KR20020059589A - 접합 구조체 - Google Patents

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신닛뽄세이테쯔 카부시키카이샤
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Abstract

판상부재의 지단부의 응력집중 및 용접열 잔류응력을 완화함으로써 내력이나 피로 성능을 대폭적으로 향상시킬 수 있는 접합 구조체를 제공한다.
본 발명은, 구조부재(1)의 표면에 주 응력방향으로 T형으로 돌출 설치된 보강 리브 등의 판상부재(3)의 단부(4)를, 주 응력방향으로부터 벗어난 방향으로 굴곡시킴으로써 단부(4)가 저강성이 되어, 응력집중이 완화된다. 판상부재(3)의 단부(4)를 곡선상으로 완화 굴곡시키고, 주 응력방향에 대하여 직각이 될 때까지 굴곡시키는 것이 바람직하다. 판상부재는 평판이어도 무방하나, 전체를 U자상 또는 V자상으로 굴곡시킨 것이어도 무방하다. 또한 판상부재는 용접이든, 일절 성형된 것이든 무방하다.

Description

접합 구조체{CONNECTED STRUCTURAL BODY}
예를 들면, 강철제의 구조 각주 구조체와 기초의 접합부에는, 종래부터 도22나 도23에 도시하는 바와 같은 접합 구조체가 사용되어 왔다. 이 종래의 접합 구조체는, 구조부재(l0)의 단부에 볼트 접합용 페이스 플레이트(11)를 용접함과 동시에, 구조 부재(10)와 베이스 플레이트(11)와의 사이를 보강 리브(12)로 보강한 것이다. 보강 리브(12)는 구조부재(l0)의 주 응력방향으로 연장되는 판상의 부재이고, 구조부재(l0)의 표면에 대하여 T형으로 돌출 설치되어 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 접합 구조체에서는, 구조부재(l0)에 굽힘 모멘트가 작용한 때 보강 리브(12)의 지단부 부근의 구조부재(10)에 큰 면외 굽힘 응력 집중이 생겨, 구조 성능이 저하된다고 하는 문제가 있었다. 또한, 보강 리브(12)를 구조부재(l0)에 용접한 경우에는, 보강 리브(12) 상단부의 박싱(boxing) 부가, 용접열 잔류응력과 용접 지단부의 열영향부 재질 악화가 겹침으로써 구조 결함이 되기 쉽고, 내력이나 피로 성능이 저하한다고 하는 문제가 있었다. 이 문제는, 구조부재(l0)에 보강 리브(12)를 T자 용접한 많은 접합 구조체에서도 공통되는 것으로,일본강 구조 협회「강구조물의 피로 설계 지침·동해설」에서도, 거싯을 모서리용접 혹은 개선 용접한 이음부가 강부재의 내력이나 피로 성능을 저하시키기 때문에, 설계시 이를 배려하도록 지적하고 있다.
발명의 요약
본 발명은, 상기 종래의 문제점을 해결하고, 보강 리브 등의 판상 부재의 지단부의 응력집중을 대폭적으로 완화할 수 있거나 판상 부재를 용접한 경우에는 용접열 잔류응력을 대폭적으로 완화할 수 있고, 그 결과로서 내력이나 피로 성능을 종래보다 대폭적으로 향상시킬 수 있는 구조부재와 판상의 부재, 또는 앵커 볼트와의 접합 구조체를 제공하는 것이다.
즉, 본 발명은, 구조부재의 표면에 다른 판상 부재를 돌출하게 한 접합 구조체이고, 이 판상 부재의 단부를 굴곡시키는 것을 특징으로 하는 것이다. 또한, 판상 부재의 단부란 판상 부재가 모재인 구조부재와 접해 있는 단부를 의미하는 것이다. 또한 본 발명은, 이 판상 부재가 구조부재가 주 응력방향으로 뻗도록 T형으로 돌출시킨 보강 리브이고, 이 보강 리브의 단부를 상기 주 응력방향에서 벗어난 방향으로 굴곡시키는 구조체로 하는 것이 바람직하다.
또한, 판상부재의 단부를 곡선상으로 완화 굴곡시키는 것이 바람직하고, 판상부재의 단부를 주 응력방향에 대하여 직각이 될 때까지 굴곡시키는 것이 바람직하다. 판상부재는 선단 만을 굴곡시킨 것으로 하여도 되지만, 전체를 U자상 또는 V자상으로 굴곡시킨 것으로 하여도 된다.
상기 구조부재를 접합용 플랜지 또는 페이스 플레이트를 구비한 것으로 하고, 판상부재는 구조부재와 접합용 플랜지 또는 베이스 플레이트와의 사이에 설치하여도 되며, 또는 판상부재를 이음부 설치용의 것으로서 하여도 좋다. 또한 A판상부재를 2차 부재 설치용의 것으로 하여도 된다.
또한 본 발명은 구조부재의 표면에 그 주 응력방향으로 뻗는 앵커 볼트를 용접한 접합 구조체이고, 이 앵커 볼트의 단부를 상기 주 응력방향에서 벗어난 방향으로 굴곡시킨 형태에도 적용할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 보강 리브 등의 판상부재의 단부(지단부)를, 바람직하게는 구조부재가 주 응력방향에서 벗어난 방향으로 굴곡시킴으로써 판상부재의 단부의 강성을 저하시키고 있다. 이 결과, 구조부재에 하중이 작용한 때에 판상부재 단부 부근의 응력집중이 대폭적으로 완화되고, 또는 판상부재가 용접되어 있는 경우에도, 판상부재 단부 부근의 용접열 잔류응력을 대폭적으로 완화할 수 있다. 그 결과, 접합 구조체로서의 내력이나 피로 성능을 종래보다 대폭적으로 향상시킬 수 있다. 또한 구체적인 수치에 관하여 후술한다.
본 발명은, 각종 구조부재에 대하여, 보강 리브 등의 판상 부재나 앵커 볼트를 설치한 접합 구조체에 관한 것이다.
도1은, 제1 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도2는, 제2 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도3은, 제3 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도4는, 제2 실시 형태의 접합 구조체를 FEM 해석한 응력 집중도이다.
도5는, 종래의 평판상의 보강 리브를 가지는 접합 구조체의 응력집중도이다.
도6은, 제4 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도7은, 제5 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도8은, 제6 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도9는, 제7 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도10은, 제8 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도11은, 제9 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도12는, 제9 실시 형태에 대응하는 종래 구조 및 제9 실시 형태의 변형예를 나타내는 사시도이다.
도13은, 제10 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도14는, 제10 실시 형태에 대응하는 종래 구조를 나타내는 사시도이다
도15는, 제11 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도16은, 제11 실시 형태에 대응하는 종래 구조를 나타내는 사시도이다
도17은, 제12 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도18은, 제12 실시 형태에 대응하는 종래 구조를 나타내는 사시도이다
도19는, 제13 실시 형태를 나타내는 사시도이다.
도20은, 제13 실시 형태로 대응하는 종래 구조를 나타내는 사시도이다
도21은, 실시례에서의 피로 강도 시험 결과를 나타내는 S-N곡선이다.
도22는, 종래의 접합 구조체를 가리키는 사시도이다.
도23은, 종래 외에의 접합 구조체를 가리키는 사시도이다.
도24는, 도3의 접합 구조체의 정면도이다.
도25는, 도3의 접합 구조체의 평면도이다.
도26은, 도6의 접합 구조체의 정면도이다.
도27은, 도6의 접합 구조체의 평면도이다.
도28은, 도7의 접합 구조체의 정면도이다.
도29는, 도7의 접합 구조체의 평면도이다.
도30은, 도8의 접합 구조체의 정면도이다.
도31은, 도8의 접합 구조체의 평면도이다.
도32는, 도2의 변형예의 정면도이다.
도33은, 도2의 변형예의 평면도이다.
[발명의 구성]
다음으로 본 발명의 바람직한 실시 형태를 설명한다. (구조부재와 접합용 플랜지와의 접합 구조체)
도1은 본 발명의 제1 실시 형태를 나타내는 사시도이고, 1은 서로 접합되는 강관 등의 구조부재, 2는 각 구조부재(1)의 접합 단부에 각각 용접된 볼트 접합을 위한 접합용 플랜지이다. 3은 이러한 각 구조부재(1)와 접합용 플랜지(2)와의 사이에 T형으로 돌설한 보강 리브이다. 이 예에서 보강 리브(3)는 T자 용접되어 있다. 구조부재(1)의 주 응력방향은 도1에 있어서 상하 방향이다. 도시한 바와 같이, 이러한 보강 리브(3)는 U자상으로 굴곡된 것이지만, 전체로서 구조부재(l)의 주 응력방향으로 연장되어 있다. 또 보강 리브(3)의 접합용 플랜지(2)부터 먼 측의 단부(지단부)(4)는 주 응력방향에 대하여, 직각이 될 때까지 곡선상으로 완화 굴곡시키고 있다.
보강 리브(3)는 구조부재(1)에 용접되는 동시에, 접합용 플랜지(2)에 대하여 박싱(boxing)되어 있다. 용접을 확실히 하기 위하여, 보강 리브(3)의 내측 코너부에는 스캘럽을 만들어 놓는 것이 바람직하다.
이 구조의 접합 구조체에서는, 보강 리브(3)의 단부(4)를 구조부재(1)의 주 응력방향에서 벗어난 방향으로 굴곡시켰기 때문에, 보강 리브(3)의 단부(4)를 저강성 구조로 할 수 있다. 그 결과, 보강 리브(3)의 단부(4)에서의 응력집중이 대폭적으로 완화되는 동시에, 용접부의 용접열 잔류응력도 대폭적으로 완화되고, 접합 구조체로서의 내력이나 피로 성능이 대폭적으로 향상된다.
이 효과를 충분히 발휘시키기 위해서는, 보강 리브(3) 단부(4)의 곡율반경r을 판 두께t의 3배 이상으로 해 두는 것이 바람직하다. 곡율반경r이 이보다 작으면 보강 리브(3)를 만곡시킬 때에 재질 악화가 생기기 쉽고, 또 강성을 저하시키는 효과도 적어진다.
이 제1 실시 형태의 접합용 플랜지(2)끼리는 종래와 같이 볼트(6)에 의하여 접합된다. 볼트(6)의 수나 위치는 특별히 한정되는 것이 아니나, 도 l과 같이 U자상으로 굴곡시킨 보강 리브(3)의 내측에 만들어 놓으면, 외부로부터의 물리적 충격이나 부식 환경으로부터 보호되는 이점이 있다. 또한 이하에 나타내는 어떠한 실시 형태에서도 구조부재(1)를 구성하는 관은 환 강관으로서 도시하였으나, 각관이어도 무방하며, 또한 구조부재(1)를 형강제로 하여도 좋다.
(구조부재와 페이스 플레이트와의 접합 구조체)
도2에 나타내는 제2의 실시 형태로서는, 구조부재(l)는 강관으로 이루어지는각주 구조체이고, 5는 이 구조부재(1)를 기초에 고정하기 위한 베이스 플레이트이다. 이러한 구조부재(1)와 베이스 플레이트(5)와의 사이에, 제1 실시 형태와 마찬가지로 U자상으로 굴곡시킨 보강 리브(3)가 T자 용접에 의하여 T형으로 돌출 설치되어 있다. 이 도2의 실시 형태에서는, 보강 리브(3)의 폭은 단부(4)를 향하여 좁아지도록 비스듬히 잘라내어, 단부(4)의 강성을 한층 저하시키고 있다. 또한, 도3에 나타내는 제3 실시 형태와 같이, 베이스 플레이트(5)를 기초에 고정시키기 위한 볼트(6)의 위치를 보강 리브(3)의 외측으로 하여도 된다.
도4에 제2 실시 형태의 접합 구조체를 FEM 해석한 응력 집중도를 나타내며, 도5에 종래의 평판상의 보강 리브를 가지는 접합 구조체의 응력집중도를 나타낸다. 이러한 도는, 각 구조부재(1)의 상단에 동일한 수평 하중을 준 때의 보강 리브 (3) 주변의 발생 응력 분포를 등고선으로 도시한 것으로, 도 중의 수치단위는 MPa이다. 이들 도면의 비교에 의하여 종래 기술과 비교하여 본 발명에 대응하는 보강 리브(3)의 주변의 응력 집중이 대폭적으로 완화되어 있는 것을 알 수 있다.
도6에 도시하는 제4 실시 형태는, 도3에 있어서 인접하는 2개의 보강 리브(3)를 연속시킨 것이다. 이 예에서도 보강 리브(3)의 단부(4)는 구조부재(1)의 주 응력방향에 대하여 직각으로 될 때까지 굴곡시켰고, 상기 다른 실시 형태와 같은 효과를 얻을 수 있다.
도7에 나타내는 제5 실시 형태에서는, 구조부재(l)와 베이스 플레이트와의 사이에 설치한 보강 리브(3)의 형상을 V자상으로 하고 있다. 이 보강 리브(3)의 양측 부분은 구조부재(l)의 주 응력방향에 대하여 약간 기울어져 있는데, 전체의 중심선은 주 응력방향으로 연장되어 있다. 기타 구성 및 작용 효과는 상기한 다른 실시 형태와 같다.
이상 설명한 각 실시 형태에서는, 보강 리브(3)를 U자상 또는 V자상으로 굴곡시켰으나, 도8에 나타내는 제6 실시 형태와 같이 평판상의 보강 리브(3)의 상단을 구조부재(l)의 주 응력방향에 대하여 굴곡시켜 역 J자상으로 하여도 된다. 이와 같은 구조의 접합 구조체에 있어서도, 보강 리브(3)의 첨단부(4)는 구조부재(l)의 주 응력에 대하여 저강성이 되므로, 상기한 바와 같은 효과를 얻을 수 있다.
또한 도 9에 나타내는 제7 실시 형태와 같이 보강 리브(3)의 전체를 경사시킬 수도 있지만, 그 경우에도 단부(4)는 크게 굴곡시켜도 된다. 도10에 나타내는 제8 실시 형태에서는, 도8에 나타낸 바와 같은 역 J자상의 보강 리브(3)를 배면끼리 맞닿게 하고, 거의 T자상의 보강 리브(3)로 하였다.
또한, 보강 리브(3)의 단부(4)는 각 도면에 도시한 바와 같이, 곡선상으로 완화 굴곡시키는 것이 바람직하나, 직선상으로 굴곡시키는 것도 가능하다. 이 경우에도 보강 리브(3)의 단부(4)는 구조부재(1)의 주 응력에 대하여 저강성이 되기 때문에, 상기 바와 같은 효과를 얻을 수 있다. 다만 굴곡부에 새로운 응력집중이 발생하기 때문에, 역시 곡선상으로 완화 굴곡하는 것이 바람직하다.
(구조부재와 이음부 부착용 보강 리브와의 접합 구조체)
도1로 도시한 제1 실시 형태에서는 2개의 구조부재(1)(강관)를 접합용 플랜지(2)를 사용하여 접합하였으나, 도11에 나타내는 제9 실시 형태는 보강 리브(3)를 강관 이음부로 한 예를 나타낸다. 이와 같은 접합 구조를 채용하는 경우, 종래에는도12의 우측에 도시한 바와 같이 평판상의 강관 이음부(7)를 각 강관의 단부에 용접하고, 볼트 또는 리벳으로 연결하고 있었지만, 역시 강관 이음부(7)의 단부에 응력집중이 발생한다. 그러나, 도11이나 도12의 좌쪽에 나타내는 바와 같이 단부(4)를 굴곡시킨 보강 리브(3)를 사용하면, 응력집중을 완화할 수 있는 동시에, 용접열 잔류응력도 완화할 수 있다. 또한, 도11은 보강 리브(3)를 U자상으로 만곡하게 한 예를 나타내고, 도12의 좌측은 평판의 단부(4)만을 굴곡시킨 예를 나타낸다.
(구조부재와 2차 부재 설치용 보강 리브와의 접합 구조체)
도13에 나타내는 제10 실시 형태는, 구조부재(1)인 강관의 측면에 2차 부재(8)를 설치하기 위한 보강 리브(3)를 용접에 의하여 T형으로 설치한 것이다. 이 보강 리브(3)도 구조부재(1)의 주 응력방향으로 연장되는 것이고, 그 상하 양단부가 구조부재(1)의 주 응력방향에서 벗어난 방향으로 굴곡되어 있다. 도14에 나타내는 종래의 구조와 비교하여, 단부의 응력집중을 완화할 수 있고, 또 용접열 잔류응력도 완화할 수 있는 것은 다른 실시 형태와 마찬가지이다.
도15에 도시하는 제11 실시 형태는, 본 발명을 수평횡구 거싯 구조에 적용한 것이다. 이 경우에는 구조부재(l)가 수평으로 설치된 I형 강이고, 그 주 응력방향은 수평이다. 양단부가 굴곡된 보강 리브(3)가 구조부재(1)의 측면에 수평으로 T자 용접되어 있고, 이 보강 리브(3)에 수평 방향으로 연장되는 2차부재(8)가 고정되어 있다. 도16은 종래의 수평횡구 거싯 구조를 가리키는 것이고, 평판상의 보강 리브가 사용되어 있기 때문에, 단부에서의 응력집중이 크나, 도15의 구조로 하면 단부의 응력집중을 완화할 수 있고, 또 용접열 잔류응력을 완화할 수 있다.
도17에 나타내는 제12 실시 형태는, 본 발명을 대경구 거싯구조에 적용한 것이다. 이 경우에도 구조부재(1)는 수평으로 설치된 I 형강이지만, 그 주 응력방향은 상하 방향이다. 양단부가 굴곡된 보강 리브(3)가 구조부재(1)의 측면에 상하 방향으로 T자 용접되고 있고, 경사된 상방향으로 연장되는 2차 부재(8)가 고정되어 있는 도l8에 도시하는 종래의 대경구 거싯 구조와 비교할 ??, 보강 리브(3)의 단부에서의 응력집중 및 용접열 잔류응력이 대폭적으로 완화된다.
(구조부재와 앵커 볼트와의 접합 구조체)
이상 설명한 접합 구조체는 모두 구조부재(1)와 보강 리브(3)의 접합 구조체였으나, 도19에 도시하는 제13 실시 형태는 구조부재(1)의 단부에 앵커 볼트(9)를 용접한 것이다. 이 경우에도 앵커 볼트(9)는 구조부재(1)의 주 응력방향으로 연장되어 있다. 도20에 도시하는 종래의 앵커구조에서는 앵커 볼트의 단부에 응력집중이 생겼지만, 도19에 나타내는 바와 같이 앵커 볼트(9)의 단부를 구조부재(1)의 주 응력방향에서 벗어나도록 굴곡시키면, 응력집중이 완화되는 동시에, 용접열 잔류응력이 대폭적으로 완화된다.
또한, 상기 도3, 도6, 도7, 도8의 실시 형태의 정면도와 평면도를, 도24∼도31에 나타내었다. 또한 도32, 33은 도2의 변형예의 정면도와 평면도이다.
상술한 본 발명의 실시 형태로는, 판상부재는 보강 리브이고, 용접에 의하여 구조부재의 표면에 돌출 설치되어 있는데, 반드시 이 태양에 한정되는 것은 아니며, 프레스 가공, 삭출 가공 등의 적당한 수단으로 형성하여도 되는 것은 물론이다.
실시예
상기한 본 발명의 효과를 확인하기 위하여, 피로 강도 시험을 하였다.
시험체로서, 종래 기술에 대응하는 것과 본 발명에 대응하는 것 2종류를 제작하였다. 종래 기술에 대응하는 시험체는 도22에 도시하는 바와 같으며, 두께 22mm의 베이스 플레이트에 길이 1m의 강관을 세우고, 그 기부를 종래형의 종 리브로 보강한 것이다. 또한 본 발명에 대응하는 시험체는 도2에 나타내는 바와 같으며, 두께2mm의 베이스 플레이트에 길이 1m의 강관을 세우고, 그 기부를 U 형상의 보강 리브로 보강한 것이다. 또한, 용접은 모두 탄산 가스 아크 용접이고, 사용한 강판은 모두 SM400 강재이다.
이러한 시험체의 강관 굽힘 하중에 대한 피로 강도를 주지의 방법에 의하여 측정한 결과를 도2l에 나타낸다. 동 도면에 나타내는 바와 같이, 종래 기술에 대응하는 시험체는 철도교의 설계 사양서의 설계 수명 곡선의 G등급 정도이었던 것에 대하여, 본 발명에 대응하는 시험체는 A∼B등급에 상당하는 것이 되고, 본 발명의 구조로 함으로써 피로 강도가 대폭적으로 향상된 것을 확인할 수 있었다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 의하면, 접합 구조체에서의 판상부재의 지단부의 응력집중 및 용접열 잔류응력을 대폭적으로 완화할 수 있고, 접합 구조체의 내력이나 피로 성능을 종래보다 대폭적으로 향상시킬 수 있다. 이 때문에 본 발명은, 조명용 폴 등의 강관 주 각부 앵커 구조를 비롯하여, 실시 형태에 도시한 바와 같은 폭넓은 용도에 있어서, 신뢰성의 향상에 크게 기여할 수 있다.

Claims (9)

  1. 구조부재의 표면에 별도의 판상부재를 돌출하게 한 접합 구조체로서, 이 판상부재의 단부를 굴곡시킨 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
  2. 제 1항에 있어서,
    판상부재가 구조부재의 주 응력방향으로 뻗도록 T형으로 돌출시킨 보강 리브로서, 이 보강 리브의 단부를 상기 주 응력 방향에서 벗어난 방향으로 굴곡시킨 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
  3. 제 1항에 있어서,
    판상부재의 단부를 곡선상으로 완화 굴곡시킨 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    판상부재의 단부를 주 응력방향에 대하여 직각이 될 때까지 굴곡시킨 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
  5. 제 2항에 있어서,
    판상부재가 U자상 또는 V자상에 굴곡된 접합 구조체.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    구조부재가 접합용 플랜지 또는 베이스 플레이트를 구비한 것이고, 판상부재가 구조부재와 접합용 플랜지 또는 베이스 플레이트와의 사이에 설치된 접합 구조체.
  7. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    판상부재가 이음부 부착용의 것인 접합 구조체.
  8. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서,
    판상부재가 2차 부재 부착용의 것인 접합 구조체.
  9. 구조부재의 표면에 그 주 응력방향으로 뻗는 앵커 볼트를 용접한 접합 구조체로서, 이 앵커 볼트의 단부를 상기 주 응력방향으로부터 벗어난 방향으로 굴곡시킨 것을 특징으로 하는 접합 구조체.
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