용접 전문가 Duane Miller는 STRUCTURE Magazine의 2024년 2월 및 3월호에 훌륭한 기사를 썼습니다. 기사에서는 용접 시 불균일한 하중이 가해질 수 있는 10가지 조건을 설명했습니다. 이러한 조건은 피하지 않거나 설계 시 특별한 주의를 기울이지 않으면 문제가 될 수 있습니다. 적용된 하중이 용접에서 균일한 응력을 유발한다는 일반적인 가정은 이러한 조건에는 적용되지 않습니다. 그러나 그러한 가정을 전혀 하지 않는 설계 방식을 사용하고 있다면 어떻게 될까요? 예를 들어 IDEA StatiCa Connection에서 구현된 것과 같은 구성 요소 기반 유한 요소법(CBFEM)을 사용하는 비탄성 해석을 통한 연결 설계에서는 용접 또는 기타 구성 요소의 응력 분포에 대해 광범위한 가정을 하지 않습니다. 응력은 연결의 다양한 구성요소의 강성을 기반으로 해석에서 자연스럽게 발생합니다. 이 기사에서는 비탄성 해석을 통해 설계할 때 어떤 특별한 주의가 필요한지 확인하기 위해 Miller의 10가지 조건을 각각 살펴봅니다.
불균일한 하중의 용접과 관련하여 가장 자주 발생하는 10가지 조건
불균일 하중 용접에 관한 2024년 STRUCTURE 2부작 시리즈(2월 및 3월호)에서 저자 Duane Miller는 직면하게 되는 다음과 같은 일반적인 조건을 요약했습니다.
조건 1: 필렛 루트 또는 PJP 그루브 용접에 대한 굽힘으로 인해 불균일한 하중이 가해짐
조건 2: 끝단 하중 랩 조인트의 단일 가로 용접으로 인해 불균등 하중
조건 3: 끝단 하중 연결에서 가로 용접 사이의 짧은 간격으로 인해 불균등한 하중이 가해짐
조건 4: 전단 지체로 인해 불균일한 하중이 가해짐
조건 5: 끝단 하중 연결의 긴 용접으로 인해 불균등 하중
조건 6: 용접 그룹의 하중이 고르지 않아 하중이 고르지 않음
조건 7: 용접으로 인해 견고한 부재가 유연한 부재에 연결되어 불균일한 하중이 가해짐
조건 8: 가로 용접이 세로 용접과 결합되어 불균일한 하중이 가해짐
조건 9: 용접이 관형 연결의 일부이기 때문에 불균일한 하중이 가해짐
조건 10: 용접부가 볼트 또는 리벳과 결합되어 불균일한 하중이 가해짐
첫 번째 조건은 필렛 또는 PJP 홈 용접 루트 주위의 굽힘으로 인해 불균일한 하중이 가해지는 것입니다. 두 번째 조건은 끝 하중 랩 조인트의 단일 가로 용접으로, 랩 부품의 처짐이 충분히 억제되지 않으면 루트 주위의 굽힘으로 인해 고르지 않은 하중이 발생할 가능성이 있습니다. 용접 모델링은 비탄성 해석 접근 방식에 따라 다르지만 CBFEM에서는 필렛 용접과 PJP 홈 용접이 다점 구속조건과 용접의 탄소성 거동을 근사화하는 등가 용접 쉘 요소를 사용하여 모델링됩니다. 이 모델링 접근 방식의 중요한 측면은 용접 루트에 대한 굽힘 강성이 0이라는 것입니다. 결과적으로 굽힘 응력이 발생할 수 없으며 Miller의 기사에 표시된 세부 사항에 대해 굽힘 강성이 부족하여 모델이 불안정해지기 때문에 해석이 실행되지 않습니다. 그러나 어떤 경우에는 연결이 용접의 굽힘 강성에 의존하지 않고 용접 루트 주위에 굽힘 변형이 발생할 수 있습니다. 해석 모델에서 편향된 형상을 검사하고 연결의 적절한 세부 사항을 조사하여 굽힘 변형을 방지해야 합니다.
세 번째 조건에서 불균등한 하중은 끝단 하중 연결에서 가로 용접 사이의 짧은 간격으로 인해 발생합니다. CBFEM을 사용하면 간격이 용접 강도에 최소한의 영향을 미칩니다. 그림 1에 표시된 연결을 고려하십시오. 기하학적 비선형성이 없으면 경계 조건과 편심으로 인해 플레이트에 상당한 굽힘이 발생합니다. 멤브레인 효과로 인해 기하학적 비선형성으로 굽힘이 감소하지만, 짧은 간격은 용접에 영향을 미치지 않습니다. 매우 짧은 간격(예: 1/2인치의 중첩)의 경우 플레이트가 항복하여 강도가 제한되지만 용접 평가에는 영향을 미치지 않습니다. 비탄성 해석을 통해 강도를 평가하면 모델에서 포착한 특정 한계 상태를 확인할 필요가 없지만 최소 중첩 거리를 규정하는 AISC 사양 섹션 J2.2b(f)의 요구 사항과 같은 세부 요구 사항을 충족할 필요가 제거되지는 않습니다.
전단 지연은 네 번째 조건에서 문제가 됩니다. 그림 2에 표시된 끝단 하중 랩 조인트와 같은 연결에는 전단 지연이 존재하지만 전단 지연이 연결 강도에 영향을 미치는지 여부는 불분명합니다. CBFEM 분석에서는 이 연결에 대한 전단 지연으로 인한 용접 강도 감소가 감지되지 않았지만 최근 저자가 수행한 일련의 물리적 실험에서도 감지되지 않았습니다. 그럼에도 불구하고 세 번째 조건과 마찬가지로 비탄성해석을 이용하여 강도를 평가하는 경우에도 미국용접학회(AWS)의 상세 요구사항을 만족해야 한다. 특히, AWS D1.1 조항 4.9.2에서는 세로 방향 필렛 용접이 플랫 바 또는 플레이트 부재의 끝 연결부의 랩 조인트에 단독으로 사용되는 경우 각 필렛 용접의 길이가 그들 사이의 수직 거리보다 작아서는 안 된다고 명시하고 있습니다.
끝단 하중 연결의 긴 용접은 연결된 부품 간의 변형 호환성으로 인해 고르지 않은 하중이 발생합니다. 용접 끝 부분 근처의 응력은 용접 부분과 연결된 부품 사이의 상대 강성에 따라 차이가 있는 중간 근처보다 더 큽니다. 전통적인 설계에서는 불균등한 하중을 받는 용접의 다섯 번째 조건은 긴 용접에 대해 감소된 유효 길이를 사용하여 해결됩니다. 비탄성 해석을 통한 설계에서는 용접부와 연결 부품의 강성이 명시적으로 모델링되고 변형 호환성이 강화됩니다. 따라서 결과는 대략적인 방정식보다 고르지 않은 하중의 영향을 더 정확하게 포착합니다. CBFEM 분석 결과와 기존 설계 간의 비교는 대규모 연구를 기반으로 한 그림 3에 나와 있습니다.
여섯 번째 조건은 용접 그룹에 불균일 또는 편심 하중이 가해지는 경우입니다. 기존 설계에서 이 조건은 AISC 매뉴얼 8부의 표를 통해 순간 회전 중심 방법을 사용하여 해결되는 경우가 많습니다. 순간 회전 중심법은 그 자체로 평형 및 변형률 호환성을 보장하는 동시에 방향성 강도 증가 계수의 유익한 효과를 통합하는 비선형 해석 방법입니다. 순간 회전 중심 방식과 브래킷 플레이트 연결을 위한 CBFEM을 비교하면 CBFEM이 불균일한 하중을 보수적으로 포착하는 것으로 나타났습니다.
조건 7~10은 여러 가능한 하중 경로를 특징으로 하며 일부 경로가 다른 경로보다 더 단단하거나 강하기 때문에 고르지 않은 하중이 발생합니다. 비탄성 해석에 의한 설계는 모든 구성 요소의 강성이 명시적으로 모델링되고 변형률 호환성과 평형이 강화되므로 이러한 조건을 적절하게 평가하는 데 매우 적합합니다.
일곱 번째 조건은 단단한 부재와 유연한 부재를 용접하는 것입니다. 그림 4와 같이 I자형 단면의 플랜지를 가로질러 인장 용접된 플레이트는 조건 7의 전형적인 예입니다. 하중의 더 많은 부분이 플랜지를 통해 웹으로 직접 더 단단한 경로로 끌려가기 때문에 플레이트와 플랜지 사이의 용접은 불균일한 하중을 받습니다. CBFEM을 사용하여 모델링할 때 용접 응력은 I형 부재의 웹에서 가장 높습니다. 이러한 용접은 먼저 최대 활용도에 도달하며, 이는 플랜지 팁 근처의 용접 부분이 최대 용량에 도달하지 않은 경우에도 연결 강도에 도달했음을 나타냅니다. 아홉 번째 조건인 관형 연결의 일부인 용접은 견고한 부재를 유연한 부재에 용접하는 또 다른 예입니다. 다시 말해, CBFEM은 고르지 않은 하중을 포착하고 이에 따라 용접 활용도를 계산할 수 있습니다.
여덟 번째 조건에서는 가로 용접이 세로 용접과 결합되어 고르지 않은 하중이 발생합니다. 가로 용접을 사용한 용접 연결은 세로 용접으로 만든 유사한 연결보다 강하지만 연성이 낮기 때문입니다. AISC 사양은 이와 같은 동심 하중 용접 그룹에 대한 방정식 J2-6을 제공합니다. 이 방정식을 구현하지 않아도 기본 동작이 모델링되고 강도 검사에 통합되므로 CBFEM은 효과를 잘 포착합니다(그림 5).
불균일한 하중의 열 번째이자 마지막 조건은 용접이 볼트 또는 리벳과 결합될 때 발생합니다. AISC 사양 J1.8 절에서는 볼트와 용접 사이의 변형 호환성이 고려되는 공통 접합 표면의 전단 연결 설계에서만 볼트와 용접이 공유 하중으로 간주되도록 허용합니다. 볼트와 용접의 강도 검사는 볼트와 용접이 하중을 공유할 때 특별한 처리 없이 CBFEM에서 독립적입니다. 볼트, 용접부, 부재 및 연결 요소의 강성에 대한 명시적인 모델링을 고려할 때 CBFEM에서는 변형 호환성이 항상 고려됩니다. 볼트와 용접부가 하중을 공유할 때 각각에 필요한 강도는 상대적인 강성에 따라 결정됩니다. 결과는 AISC 사양 섹션 J1.8에도 제시된 대략적인 방법을 사용하여 얻은 것과 유사한 전체 강도입니다. 그러나 CBFEM은 일반적으로 인장 연결에서 볼트와 용접부 사이의 하중 공유를 금지하지 않습니다. 사용자는 물리적 연결에 볼트나 용접이 모두 존재하더라도 인장 연결에서 볼트나 용접을 모델링하여 이와 같은 경우를 피해야 합니다.
Miller의 원본 기사에서 평가되고 여기에서 다시 언급된 불균일 하중 용접은 균일 하중 용접보다 효율성이 낮을 수 있고 전통적인 설계 접근 방식의 일반적인 가정을 위반하기 때문에 특별한 주의를 기울일 필요가 있습니다. 비탄성 해석에 의한 설계는 잘 정의된 해석 모델이 용접이 균일한 하중을 받는다고 가정하지 않기 때문에 이러한 용접에 대한 경로를 제공합니다. 또한, 비탄성 분석을 사용하여 고르지 않은 하중의 영향을 완화하기 위한 조치가 필요한지 식별하고 필요한 경우 최상의 완화 전략을 결정하는 데 도움을 줄 수 있습니다. ■
저자 소개
마크 데나비트(Mark Denavit)는 녹스빌에 있는 테네시 대학교 토목환경공학과의 부교수입니다.
