KR101399055B1 - 주조된 구조적 커넥터 - Google Patents

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KR101399055B1
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레프리 알랜 팩커
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Abstract

주조된 구조적 연결체는 중공 구조적 단면 (HSS) 또는 광폭 플랜지(W) 단면부재와 같은 구조적 부재를 구조적 프레임에 연결한다. 커넥터는 특히 횡지지에 적합하며, 구조적 부재를 수용하고 용접되는 제1단, 구조적 프레임에 연결되는 제2단 및 중간부를 포함한다. 제1단은 다양한 사이즈의 구조적 부재와 양립될 수 있는 테이퍼를 포함하며, 완전용입 용접이 가능하여 구조적 부재의 충분한 축 강도를 활용하도록 한다. 중간부는 프레임이 변형될 때 힘의 전달을 제공하며, 심각한 지진성 조건에서, 굽힘 소성힌지 영역을 포함할 수 있다. 커넥터는 구조적 프레임에 용접될 수 있거나 연결판과 같은 표준제작 단 연결구에 의해 연결될 수 있다. 주물제작을 통하여 커넥터의 대량 생산이 가능하다.
커넥터, 주물, 주조

Description

주조된 구조적 커넥터{CAST STRUCTURAL CONNECTORS}
본 출원은 2006.4.27 출원된 미국가출원번호 60/795,170호의 우선권을 주장한다.
본 발명은 건설업에서 사용되는 구조 연결체 및 부재에 관한 것이다. 특히 본 발명은 정적, 준-정적 및 동적 하중 응용을 위한 주조된 구조 커넥터 및 부재에 관한 것이다.
단순한 설계성, 저비용 및 건축 용이성 및 다른 내횡하중 시스템 보다 높은 강성을 제공하므로, 동심적 지지프레임 (braced frame)은 철골구조의 내횡력 시스템에서 특히 널리 선택된다. 지지프레임의 대각선 지지(brace)부재은 주로 축방향 힘을 받고, 심각한 지진이 있는 경우, 지지부재의 인장에서의 반복항복 (cyclic yielding) 및 압축에서의 비탄성 좌굴(buckling)을 통하여 지진성 에너지(seismic energy)는 분산된다. 전형적인 지지부재는 앵글, 채널, 광폭 플랜지(W) 단면체, 및 직사각형 및 원형 중공 단면체를 포함한다.
특히 중공 구조 단면체(Hollow structural sections, HSS)는, 압축하중의 효율적 전달, 개선된 미적외관 및 쉽게 입수가능한 다양한 범위의 단면 사이즈로 인하여 횡지지부재로 통상 선택된다. 또한, HSS는 에너지 분산을 위한 지진성 용도에 널리 사용된다. 특히 둥근 HSS는 잔류응력집중이 감소되어 직사각형 HSS보다 개선된 효율을 보인다.
중공 구조 단면체는 축하중 전달에 효율적인 부재이나, 이들의 연결성은 성가시고, 고가이며, 지진성 응용을 포함한 요청된 조건에서 사용될 때 설계가 난해할 수 있다. 또한, 지진성 하중을 고려한 빌딩의 설계 및 건축의 필요성이 점차 요구된다. 특히, 지지대가 더욱 자주 사용되고 이러한 지지대는 인장 및 압축에 있어서 반복적 비탄성 하중에 견딜 필요가 있다.
이전 개발된 커넥터는 “신속하고 쉬운” 종류의 연결을 제공하는 주거용 또는 경량 건축산업에 집중되었고, 지진성 조건에서는 지지부재에 용이하게 적용될 수 없다.
예를들면, Tuell의 미국특허출원공개번호 제2005/0163564호는 판재료로 형성된 상호연결 커넥터를 가지는 건설시스템을 기술한다. 이러한 커넥터들은 구조체를 조립함에 유연성을 제공하지만, 지진성 하중이 있는 동안에는 연결이 파손될 수 있다.
주조(casting)는, 제어된 치수 및 소정의 효율 특성을 가지는 내하중(load-bearing) 금속성 구성요소를 설계함에 있어서 다기능성 및 자유로운 형상이 가능한 제조방법이다. 따라서, 구조적 구성요소로서 주물재료를 이용하는 것은 공지되어 있다.
예를들면, Beauvoir의 미국특허번호 제6,059,482 및 제6,474,902호은 기둥(column) 및 보(beam) 사이의 연결을 위한 벌크헤드를 가지는 볼트식 커넥터를 기술한다. 그러나, 이러한 선행기술의 커넥터는 단지 보 및 기둥 사이의 순간 연결을 제공되도록 설계되며, 특히 지진성 용도에 대한 설계는 아니다. 특히, 이러한 커넥터들의 설계를 통하여는 지지부재의 제어된 항복 또는 전 강도의 활용이 가능하지 않다.
따라서, 대량-주문될 수 있는 지지부재를 위한 커넥터를 제공하는 것은 유리하다. 또한, 다른 사이즈 및 형상의 지지부재와 양립될 수 있는 커넥터를 제공하는 것이 바람직하다. 또한 지진성 조건하에서 지지부재의 전 강도가 활용되도록 작동될 수 있는 커넥터를 제공하는 것이 유리하다.
본 발명은 구조적 프레임에 사용될 수 있는 주물의 커넥터를 제공하는 것이다.
일 측면에서, 본 발명은 구조적 프레임을 위한 지지조립체에서 사용될 수 있는 주조된 구조 커넥터이며, 지지조립체는 중공 구조적 단면체 (HSS) 또는 광폭 플랜지(W) 단면체와 같은 지지부재를 포함하고, 커넥터는 지지부재를 수용하고 지지부재와 용접되도록 형성된 제1 단; 구조척 프레임에 고정되도록 형성된 제2 단; 및 제1단 및 제2 단 사이에 배치되는 중간부를 포함하며, 제1 단은 제1단 및 지지부재 사이에 완전용입 용접 (complete joint penetration welding)이 되도록 테이퍼(bevel)를 포함한다.
구조적 단면체는 예를 들면 HSS 또는 W-단면 구조부재이다. HSS의 경우, 제1단의 원위단부(distal end)에서의 테이퍼는 HSS 내부 치수보다 같거나 작은 치수를 가진다. W-단면체의 경우, 테이퍼의 원위 에지는 W-단면체의 플랜지부들 사이의 치수와 동일하거나 작은 치수를 가진다. 따라서, 이러한 측면에 의하면, 테이퍼로 인하여 커넥터는 다양한 치수의 구조적 단면체를 수용하고 이에 용접될 수 있다. 또한 테이퍼는 제1단 및 중공 구조적 단면체 사이의 완전용입 용접을 가능하게 하여, 심각한 지진성 조건에서 중공 구조적 단면체의 충분한 축 강도를 전개시킬 수 있다.
다른 측면에서, 본 발명의 커넥터는 구조적 프레임에 직접, 즉 볼트 또는 용접에 의하여 연결되거나 예를 들면 연결판(gusset plate)과 같은 표준 제작 단 연결구(standard fabricated end connection)을 통하여 연결될 수 있다.
정적 용도는 물론 가능하지만 (기둥에, 보강재에, 트러스에 등등), 본 발명의 커넥터는 특히 지진성 내하중 지지프레임에 적합하다. 이러한 보강 응용에 있어서, 프레임에 변형이 생기면 중간부는 주로 힘 및 수반되는 모멘트의 축방향 전달을 제공한다. 주물 제조를 통하여 다양한 부재 사이즈와 연결될 수 있는 이러한 커넥터의 대량 생산이 가능하다. 지지대는 중공 구조적 단면 또는 W-단면 부재의 형상적 특성에 따라 변하는 내하중 용량을 제공할 수 있다.
본 발명의 추가적인 특징이 기술될 것이며 또한 하기 기재를 통하여 명백하여질 것이다.
바람직한 예의 상세한 설명은 하기 도면을 참조하여 예시적 목적으로 제공될 것이다:
도 1A, 1B, 1C 및 1D는 본 발명의 커넥터 예의 평면도, 측면도, 끝면도 및 사시도이다.
도 2A 및 2B는 두꺼운 중공 구조적 단면체 및 얇은 중공 구조적 단면체 각각과 함께 도시된 커넥터의 측면도이다.
도 3은 연마되고 에칭된 완전용입 용접의 확대 현미경 사진과 함께 커넥터 및 지지부재의 측면도이다.
도 4A 및 4B는 지지부재 및 연결판과 연결된 커넥터의 측면 분해도 및 사시 분대도이다.
도 5A 및 5B는 지지부재를 프레임으로 연결한 커넥터의 측면도 및 확대 사시도이다.
도 6은 타원 단면을 가지는 지지부재와 사용되는 커넥터의 사시도이다.
도 7은 직사각형 단면을 가지는 지지부재와 사용되는 커넥터의 사시도이다.
도 8A, 8B, 8C 는 굽힘 소성힌지를 가지는 커넥터의 측면도, 저면도 및 사시도이다.
도 9A 및 9B는 W-단면 지지부재와 사용되는 커넥터의 사시도이다.
도 10A는 커넥터 및 지지부재의 평면도이며, 도 10B는 커넥터의 측면도이다.
도 11은 얇은-벽 및 두꺼운-벽의 지지부재-커넥터 조립체 양자의 인장 하드-변형도이다.
도 12는 지지부재의 압축항복에 의한 커넥터 및 용접에서의 응력 모델링을 보인다.
도 13은 지지부재의 인장항복에 의한 커넥터 및 용접에서의 응력 모델링을 보인다.
상세한 설명 및 도면은 예시적 목적이며 이해를 돕기 위한 것이고 본 발명의 한계를 정하는 것이 아니라는 점을 이해하여야 한다.
본 발명의 커넥터는 축방향-하중 지지부재 및 구조적 프레임에 직접 연결된 표준 볼트식 또는 용접식 연결구 또는 구조적 프레임으로의 연결판과 같은 표준제작 단 연결구 사이에 배치되는 중간 커넥터로 이해된다. 지재부재는, 예를 들면 지진성지지 용도에서 횡지지부재로 통상 사용되는 HSS일 수 있다. HSS는 여러 치수 및 몇가지만을 예로 들면 원형, 직사각형, 정사각형, 달걀형 또는 타원형을 포함한 여러 단면 형상들을 가질 수 있다. 지지부재는 또한 하기된 바와 같이 W-단면부재일 수 있다.
커넥터는 정적, 준-정적 또는 동적 하중 응용에 사용될 수 있고, “동적 응용”이란 피로, 반복, 지진성, 충격, 폭파 및 충격하중을 포함한다. 커넥터는 또한 기둥, 보강재, 트러스, 공간 프레임 등과 같은 구조적 프레임의 축 하중이 있는 정적 응용에서도 내하중 기능을 제공할 수 있다. 특히 커넥터는 내지진성 보강 응용에 관한 것이며, 커넥터는 심각한 지진성 조건하에서 지지부재의 충분한 용량을 전개시킨다 (develop). "심각한 지진성 조건“이란 지지부재가 큰 비탄성 변형 (즉, 초과 강도)에 도달될 때 예상되는 강도 증가를 포함한 인장항복 및 비탄성 좌굴의 반복 사이클이다.
본 발명에 의한 커넥터는 특히 축방향-하중 부재용 대량-주문 주강(cast steel) 또는 기타 주물 금속 커넥터로 유용하다. 주물 제조를 통하여 지지부재의 충분한 축방향 강도를 전개하기 위하여 HSS 지지부재 및 단일 연결판 (예를 들면) 사이에 맞추어지는 주강 커넥터의 자유로운 형상 설계가 가능하다. 커넥터 그 자체는, 완전용입 (CJP) 그루브 용접으로 소정의 외부 직경 (즉 다양한 벽 두께)을 가지는 모든 표준 HSS 단면체를 수용하도록 형성될 수 있다.
이러한 커넥터의 이점은 다양하다. 우선, 적합한 용접전극이 선택되고 공지된 기술에 따라 적합한 용접이 수행되면, 이 결과에 의한 HSS 또는 W-단면체 및 커넥터 사이의 CJP 그루브 용접부는 이러한 구조적 부재들에서 예상되는 초과 강도 범위에 대하여 지지부재보다 더욱 강하다. 또한, 주물에서의 테이퍼 에지 (bevelled edge)를 통하여 다양한 두께의 지지부재에 대하여 동일한 용접 프로토콜이 가능하다. 일반적으로, 약 100-500mm의 외부 직경 및 3.2-16.0 벽 두께를 가지는 HSS가 지진성 응용에 적합하다. 각각의 커넥터가 여러 단면 사이즈와 맞추어질 수 있으므로, 적은 수의 커넥터-각 표준 튜브 외부 직경에 대하여 하나-는 여러 지지부재를 커버할 수 있고, 따라서 하나 또는 두 종류의 커넉테들이 전체 건축 구조물에 사용되어, 지지부재의 다양한 벽 두께에 의해 적합한 층 전단 (storey shear)이 달성될 수 있다.
본 발명의 주물 커넥터 설계의 추가적인 이점은 주물 제작은 대량 생산에 적합하므로, 커넥터 당 비용이 상당히 줄어줄 수 있으며, 보강된 제작 HSS-연결판 연결을 위한 설계, 상세 및 제작 비용을 상당히 줄일 수 있다. 치밀한 유선형의 개 선된 외관의 커넥터는 또한 건축적으로도 철강 노출 응용분야에서의 사용을 촉진시킬 수 있다.
커넥터의 타단은 구조적 프레임에 직접 또는 구조적 프레임에 부착된 하나 또는 그 이상의 연결판에 부착되므로, 간단한 제작, 건축 및 현장 조립이 가능하다. 또한, 커넉터 단 및 모든 구조적 구성요소 사이에 갭(gap)을 남김으로, 압축 좌굴 동안 지지부재 단에 형성되는 굽힘 소성힌지가 지지부재가 아닌 연결판에서 발생될 것이다.
또한, 커넥터는 연결판에서 멀리 위치된 소성힌지 영역을 포함할 수 있어, 압축성 지지 좌굴 동안 유도되는 굽힘 소성힌지는, 하기 논의된는 바와 같이 연결된 연결판에서가 아닌 주물 커넥터에서 발생되도록 한다.
본 발명의 커넥터는 연결된 구조적 철강부재의 또는 모든 특성 설계 하중의 전 축방향 용량을 전개한다. 주물 커넥터의 일단은 표준치수의 연결판과 같은 모든 전형적인 표준 제작 구조적 연결구와 결합되거나, 예를들면 보-기둥 교차점에 또는 트러스를 따라 직접 구조적 프레임에 용접되도록 설계될 수 있다. 커넥터의 타단은 여러 사이즈의 지지부재에 연결되도록 설계될 수 있다. HSS의 경우, 커넥터는 다양한 벽 두께를 가지는 소정의 외부 형상과 양립할 수 있다. W-단면체의 경우, 커넥터는 다양한 플랜지 및 웨브 두께를 가지는 소정의 웨브 높이와 양립할 수 있다. 이러한 특징으로 커넥터의 대량-주문 제작이 가능하다.
도 1A 내지 1D에 도시된 바와 같이, 커넥터 (10)은 제1단 (12), 중간부 (14) 및 제2단 (16)을 포함한다. 구조적 부재와의 연결은 제1단 (12)를 이용하여 달성된 다.
제1단 (12)는 원위단부에서 모따지거나 (chamfered) 또는 테이퍼 되어(bevelled), 다른 두께의 구조적 부재 (18)와 사용될 수 있고, 도 2A 및 2B에서 최적으로 도시된다. 이 경우, 구조적 부재는 HSS 지지부재이다. 테이퍼 각도 a는 그루브 용접을 통하여 양호한 용접에 영향을 미치는 충분한 체적의 용접부가 생기도록 선택될 수 있으며, 바람직하게는 45 내지 60°이다. 특히, 제1단 (12)의 테이퍼는 제1단 (12) 및 지지부재 간 완전용입 그루브 용접이 가능하도록 한다. 완전용입 그루브 용접을 통하여 심각한 지진성 조건에서도 소정의 지지부재의 전(full) 축방향 용량이 활용될 수 있다. 또한 제1단 (12)의 테이퍼는 지지부재와의 정렬 및 센터링이 용이하도록 한다. 도 3은 커넥터 및 HSS 168×9.5 mm 지지부재 사이의 CJP 그루브 용접부를 관통 절단한 연마되고 화학적으로 에칭된 부분을 보인다.
본 발명의 하나의 장점은 커넥터 (10)이 현장에서 또는 밖에서 구조적 부재 (18)에 부착될 수 있다는 것이다. 일반적으로는, 현장에서 이루어지지 않는 용접이 더욱 신뢰할 수 있는 특성을 가지는 양호한 용접이다.
커넥터 (10)은 도 4A, 4B, 5A 및 5B에 도시된 바와 같이 하나 또는 그 이상의 표준제작 단 연결구 (22)로 볼트 체결될 수 있는 제2단 (16)을 가진다. 제2 단(16)은 다수의 홀들 (24) (도 1A)을 가지며, 연결판과 같은 표준제작 단 연결구 (22)에 여결될 때, 여기에 볼트가 수용된다. 단 연결구 (22)는 지지부재 (18)을 지지되어야 할 구조척 프레임 (26)에 부착되도록 한다.
달리, 제2단 (16)은 하나 또는 그 이상의 표준제작 단 연결구와 용접되도록 형성될 수 있으며, 이 경우 홀이 필요하지 않다 (미도시). 또한, 제2단(16)은 보-기둥 교차점에, 트러스에 보 또는 기둥에 직접 등 구조적 프레임 (26)에 직접 용접되도록 형성될 수 있다.
중간부 14는 제1단 (12)에서 제2단 (16)으로의 점진적 기울기 또는 만곡을 포함하도록 도시되며, 이에 따라 주조성을 개선하고 지지부재 (18) 및 커넥터 (22) 단 사이의 힘의 점진적 분산을 허용한다.
도 5A에 도시된 바와 같이, 두개의 주물 커넥터 (10)는 지지부재 (18)의 양단에 공장에서-용접 (shop-welded)될 수 있어 지지부재-커넥터 조립체의 빌딩 프레임 (26)에서의 볼트식 설치가 가능하다. 도 5B에서, 주물 커넥터가 구조적 프레임의 보-기둥 교차점에 배치된 표준제작 단 연결구에 연결된 것을 도시된다.
제2단(16)의 구성, 즉 두께, 표준제작 단 연결구 (22)와 연결될 때 볼트를 수용하도록 형성된 홀 (24)의 수 및 방향은 커넥터의 특정 축하중 용량 요구 및 치수에 따라 크게 달라질 것이다.
본 발명의 기술자에게 명백하듯이, 본 커넥터는 다른 두께의 중공 구조적 단면체와 사용될 수 있다. 또한 이러한 연결을 통하여 구조적 부재의 프로필, 테이퍼 또는 모따기를 요구하지 않으면서도 원형, 정사각형, 직사각형 및 타원형 또는 달걀형 중공 단면체와 연결되는 한편, 지지부재의 길이 및 각도의 조립(erection) 공차가 허용된다.
예를 들면, 도 6은 달걀-형상 HSS와 연결되는 제1단 (30)을 가지는 커넥터 (28)을 도시한다. 도 7은 정사각-형상 HSS 지지부재와 연결되는 제1단 (34)를 가지 는 커넥터를 도시한다.
도 8A, 8B 및 8C에 도시된 바와 같이, 커넥터의 다른 예는 연결판에서 떨어져 유격된 굽힘 소성힌지부 (38)를 포함할 수 있다. 이를 통하여, 압축 지지 좌굴 동안 유도되는 굽힘 소성힌지는 연결된 연결판에서가 아닌 주물 커넥터 (36)에서 형성되며, 이로 인하여 심각한 지진성 조건에서 연결판 및 보-기둥 교차점이 보전될 수 있다.
도 9A 및 9B을 참조하면, 본 발명의 다른 커넥터 예는 W-단면 지지부재와 연결하여 사용되도록 설계된다. 이 경우, 커넥터는 W-단면 지지부재 (42)에 연결되도록 형성된 상응되는 W-단면 제1단 (40)을 가질 것이다. 특히, 단 (40)은, 지지부재 (42)의 웨브부(48)을 수용하기 위한 V-형상의 그루브(46)을 가지는 반대측의 테이퍼 에지들 (44)을 포함하고, 또한 단 (40)은 웨브부(48)을 수용하기 위한 웨브 테이퍼 에지 (50)을 더욱 포함한다. V-형상 그루브 (46)은 제1단(40)과 지지부재(42)를 정렬하고 중심을 맞추는 역할을 한다. 테이퍼 에지들(44) 및 (50)은 제1단(40) 및다양한 플랜지 및 웨브 두께의 지지부재들을 위한 지지부재(42) 사이에 완전용입 용접이 가능하게 한다.
본 발명의 기술자들은 본 발명의 커넥터들이 여러 재료로부터 주조될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이러한 커넥터들은 강으로 주조되는 것이 특히 유용하다. 또한 다른 합금 및 다른 종류의 강들이, 특정 용도에 요구되는 특성에 따라, 주물에 사용될 수 있다.
실시예
본 발명에 의한 커넥터와의 사용 예로 168mm 외부 직경을 가지는 HSS 지지부재들이 선택되었다. HSS 지지부재들은 168mm 외부 직경을 가지며, 다른 벽 두께를 가지고 있었다. 이러한 지지부재는 일반적인 파이브 사이즈이므로, 대부분의 철강 튜브 제조업체에서 쉽게 입수될 수 있다. 또한 대부분의 입수 가능한 168mm 튜브의 공칭 회전반경 (nominal radius of gyration)은 전형적인 지지부재 길이에서 200 이하의 세장비를 제공한다 (인장-압축 지지를 위한 요구사항). 마지막으로, 168mm 직경 튜브의 항복용량(yield capacity)는 약 550 내지 3000 kN(125 내지 675 kip) 범위이며 벽 두께 및 철강 등급에 따라 다르다. 이러한 것은, 커넥터 사용자로 하여금 동일한 주물 커넥터를 특정하는 한편 중간-높이(medium-rise) 구조물의 각 층에 적합한 수준의 횡 강도를 제공할 수 있다.
주물의 볼트 단은 북미에서 일반적으로 입수가능한 가장 두꺼운 벽의 168mm CHS 지지부재: HSS 168×13 CAN/CSA-G40.20/G40.21 그레이드 350W 및 HSS 6.625×0.500 ASTM A500 그레이드 C, 의 가장 높을 수 있는 항복강도에 저항하도록 설계되었다. 이것은 30mm 연결판에 연결되기 위한 12 1-인치 직경 ASTM A490 볼트를 이용하여 달성되었다. 12 예비인장된 고-강도 볼트는, 가장 큰 168mm HSS의 항복강도를 전달하기에 충분한 내슬립성 (청결 밀착면 지지부재로 가정)을 제공한다. 슬립-임계성 연결은 소정의 규제코드에서 특별히 요구되지는 않지만 (예비인장된 볼트와는 달리), 슬립-임계성 연결은 반복하중 상태에서 양호한 기능을 보이고 지진성 용도에서 선호된다. 또한, 볼트 전단 설계 요구사항을 만족하는 필수적인 볼수 숫자 이 상으로 수를 늘리면 커넥터는 볼트 영역에서 실질적으로 충분한 탄성을 가진다고 확신된다. 이를 통하여 지진성 사건 이후 커넥터의 재사용이 가능하다. 실질적으로는, 커넥터 이용자는 연결되는 튜브 강도에 따라 사용되는 볼트 수를 특정할 수 있다. 또한 사용자는 필요하다면 미적 목적으로 커넥터 탭의 초과 길이부분을 잘라낼 수 있다.
소정의 경계조건들 사이의 주물설계는 커넥터를 통한 힘의 변형을 감안하고 주물제조의 한계를 염두에 두고 3-차원 솔리드 모델링 소프트웨어를 사용하여 실시되었다.
사형주조, 구조적 공학-사이즈의 요소들을 위한 대부분 통상 사용되는 주강공정 및 커넥터 프로토타입을 제조하기 위한 공정에 있어서, 과도 (transitional) 형상은 주물 품질을 위하여 평활하게 유지된다. 또한, 주물 형상은 방향성 응고에 도움이 되어야 하고, 이에 따라 압탕 및 기타 특수한 고비용의 주물 고려사항의 필요성이 감소된다.
견고하게 주조될 수 있는 요소의 설계가 중요하므로, 최종제품 응고성을 개선시키기 위한 주조공장에서의 추천에 따라 주조분석이후 반복적 응력설계가 요청된다. 본 예의 주물 커넥터의 경우, 주조공장 제안에 따라 18%의 커넥터 질량 증가가 있었다.
도 10A 및 10B를 참조하면, 예시된 커넥터 치수는 다음과 같다:
외부 직경=D=168mm
길이=L=510mm
최대 연결길이=Lg=330mm
갭=g=31mm
탭 두께=t=23mm
탭 폭=W=282mm
동심적인 지지프레임에 있어서, 지지부재 그 자체는 에너지-흡수 요소이다. 따라서, 용량설계의 원리에 따라, 주물 커넥터는 지지부재의 미드스팬(midspan) 및 양단에서의 인장항복, 좌굴 또는 소성힌지 동안 전체적 또는 국부적 비탄성 좌굴로 인하여, 탄성적인 것이 바람직하다. 커넥터의 탄성거동은 유한요소 응력분석을 이용하여 커넥터 프로토타입 설계과정에 반영되었다.
솔리드 모델링 소프트웨어 팩키지가 예시적 커넥터의 3-차원 설계에 이용되었다. 본 모델은 주조공장에 보내져 패턴 제조에 이용되었고, 이를 통하여 프로토타입용 모래주형이 제작되었다. 유한요소응력분석을 위하여, 커넥터 모델은 336mm 길이 (2 직경) HSS 168×13 지지부재 및 주물 커넥터 사이의 완전용입 그루브 용접을 포함하도록 변형되었다. 대칭성으로 인하여, 조립체 1/4만의 유한요소 모델링이 필요하였다. 부품 형상은 직접 유한요소분석 소프트웨어로 전달되었다. 솔리드 몸체는 고차 3-차원 사면체 솔리드 요소들(3-dimentional tetrahedral solid elements)를 이용하여 메쉬되었고 (meshed), 각각 노드에서 3 자유도를 가지는 10 노드(nodes)로 각각의 요소는 정의되었다. 이러한 요소들은 2차 변위거동을 가지며 곡면 또는 불규칙 경계를 가지는 솔리드 몸체 모델에 가장 적합하다. 대칭 경계조건들은 모델의 삼 면들에서 필요하였고 이에 따라 분석된 유한요소모델은 완전한 지지부재-커넥터 조립체를 나타내었다. 커넥터가 볼트 체결된 연결판은 주물 커넥터 냅의 내향 이동을 방해하므로, “압축 만”의 경계 조건이 커넥터 탭의 내면에 적용되었다. 마지막으로, 변위(displacement)가 27mm 직경 볼트 홀의 내면에 25.4mm (1-인치)에 결쳐 적용되어 볼트 지지 효과를 재현하였다. 상기 경계조건들은 전체적인 지지부재 좌굴을 허용하지 않는다는 것을 이해하는 것이 중요하다. 그러나, 경계조건들은 제공된 예에서 원형상의 지지부재의 대칭성 국부적 좌굴을 허용한다. 그 결과, 압축하중에 대한 유한요소 분석에서 생성된 응력은 전체적인 지지부재 좌굴 동안 커넥터에 실질적으로 존재할 수 있는 것의 상부에 제한된 것을 나타내었다. 또한, 주물재료에 대한 선형적인 변형경화가 가정되었고 주물의 항복 이상으로 계산된 응력 및 변형은 크다.
볼트 홀의 지지면에 증분변위를 적용하여 비-선형 분석이 수행되었다. 사실은, 볼트는 예비인장되어 주물 탭 및 연결판 사이의 분배된 마찰응력을 통하여 하중 전달이 가능하지만, 이러한 방식으로 변위를 적용하면 커넥터 조립체의 정적 변위-제어 하중을 적절하게 모방하고 또한 볼트 홀에서의 큰 응력집중을 형성하였다. 비-선형 재료 특성이 고려되었고 또한 하중되는 동안 형상변경을 허용하는 큰 변위를 가능하게 하여 형상의 비-선형성이 고려되었다. 각 요소의 국부적 강성 매트릭스 공식화 (formulation)를 위하여 축소된 적분법 (reduced integration)이 사용되었다.
유한요소분석을 통하여, 도 11에 도시된 바와 같이, 지지조립체가 하중을 받을 때, 비탄성 변형은 지지부재의 가능한 항복용량까지 지지부재에서 국부적이라는 것이라는 것이 확인되었다. 또한, 유한요소응력분석은, 설계 항복력, ARyFy에 해당하는 지지력을 일으키는 인장 또는 압축변형이 커넥터에 인가될 때 주물에서의 응력들은 주강 공칭 항복응력 345MPa 이하라는 것을 보인다. 응력은 용접 영역에서 345MPa를 초과하였고, 이것은 유한요소분석에서 계산되었던 것보다 더 높은 강도수준을 용접 금속이 보일 것이므로 예상되고 수용될 수 있는 것이었다. 원통형 지지부재에서의 응력분산은 용접된 연결부로부터 매우 작은 거리에서 균일하였고, 이는 전형적인 용접 제작된 슬롯 튜브-거싯(gusset) 연결과 관련된 어떠한 전단-지체 문제도 보이지 않는다.
도 12A 및 12B는 전체적인 좌굴에 대하여 지지되는 HSS 168×13 지지부재의 압축항복으로 인한 커넥터 및 용접에서의 모델화된 상당 (본-마이세스) 응력을 보인다. 도 13A 및 13B는 HSS 168×13의 인장항복으로 인한 커넥터 및 용접에서의 모델화된 상당 (본-마이세스 )응력을 보인다.
프로토타입 주강 커넥터는 ASTM A958 등급 SC8620 클라스 80/50에 따라 생산된 강으로 제조되었다. 이러한 주물재료는 표준 연강 그레이드와 유사한 화학적 조성을 가지며, 주물의 규소함량이 중량비로 0.55%를 초과하지 않으면 CSA W59에 의한 용접가능한 베이스 금속으로 고려된다. 이러한 사양에 따라 생산된 재료는 최소 항복응력 345 MPa, 최소 극한 인장강도 550 MPa, 최소 연신율 22%, 및 50mm에서 35% 면적 감소를 가진다. 샤르피 V-노치 (CVN) 충격 시험 값 요건 -20℃(-4℉)에서의 27 주울 (20ft·lb)이 특정되어 연결이 커넥터 및 지지부재 사이의 용접 영역에서 적합한 인성을 가진다는 것을 확증하였다. 이것은 에너지-분산 요소들 또는 용 접부분들에 대한 일반적인 인성 요건을 초과하는 것이며, 동적으로 하중되는 연결에 대하여 요구되는 용접 필러 재료에 대한 CVN 요건에 매우 근접하게 상응하는 것이다.
용접절차에 대하여는, 철강 일면에 60° V형 (vee) 또는 3mm 루트 갭(root gap)을 가지는 테이퍼 이음부를 가지는 CJP 그루브 용접을 위한 적합한 프로토콜이 준비되었다.
개념증명을 위한 실험실 실험은 주물 커넥터 파괴검사뿐 아니라 커넥터-지지부재 조립체의 의사-동적 실험 및 정적 인장 실험을 포함하였다. 동심적으로 하중된 지지부재-커넥터 조립체의 정적 및 의사-동적실험 실험결과을 통하여, 주강 커넥터의 이용은 지진성 (또는 정적) 응용을 위한 튜브형 지지부재 연결 수단으로 실용성이 있다고 판단되었다. 실험실 측정 및 유사요소결과 간의 연관성은 커넥터 설계를 위하여 수행되었던 유사요소모델링이 유효하다는 것을 보였다.
상기 기재는 예시적 방법에 의해 본 발명을 기술한 것이다. 본 발명의 많은 변형은 본 분야의 기술자에게 명백하며, 이러한 명백한 변형은 명시적으로 기재되거나 또는 그렇지 않다고 하더라도 본 발명의 범위 내에 있는 것이다.

Claims (35)

  1. 구조적 프레임을 위한, 지지부재를 포함한 지지조립체에서 사용될 수 있는 주조된 구조적 커넥터에 있어서, 커넥터는:
    (a) 지지부재를 수용하고 지지부재와 용접되도록 형성된 제1 단;
    (b) 구조적 프레임에 고정되도록 형성된 제2 단; 및
    (c) 제1단 및 제2 단 사이에 배치되는 중간부를 포함하며, 제1 단은 제1단 및 지지부재 사이에 완전용입 용접 (complete joint penetration welding)이 되도록 테이퍼(bevel)를 포함하고, 정적, 준-정적 또는 동적 응용에 사용되는, 주조된 구조적 커넥터.
  2. 제1항에 있어서, 지지부재는 외부 치수 및 내부 치수를 가지는 중공 구조적 단면체이며, 테이퍼는 제1단 원위단부에 위치하고, 원위단부는 중공 구조적 단면체의 내부 치수와 동일하거나 작은 치수를 가지는, 주조된 구조적 커넥터.
  3. 제2항에 있어서, 중공 구조적 단면체는 원형, 직사각형, 정사각형, 달걀형 또는 타원형 단면을 가지는, 주조된 구조적 커넥터.
  4. 제3항에 있어서, 테이퍼는 다른 내부 치수 및 동일한 외부 치수를 가지는 다수의 다른 중공 구조적 단면체들을 수용하도록 형성된, 주조된 구조적 커넥터.
  5. 제1항에 있어서, 중간부는 제1단 및 제2단 사이에 경사진, 주조된 구조적 커넥터.
  6. 제1항에 있어서, 중간부는 굽힘 소성힌지 영역을 포함하는, 주조된 구조적 커넥터.
  7. 제1항에 있어서, 제2단은 구조적 프레임과 직접 볼트 또는 용접 체결되는, 주조된 구조적 커넥터.
  8. 제1항에 있어서, 제2단은 최소한 하나의 표준제작 단 연결구와 볼트 또는 용접 체결되며, 표준제작 단 연결구는 구조체 프레임과 연결되는, 주조된 구조적 커넥터.
  9. 제8항에 있어서, 표준제작 단 연결구는 연결판(gusset plate)인, 주조된 구조적 커넥터.
  10. 제1항에 있어서, 제2단은 다수의 볼트를 수용하기 위하여 관통된 다수의 홀을 포함하며, 제2단은 연결판에 볼트 체결되도록 형성되며, 연결판은 구조적 프레임에 연결되는, 주조된 구조적 커넥터.
  11. 삭제
  12. 제1항에 있어서, 완전용입 용접은 심각한 지진성 하중 조건에서 지지부재의 전(full) 축 강도를 활용하는, 주조된 구조적 커넥터.
  13. 제1항에 있어서, 지지부재는 플랜지부들 사이에 치수를 가지는 W-단면체이며, 테이퍼는 제1단의 원위에지에 위치하고, 원위에지는 W-단면체의 단에 상응하며, 원위에지는 W-단면체의 내부 치수와 동일하거나 작은, 주조된 구조적 커넥터.
  14. 제13항에 있어서, 원위에지는 W-단면체 단의 웨브부를 수용하는 노치를 포함하는, 주조된 구조적 커넥터.
  15. 외부 치수 및 내부 치수를 가지는 중공 구조적 단면체 및 구조적 프레임과 연결되어 사용되는 주조된 구조적 커넥터에 있어서, 커넥터는: (a) 제1단; (b) 구조적 프레임에 연결되는 제2단; 및 (c) 중간부로 구성되며; 제1단은 원위단부(distal end)를 가지는 테이퍼(bevel)을 포함하고, 원위단부는 중공 구조적 단면체의 내부 치수와 동일하거나 작은 치수를 가지며 중공 구조척 단면체를 수용하도록 형성되고, 제1단은 중공 구조적 단면체에 용접되도록 형성된, 주조된 구조적 커넥터.
  16. 제15항에 있어서, 테이퍼는 제1단 및 중공 구조적 단면체 사이의 완전용입 용접이 가능하게 하는, 주조된 구조적 커넥터.
  17. 제15항에 있어서, 중공 구조적 단면체, 커넥터 및 단 연결구의 결합은 구조적 프레임 내부에서 보강재(brance)로 작용하는, 주조된 구조적 커넥터.
  18. 제15항에 있어서, 중간부는 굽힘 소성힌지 영역을 포함하는, 주조된 구조적 커넥터.
  19. 제15항에 있어서, 제2단은 구조적 프레임과 직접 볼트 또는 용접 체결되는, 주조된 구조적 커넥터.
  20. 제15항에 있어서, 제2단은 최소한 하나의 표준제작 단 연결구와 볼트 또는 용접 체결되며, 표준제작 단 연결구는 구조체 프레임과 연결되는, 주조된 구조적 커넥터.
  21. 제15항에 있어서, 제2단은 다수의 볼트를 수용하기 위하여 관통된 다수의 홀을 포함하며, 제2단은 연결판에 볼트 체결되도록 형성되며, 연결판은 구조적 프레임에 연결되는, 주조된 구조적 커넥터.
  22. 웨브부 및 플랜지부들을 가지고 플랜지부들 사이에 치수를 가지는 W-단면체 및 구조적 프레임과 연결되어 사용되는 주조된 구조적 커넥터에 있어서, 커넥터는:
    (a) 제1단; (b) 구조적 프레임에 연결되는 제2단; 및 (c) 중간부로 구성되며; 제1단은 W-단면체 단을 수용하도록 형성되며, 제1단은 테이퍼 원위에지를 포함하고, 원위에지는 W-단면체 플랜지부 사이의 치수와 동일하거나 작은 치수를 가지며, 제1단은 W-단면체에 용접되도록 형성된, 주조된 구조적 커넥터.
  23. 제22항에 있어서, 테이퍼 원위에지는 제1단 및 W-단면체 단 사이의 완전용입 용접을 가능하게 하는, 주조된 구조적 커넥터.
  24. 제22항에 있어서, 테이퍼 원위에지는 W-단면체 단의 웨브부를 수용하기 위한 노치를 포함하는, 주조된 구조적 커넥터.
  25. (a) 지지부재; 및 (b) (i) 제1단; (ii) 구조적 프레임과 연결되는 제2단; 및 (iii) 제1단 및 제2단 사이에 배치되는 중간부를 포함하여 구성되는 주물 커넥터로 구성되며, 제1단은 지지부재를 수용하기 위한 테이퍼 수단을 포함하고 제1단은 지지부재에 용접되는, 구조적 프레임을 위한 구조적 지지조립체.
  26. 제25항에 있어서, 테이퍼는 제1단 및 지지부재 사이에 완전용입 용접이 가능 하게 하는, 구조적 프레임을 위한 구조적 지지조립체.
  27. 제25항에 있어서, 지지부재는 지지부재는 중공 구조적 단면체 또는 W-단면체인, 구조적 프레임을 위한 구조적 지지조립체.
  28. 제25항에 있어서, 지지조립체를 구조적 프레임에 연결하기 위한 표준제작 단 연결구를 더욱 포함하는, 구조적 프레임을 위한 구조적 지지조립체.
  29. 제28항에 있어서, 표준제작 단 연결구는 연결판인, 구조적 프레임을 위한 구조적 지지조립체.
  30. 제29항에 있어서, 제2단은 연결판에 용접되거나 또는 볼트 수단에 의하여 연결되는, 구조적 프레임을 위한 구조적 지지조립체.
  31. 연결판 단 연결구를 포함하는 구조적 프레임에 지지조립체를 조립하는 방법에 있어서, 방법은: 볼트 수단에 의하여 주조된 구조적 커넥터의 제2단을 단 연결구에 부착하는 단계로 구성되며, 주조된 커넥터는 제1단, 및 제1단 및 제2단 사이에 배치되는중간부를 포함하며, 제1단은 중공 구조적 단면체를 수용하도록 형성된 테이퍼 수단을 포함하고, 주조된 커넥터 제1단 및 중공 구조적 단면체는 예비적으로 용접되고, 테이퍼 수단은 완전용입 용접이 가능하도록 하는, 연결판 단 연결구 를 포함하는 구조적 프레임에 지지조립체를 조립하는 방법.
  32. 연결판 단 연결구를 포함하는 구조적 프레임에 지지조립체를 조립하는 방법에 있어서, 방법은: (a) 볼트 수단에 의하여, 제1단, 및 제1단 및 제2단 사이에 배치되는중간부를 포함하는 주물 커넥터의 제2단을 단 연결구에 부착하는 단계; 및 (b) 제1단을 공중 구조적 단면체에 용접하는 단계로 구성되며, 제1단은 중공 구조적 단면체를 수용하도록 형성된 테이퍼 수단을 포함하고, 테이퍼 수단은 완전용입 용접이 가능하도록 하는, 연결판 단 연결구를 포함하는 구조적 프레임에 지지조립체를 조립하는 방법.
  33. 지지부재 및 표준제작 단 연결구를 연결하기 위하여 사용되는 주조된 구조적 커넥터에 있어서, 커넥터는 (a) 제1단; (b) 표준제작 단 연결구를 고정시키기 위한 수단을 가지는 제2단; 및 (c) 제1단 및 제2단 사이의 경사진 중간부로 구성되며, 제1단은 지지부재를 수용하고 지지부재에 용접되는 테이퍼 수단을 가지는, 주조된 구조적 커넥터.
  34. 구조적 프레임을 위한, 지지부재를 포함한 지지조립체에서 사용될 수 있는 주조된 구조적 커넥터에 있어서, 커넥터는:
    (a) 지지부재를 수용하고 지지부재와 용접되도록 형성된 제1 단;
    (b) 구조적 프레임에 고정되도록 형성된 제2 단; 및
    (c) 제1단 및 제2 단 사이에 배치되는 중간부를 포함하며, 제1 단은 제1단 및 지지부재 사이에 완전용입 용접 (complete joint penetration welding)이 되도록 테이퍼(bevel)를 포함하고, 완전용입 용접은 심각한 지진성 하중 조건에서 지지부재의 전(full) 축 강도를 활용하는, 주조된 구조적 커넥터.
  35. 구조적 프레임을 위한, 지지부재를 포함한 지지조립체에서 사용될 수 있는 주조된 구조적 커넥터에 있어서, 커넥터는:
    (a) 지지부재를 수용하고 지지부재와 용접되도록 형성된 제1 단;
    (b) 구조적 프레임에 고정되도록 형성된 제2 단; 및
    (c) 제1단 및 제2 단 사이에 배치되는 중간부를 포함하며, 제1 단은 제1단 및 지지부재 사이에 완전용입 용접 (complete joint penetration welding)이 되도록 테이퍼(bevel)를 포함하고,
    상기 지지부재는 플랜지부들 사이에 치수를 가지는 W-단면체이며, 테이퍼는 제1단의 원위에지에 위치하고, 원위에지는 W-단면체의 단에 상응하며, 원위에지는 W-단면체의 내부 치수와 동일하거나 작은, 주조된 구조적 커넥터.
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