 26
다. 휨실험체 이론적 강성 33
라. 휨실험체 이론적 강도 35
Ⅲ. 전산해석 43
1. 전단실험체 43
가. 전산해석 입력모델 43
나. 전산해석 결과와 분석 44
2. 휨실험체 49
가. 전산해석 입력모델 49
나. 전산해석 결과와 분석 50
Ⅳ. 실험 결과 54
1. 전단실험체 54
가. 실험준비 54
나. 처짐과 파괴 56
다. 휨응력 관련 변형률 60
라. 전단응력 관련 변형률 61
2. 휨실험체 62
가. 실험준비 62
나. 처짐과 파괴 64
다. 휨응력 관련 변형률 65
라. 전단응력 관련 변형률 65
Ⅴ. 실험체의 종합적 비교 분석 67
1. 전단실험체 67
가. 탄성 처짐 67
나. 탄성 전단응력 68
다. 탄성 휨응력 69
라. 최대 하중 70
2. 휨실험체 71
가. 탄성 처짐 71
나. 탄성 전단응력 72
다. 탄성 휨응력 73
라. 최대 하중 73
Ⅵ. 결론 75
참고문헌 76
영문초록 77

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