KR20150036625A - 이중강관의 버클링을 구속하기 위한 이중강관으로 제조된 핀 접합형 구조부재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축방향 압축력 아래에서 안정을 유지하도록 버클링의 발생을 제한하기 위하여 축력관과 보강관으로 구성되는 이중 강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
보강관(2)과 보강 부재 사이의 간극은, 보강 부재(4)의 기울기가 축력관(1)에 작용하는 축력에 기인하여 축력관(1)에 대해 경사될 때, 클레비스 측의 단부(4a)에서 보강관의 내면과 보강 부재의 접촉ㅎㅎ하는 힘(P_c1)에 대한 클레비스 반대 측의 단부(4b)에서의 보강관 내면과 보강 부재(4)의 접촉하는 힘(P_c2)의 비율((P_c2/P_c1)이 0.40 내지 0.65일 수 있도록 결정된다. 또한, 보강관(2)이 보강 부재(4)와 중첩하는 길이(L_in)는 중첩 부분에서 보강 부재의 외경의 적어도 1.1배 크도록 결정된다.

Description

이중강관의 버클링을 구속하기 위한 이중강관으로 제조된 핀 접합형 구조부재{A PIN JOINT TYPE STRUCTURAL MEMBER MADE OF DOUBLE STEEL PIPE FOR RESTAINING BUCKLING THERROF}

본 발명은 이중강관(double steel pipe)의 버클링(buckling)을 구속하기 위한 이중강관으로 제조된 핀 접합형 구조부재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 축력을 유지하기 위한 축력관(main pipe for sustaining axial force)의 양단부들에 핀 지지 형태의 클레비스(clevis)들이 구비된 내측 축력관과 굽힘 저항을 가하도록 내측 축력관을 둘러싸는 외부 보강관으로 구성되는 구조부재의 축력을 유지하기 위한 축력관의 단부를 보강함에 따라 구조 부재의 버클링 강도를 증가시키기 위한 보강 부재, 및 외측 축력관과 내측 보강관으로 구성되는 핀 접합형 구조 부재에 관한 것이다.

긴 구조 부재를 지지하기 위한 시스템은 통상적으로 구조 부재의 각 단부에서 지지부에 모멘트가 작용하지 않는 핀 접합형 시스템(pin joint system)과 지지부에 모멘트가 작용하는 고정 접합형 시스템(fixed joint type system))을 포함한다. 고정 접합형 시스템에서 구조 부재의 단부에서의 굽힘(deflection) 각도는 일반적으로 제로이고, 핀 접합형 시스템에서는 결코 제로일 수 없다. 이러한 현상은 축력을 유지하기 위한 축력관과, 축력관을 둘러싸는 보강관(stiffening pipe)으로 구성된 이중 강관 구조의 내측관과, 축력관에 의하여 둘러싸인 보강관과 축력관으로 구성되는 이중 강관 구조의 외측관에서 모두 관찰된다. 외측 축력관과 내부 보강관으로 구성되는 이중 강관의 예는 JP1992-149345A1에 개시되었다.

강관의 버클링을 구속하기 위한 이중 강관의 구조 부재는 축방향 압축 하에버클링을 발생하지 않고 안정되는 것이 필요하다. 강 구조물의 버클링 디자인의 지침(Official Guide for Steel Structure Buckling Design)은 구조 부재의 버클링을 방지하기 위하여, 예컨대, 본 발명과 관련하여 "구조부재의 단부들의 손상 방지"에서 기재된 바와 같은 여러 조건들을 규정하며, 이를 위하여 이후 설명되는 바와 같은 마우스 피스(mouth piece) 형태 또는 코어 금속 형태의 보강 부재가 구조 부재에 도입되었다.

컬럼들과 비임들로 구성되는 골조(framework)의 그리드에 대각선 지주로서 구조 부재가 적용되는 예를 제공함으로써 이하에서 이중 강관으로 제조된 구조 부재가 설명된다. 골조의 좌우측 컬럼들은 지지 아래 어느 방향으로나 굽혀질 수 있도록 횡방향 힘이 적용되고, 이어서 상부 비임은 하부 비임에 대해 횡방향으로 이동한다. 교대적으로 이중관으로 구성된 지주(brace)에 교대로 축방향 압축력과 축방향 인장력이 단지 축력관에 가해지나, 구조 부재로부터 탈락하지 않도록 단지 일 지점에서 지지되는 보강관을 통해서는 적용되지 않는 동안 평행사변형과 역의 형상으로 교대로 골조가 변형된다. 축력관이 버클링하는 것을 방지하여 직선으로 유지되도록 보강관은 굽힘 저항 특성을 가지는 것이 필요하다.

축력을 유지하기 위한 핀 지지 형식의 축력관 단부에서의 축은 항상 JP2007-186894A1에 개시된 바와 같은, 양 단부들에 고정 지지되는 십자형 판 접합형 관의 교차하지 않는 구조와는 명확하게 다르고, 보강관의 축에 교차한다. 보강관이 외측관이고, 축력관의 변형이 클수록 축력관의 단부는 보강관의 내면을 향하여 더욱 근접하게 된다. 축력관과 보강관 사이의 간극이 작으면, 축력관의 약간의 휘어짐(flexure)에 의해 축력관의 단부는 보강관의 내면에 접하게 된다. 축력관이 크게 변형할 때, 보강관으로부터의 반작용력에 의하여 축력관의 단부의 변형을 초래하거나, 또는 축력관의 단부로부터의 압축력이 보강관의 변형을 초래한다.

핀 접합에 의하여 이중관을 골조 내에 도입하기 위하여, JP2009-193639A1에 개시된 바와 같이 클레비스 죠인트가 필요하다. 우측 나선(helix)과 좌측 나선 각각의 클레비스를 마우스 피스에 결합시키면, 축력관의 길이, 즉, 양측 클레비스들의 눈(eye)들 사이의 거리는 골조에서 특정된 양 핀들 사이의 거리에 비례하여 정밀하게 제어가능하다. 나선들의 적절한 결합을 통해 축력관은 소망하는대로 예비-압축될 수 있다.

축력관이 축력에 의하여 용이하게 굽혀지는 것을 방지하기 위하여 보강관으로 강관이 적용된다. 그러나 축력관은 보강관에 의하여 생성된 보강 효과가 나타나기 전에 축력관은 단부에서 간혹 손상된다. 축력관의 손상과 구조 부재의 변형을 피하기 위하여, 원통형 보강 부재가 축력관의 단부에 고정된다. 보강관이 내측관으로 사용될 때, 보강관의 단부 개구로 삽입되는 코어 금속은 축력관의 단부에 고정된 마우스 피스의 역-클레비스 측면에 통합된다.

보강관이 외측관이고 보강 부재는 내측관의 단부에 고정된 경우(JP1996-68110A1 참조), 보강관과 보강 부재 사이의 틈새는 외측관에 보강관을 구비한 내측 관이 삽입될 수 있도록 충분히 크다. 보강관이 내측관이고 보강 부재가 외측 관의 단부에 고정될 때(JP1994-93654A1 참조), 보강관과 보강 부재로 사용되는 코어 금속 사이의 간극은 내부 관 내부로 코어 금속이 삽입될 수 있도록 충분히 크다.

위에 설명된 바와 같은 간극이 과도하게 크면, 보강관은 굽힘 저항관으로 기능할 수 없으며 축력관이 이미 굽혀진 사실에도 불구하고 축력관은 보강관에 접하지 못한다. 보강 부재와 코어 금속이 길수록, 버클링 제한 효과는 더욱 향상된다. 그러나, 보강관 또는 코어 금속의 과도한 길이에 의하여 구조 부재의 중량이 증가하며, 그들의 과도한 짧은 길이인 경우 보강관에 의하여 생성되는 버클링 제한 효과가 감소된다.

특허 문헌 1: JP1992-149345A1 특허 문헌 2: JP2007-186894A1 특허 문헌 3: JP2009-193639A1 특허 문헌 4: JP1996-68110A1 특허 문헌 5: JP1994-93654A1

상기 도시된 바와 같이, 보강관은 적절한 간극을 두고 보강 부재를 둘러싸도록 구성된다. 축력을 유지하기 위한 축력관은 축의 압축력에 의하여 수축되고, 또한 더 큰 압축력에 의하여 버클링이 발생하므로, 보강 부재는 확장되어 보강관의 개구를 균열시킨다. 보강관에 의하여 발생된 굽힘 저항의 급격한 감소와 보강 부재의 회전각도의 증가, 즉, 축력관에 대한 보강 부재의 큰 경사에 의하여 보강관의 버클링을 구속하는 기능이 상실된다.

보강관과 보강 부재 사이의 간극에 대한 정량적인 연구, 예컨대, 보강관의 마우스 피스 또는 마우스 피스와 일체화된 코어 금속으로서 그리고 보강 부재의 길이에 대한 연구가 진행되었다. 현재 디자인 기술자들은 기술 경험과 지식을 통해 상기 간극을 적절하게 결정하였으며, 이는 축력관의 허용가능한 낮은 강도를 평가하거나 또는 안전성을 기대하는 부재 및/또는 더 큰 부분에 적용된 크기를 선택하는 것을 포함한다. 불행하게도, 축력관의 버클링이 제한되는 중에 보강 부재의 거동은 밝혀졌다. 신뢰성 있는 구조 부재를 구현하기 위하여 정밀한 분석에 기초한 축력관의 단부의 굽힘을 피하기 위한 기준을 형성하는 것이 중요하다.

본 발명의 목적은 버클링을 구속하기 위하여 이중 강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재를 제공함으로써 상기 개략적으로 설명된 문제들을 해결하는 것이며, 특히 축력관과 보강관으로 구성된 이중 강관이 축방향 압축력 하에 버클링을 발생하지 않도록 제한함으로써 축력관에 항복 강도를 초과하는 힘이 적용된 때에도 축력을 유지하기 위한 축력관이 안정된 거동을 실현하는 이중 강관 구조 부재를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 이중 강관으로 제조된 구조 부재를 제공하는데, 상기 이중 강관에는, 구조 부재에 축방향 압축력이 가해지면서 축력관의 단부가 변형되는 것을 방지하기 위하여 축력관의 일 단부에 보강 부재가 동축으로 고정되는 축력을 유지하기 위한 축력관과, 상기 축력관과 같이 이중 강관을 형성하고 축력관의 굽힘부가 증가하고 축력관에 대해 축방향으로 이동가능한 보강 부재를 포함하는 축력관을 둘러싸는 보강관, 및 축력관의 양측 단부들에 구비된 핀 지지형 클레비스가 구비된다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 특징은, 축력관(1)에 작용하는 축력에 기인하여 보강 부재(4)가 축력관(1)으로 경사질 때, 클레비스 측의 단부(4a)에서 보강관의 내면과의 보강 부재의 접촉 힘(P_c1)에 대한 클레비스 반대 측의 단부(4b)에서의 보강관의 내면과 보강 부재(4)의 접촉 힘(P_c2)의 비율((P_c2/P_c1)이 0.40 내지 0.65일 수 있도록 보강관(2)과 보강 부재(4) 사이의 간극(e_k)이 결정되고, 및 중첩 부분에서 보강 부재의 외경(D_r)의 적어도 1.1배만큼 크게 되도록 보강관(2)이 보강 부재(4)와 중첩하는 부분의 길이(L_in)가 결정되는 것을 특징으로 한다.

보강 부재는 큰 두께의 원통형 마우스 피스로서 이중 강관의 내측관에 고정된 보강 부재(4)이며, 보강관(2)은 보강 부재(4)를 둘러싸는 작은 두께의 원통형 외측관이다.

도 7을 참조하면, 보강 부재는 작은 직경을 가지며 이중 강관의 외측관에 고정된 큰 두께의 원통형 마우스 피스(11)의 클레비스 반대 측에서 축방향으로 연장하는 코어 금속일 수 있으며, 보강관(2)은 코어 금속을 둘러싸는 작은 두께의 원통형 내측관(13)으로 된다.

축력을 유지하기 위한 축력관(1)은 외경이 100 내지 500밀리미터이며, 보강관(2)이 보강 부재에 중첩하는 길이는 중첩 부분에서 보강 부재의 외경의 1.2 내지 1.6배가 되도록 결정된다. 보강관(2)과 보강 부재의 중첩 부분에서의 보강관과 보강 부재의 중첩 부분의 길이에 대한 보강관(2)과 보강 부재 사이의 간극의 비율(e_k/L_in)은 축력관이 보통강으로 제조될 때는 0.01 내지 0.02로 결정된다. 축력관(1)이 저항복강으로 제조될 때, 상기 비율은 0.005 내지 0.001로 결정된다. 도 8 도시와 같이, 보강관(2)이 적어도 보강 부재(4)에 중첩하는 부분에서 두꺼운 원형부분(14)을 형성하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 보강 부재가 축력을 유지하기 위한 축력관으로 경사된 때, 보강관과 보강 부재 사이의 간극은, 클레비스 측에서의 그의 접촉 힘에 대한 클레비스 반대측의 단부에서의 보강관의 내면과 보강 부재의 접하는 힘의 비율이 0.40 내지 0.65로 되도록 결정되고, 보강 부재와 보강관이 중첩하는 길이는 중첩 부분에서의 보강 부재의 외경의 적어도 1.1배가 되도록 결정되므로, 이중 강관으로 제조된 구조 부재의 설계 축력이 축력관의 축방향 항복력의 1.3배 이상 크게 허용가능하다.

보강 부재가 이중관의 내측관에 고정된 큰 두께의 원통형 마우스 피스일 때, 보강관은 마우스 피스를 둘러싸는 작은 두께의 원통형 외측관이다. 보강 부재가 이중 강관의 외측관에 고정된 큰 두께의 원통형 마우스 피스의 클레비스 반대측에서 축방향으로 연장하는 작은 직경의 코어 금속일 때, 보강관은 코어 금속을 둘러싸는 작은 두께의 원통형 내측관이다.

축력을 유지하기 위한 축력관의 외경이 100 내지 500밀리미터이고, 보강 부재와 보강관의 중첩 길이는 중첩부에서 보강 부재의 외경의 1.2 내지 1.6배 크므로, 초기 단계에서 보강 부재의 기울어짐과, 중량 증가를 발생하는 보강 부재의 길이 증가를 방지할 수 있다.

보강관과 보강 부재의 중첩 부분의 길이에 대한 보강관과 보강 부재의 중첩 부분에서의 보강관과 보강 부재 사이의 간극의 비율(e_k/L_in)이 0.01 내지 0.02로 결정되는 것은, 보통강으로 제조된 축력관에 적용될 수 있다. 비율이 0.005 내지 0.01로 되는 것은 저항복 강으로 제조된 축력관에 적용될 수 있다.

보강관이 적어도 보강 부재에 중첩하는 부분에 두꺼운 원형 부분을 제공함으로써, 보강관에 기인하는 구조 부재의 강성이 증가한다.

도 1은 크레비스 반대측 단부에서 및 클레비스 측 단부에서의 보강관 내면에 접하는 힘을 도시하는 본 발명에 따른 이중 강관으로 제조된 구조 부재의 주요 부분의 도시이다.
도 2는 보강관 내측의 축력관 단부에서 보강관이 굽혀지는 구조 부재와 본래 구조 부재의 도시를 포함하는 도면이다.
도 3은 보강 부재의 길이 및 이중관의 간극 크기에 반응하는 변형의 정량적인 도시를 포함한다.
도 4는 변형된 삽입 길이에 대한 무차원화 최대 축력의 산출 결과를 도시하는 그래프이다.
도 5는 이중 강관으로 제조된 구조부재를 설계하는 축력은 축력관의 항복 축 력의 1.3배 이상으로 큰 산출 결과를 도시하는 그래프이다.
도 6은 축력관의 외경이 보강 부재의 외경과 다르거나 같은 예들의 구조 도시를 포함한다.
도 7은 그의 내측 관이 보강관인 이중 강관으로 제조된 구조 부재의 내부 구조의 도시와 구조 부재의 변형을 도시하는 도시를 포함한다.
도 8은 보강 부재가 중첩하는 보강관의 개구 둘레 보강의 도시를 포함한다.

본 발명에 따른 버클링을 구속하기 위한 이중강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재가 첨부 도면들을 참조하여 설명된다. 이해를 용이하게 하기 위하여 구조 부재가 실제보다 더 짧게 도시된 도 2(a) 도시와 같이, 구조 부재의 실시예는 내측관으로 사용된 축력을 유지하기 위한 축력관(1)과 외측관으로서의 보강관(2)으로 구성된 핀 접합형 이중 강관(3)이다.

보다 상세하게, 축력관에 축방향 압축력이 작용하는 동안 축력을 유지하기 위한 축력관(1)을 버클링으로부터 보호하는 보강 부재(4)는 축력관의 단부에 동축으로 고정된다. 축방향을 따라 보강 부재(4)를 둘러싸는 보강관(2)에 의하여 축력관(1)의 굽힘이 증가하는 것이 방지되며, 보강 부재(4)에 대해 축방향으로 변위가능하다. 축력관(1)은 작은 두께의 강관으로 제조되고, 큰 두께의 관으로 제조된 보강 부재(4)는 매우 단단하므로 보강 부재의 변형은 축력관의 변형에 비교해서 항상 무시할만큼 작았다. 보강관(2)은 가벼워지는 것이 바람직한 작은 두께의 강관이며 관의 두께에 대한 관의 외경의 비율이 더 크기 때문이다.

축력관의 양 단부들에는 핀 지지용 접합 눈(eye)을 가지는 클레비스(6)들이 구비된다. 클레비스들은 좌측 나사(helix)와 우측 나사를 사용하여 각각 마우스 피스(7L 및 7R)들과 결합하며, 골조 위에서 핀-접합을 위한 구멍들의 피치에 응답하여 턴버클이 조정되는 바와 같이 정밀하게 조정될 수 있다. 위에 설명된 보강관(2)은 둘레 비드(8)를 형성함으로써 마우스 피스(7R)에 용접되며, 따라서 축력을 수용하지 못하고, 따라서 항상 굽혀지는 것이 방지된다. 도면의 좌측에서의 클레비스(6L)는 전면을 도시하고, 우측의 클레비스(6R)는 평면을 도시한다. 번호(9)는 접합 핀을 도시한다.

보강관(2)은 용접에 의하여 마우스 피스(7R)에 용접되나, 마우스 피스(7L)로부터 자유롭다. 도 2(b)의 좌측 부분에 도시된 바와 같이, 축력이 구조 부재에 작용할 때, 보강관이 고정되지 않은 측면에서 버클링이 일찍 발생한다.

이중관(3)으로 제조된 구조 부재의 거동은 이하에 정량적으로 설명된다. 축 력을 유지하기 위한 축력관(1)이 그의 항복 축력을 넘지 않는 축방향 압축력 아래 있으면, 축력관(1)은 단지 보강관(2) 내에서 수축된다. 축방향 압축력이 항복 축 력을 초과하면, 축력관은 버클링되어 굽혀진다. 손상되거나 변형될 부분은 축력관의 일 단부이며, 따라서 위에 설명된 보강 부재(4)는 그 부분을 보강하기 위하여 축력관에 용접에 의하여 고정된다. 축력관(1)보다 보강 부재(4)에 더 큰 강성 소재를 적용한 결과, 보강 부재는 거의 변형하지 않는다. 항복 축력을 초과하는 압축력에 의하여 변형된 부분은 축력관(1)에 보강 부재(4)를 고정하기 위한 연결부분(10)이다. 연결 부분이 굽혀지면, 굽혀진 부분이 과장되게 도시된 도 2(b) 도시와 같이 보강 부재(4)가 경사된다. 보강 부재(4)의 클레비스 측 단부(4a) 또는 연결 반대측의 단부(4b)는 보강관(2)의 내면에 접촉하고, 보강관(2)에 의하여 보강 부재(4)는 추가적으로 경사되는 것이 방지되며 축력관(1)이 추가로 변형되는 것이 방지된다.

도 3을 참조하면, (a)를 기초로 할 때, 보강관(2)의 내경(H)과 보강 부재(4)의 내경(D_r) 사이의 차이, 즉, 간극(e_k)이 (b)의 차이와 같이 작으면, 즉, H₁ < H이면, 보강관(2)에 기인하는 강성은 일찍 효력을 발생할 것이다. (c)와 (d)에 도시된 간극과 같이 간극이 클 때, 즉, H < H₂이면, 보강관(2)에 기인하는 강성은 효력을 상실하거나 늦게 효력이 발생할 것이다. 보강 부재(4)가 짧으면, 즉, L₁ < L이면, 보강 부재는 (e)도시와 같이 심하게 굽혀진다. 보강 부재가 (f) 도시와 같이 길면, 즉, L < L₂이면, 보강 부재의 기울기(θ)가 θ₄ 보다 작게 유지되면서 보강 부재는 강성에 기인하여 단지 약간 굽혀지는 것이 바람직하지만, 보강 부재는 중량이 증가한다. (g)는 보강 부재(4)의 큰 기울기가 변형되어 보강관의 단부를 확장하는 상태를 도시한다.

축력을 유지하기 위한 축력관(1)과 이중 강관으로 제조된 구조 부재의 보강관(2)은 일반적으로 외경이 100 내지 500mm이며, 길이가 3,500 내지 5,500mm이고, 두께가 6 내지 16mm이다. 모델들에 그러한 크기와 보강관(2)과 보강 부재(4) 사이의 간극에 4 내지 25mm를 적용하면, 이중 강관으로 제조된 구조 부재의 설계 축력힘이 축력관의 항복 축력의 1.3배 이상 크더라도, 이중 강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재들의 일부 모델들은, 구조 부재를 안정하게 유지하기 위한 조건들을 조사하기 위한 유한 요소법(Finite Element Method)에 의하여 분석되었다.

도 1을 참조하면, 위에 설명된 분석에 의하면 보강관(2)과 보강 부재(4) 사이의 간극(e_k)을 결정하기 위하여, 보강 부재(4)의 클레비스 측 단부(4a)에서 보강관의 내면과의 접촉 힘(P_c1)에 대한 보강 부재(4)의 클레비스 반대 측의 단부(4b)에서 보강관의 내면과의 접촉 힘(P_c2)의 비율(P_c2/P_c1)이 0.40 내지 0.65 범위 내에 있는 조건을 만족하도록 보강관(2)과 보강 부재(4) 사이의 간극(e_k)을 결정하는 것이 중요함을 알 수 있으며, 보강관(2)이 보강 부재(4)에 중첩하는 길이가 길수록, 즉, 보강관(2) 내부로 보강 부재(4)를 삽입하는 길이(L_in)가 길면, P_c1에 대한 P_c2의 비가 더욱 낮다. (P_c1)가 (P_c2)보다 클 때, 외측관(보강관)은 그 단부에서 심하게 변형된다. (P_c2/P_c1)이 0.6에 근접함에 따라, 가능하면, 접촉면의 증가에 의하여 축력관의 강도가 향상된다. 위에 설명된 분석에 의하면, 삽입 길이(L_in)는 보강 부재(4)의 중첩 부분의 외경의 적어도 1.1배 크기인 것이 바람직하며, 보강 부재의 직경이 균일할 때, 외경 자체를 의미할 뿐이거나, 보강 부재의 직경이 균일하지 않을 때, 또는 중첩 부분의 외경은 보강관의 대경의 미도시 부분과 보강관의 작은 직경 부분으로 구성되는 보강관에 의하여 둘러싸인 부분의 외경을 의미한다.

추가적인 분석은 보강 부재 외경의 1.2배 크기의 삽입 길이(L_in)에 의하여 이중 강관으로 구성된 구조 부재의 강도가 축력을 유지하기 위한 축력관(1)의 항복 축력의 1.3배, 최대 1.6배를 초과할 수 있음을 입증하였다. 그러한 삽입 길이를 사용함으로써, 보강 부재의 길이와 중량이 과도하게 증가하는 것을 방지한다. 축력관이 보통강으로 제조될 때, 보강 부재(4)가 보강관(2)에 중첩하는 부분에서 보강관(2)과 보강 부재(4) 사이의 간극(e_k)과 보강 부재(4)가 보강관(2)에 중첩하는 길이(L_in)의 비가 0.01 내지 0.02이 되도록 결정되고, 이로써 내구성이 충분할 수 있다. 축력관이 저항복 강으로 제조될 때, 0.005 내지 0.01인 비율이 강도를 현저하게 향상시킨다.

달리 말하면, 보통강의 경우에 0.57 내지 1.15의 보통강의 경사각(θ)을 얻도록 간극(e_k)은 정해질 수 있으며, 저항복 강의 경우 0.29 내지 0.57의 보통강의 경사각(θ)을 얻도록 간극(e_k)은 정해진다. 보통강의 경우, 관입 길이(L_in)가 250mm이면, 간극(e_k)은 2.5 내지 5.0mm이다. 외측관에 내측관을 삽입하기 위해 필요한 간극이 4mm로 상정되면, 간극(e_k)이 4와 5mm 사이일 수 있도록 관입 길이가 결정된다. 관입 길이(L_in)가 350mm로 상정되면, 외측관에 내측관을 삽입하기 위하여 필요한 간극(e_k)이 3.5 내지 7.0 mm이어야 할 것이므로, 관입 길이는 간극(e_k)이 4 내지 7mm가 되도록 결정된다. 저 항복강의 간극/길이의 비율(e_k/L_in)은 보통강의 경우의 약 반이며, 이는 아마도 저항복강이 큰 버클링을 가지는 것에 기인하여 조기에 보강 작용이 발생하기 때문이다.

위에 설명된 조건을 수치값이 충족하지 못하면, 클레비스 반대측의 단부에서의 보강관의 내면에 보강 부재(4)가 접촉하는 힘의 클레비스 측의 단부에서 보강관 내면에 보강 부재가 접하는 힘에 대한 비율이 0.40 내지 0.65 범위 밖으로 된다. 이 결과, 이중 강관으로 구성된 구조 부재의 설계 축력으로서 축력관의 축력의 1.3배 크기를 초과하는 강도가 안정적으로 유지되지 않는다.

분석에 의하면 관입 비율(관입 길이를 보강 부재의 외경에 의하여 나눈 값: Lin/D_r)과 무차원화 최대 축력(내측관의 항복 축력에 의하여 이중관의 한계 버클링 강도를 나눈 값: N/N_y)의 계산이 제공된다. 분석은 구조 부재의 치수에 의존하므로, 수정된 관입 비율, 관입 길이 비율과 내측관의 단면적에 의하여 나누어진 외측관의 단면상의 단면적 비율(A₀/A₁)의 제품이 도 4 도시와 같이 구조 요소들 상호 관계를 향상시키기 위하여 계산에 도입되었다. 무차원화 최대 축력이 이하 식(1)으로 표시된다. 그래프의 1, 2, 등의 부호들은 이중관 샘플의 번호를 표시한다.

여기서, (L₀)는 클레비스 눈(eye)의 중심과 보강 부재 사이의 거리이다.

식은 축력을 유지하기 위한 축력관이 보강관에 기인하여 버클링을 발생하는 것을 축력관의 두께를 증가시키지 않고 방지하고 보강관에 작은 두께의 관을 적용함으로써 구조 부재가 중량이 증가하는 것을 방지하기 위하여 이중 강관으로 제조된 구조 부재의 사양을 결정하기 위하여 사용될 수 있다. 식에 의하면, 이중 강관으로 구성된 구조 부재가, 축력을 유지하기 위한 축력관의 항복 강도를 크게 넘는 범위에서도 보강관의 단부 및 축력관의 단부를 변형시키지 않고 탄성을 유지한다. 이것은 식(1)이 만족하는 한, P_c2/P_c1는 0.40과 0.65 사이를 유지함을 의미하며, 설계 축력에 의하여 축력을 유지하기 위한 축력관의 항복 축 힘의 1.3배 이상의 크기인 것이 보장된다.

도 5는 이중 강관으로 구성된 구조 부재의 설계 축력이 축력을 유지하기 위한 축력관(1)의 항복 축 력의 1.3배 크기를 초과하는 계산 예를 도시하는 보강 부재(4)의 경사 각도(θ)에 대한 무차원 축력의 변화를 표시한다. 도 4와 도 5의 각각의 번호에 대응하는 샘플의 크기들은 생략된다. 도 1 등에서, 보강 부재4)의 외경은 축력관(1)의 외경보다 큰 것으로 도시되나, 위에 설명된 식이 또한 보강 부재(4)의 직경이 도 2(a)에 대응하는 도 6(a)와 비교해서 도시된 도 6(b)와 같이 축력관(1)의 외경과 같은 경우에 적용될 수 있다. 이와 같이, 축력관의 외경(M)의 결정은 축력관의 외경이 M2보다 더 크지 않은 조건 하에 보강부재(4)의 외경에 의존하지 않는다.

위에 설명된 실시예에서, 보강 부재(4)는 이중관의 내측관에 고정된 큰 두께의 원통형 마우스 피스(7L)인 보강 부재이며, 보강관(2)은 전체 마우스 피스(7L)을 둘러싸는 작은 두께의 원통형 외측관이다. 본 발명은 위에 설명된 구조에 적용할 수 있을 뿐만 아니라, 도 7(a) 도시의 또 다른 구조에 대한 것이며, 여기서 보강 부재는 이중 강관의 외부 관으로서 축력힘을 유지하기 위한 축력관(1)에 고정된 큰 두께의 원통형 마우스 피스(11)의 클레비스 반대 측 단부에서 축방향으로 연장하는 작은 직경을 가진 코어 금속(12)이며, 보강관(2)은 코어 금속(12)의 대부분을 둘러싸는 원통형 내측관(13)이다.

코어 금속(12)과 원통형 관(13)은 앞의 경우의 보강 부재(4)와 보강관(2)에 각각 대응한다. 코어 금속의 경사는 앞의 경우의 마우스 피스의 경사에 대응한다. 식(1)의 부호(ξL₀)는 코어 금속(12)의 베이스로부터 클레비스 눈의 중심까지의 거리이다. 위에 설명된 (e_k)는 또한 도 7(b)의 원통형 관(13)과 코어 금속(12) 사이의 간극에 적용할 수 있으며, 클레비스 측의 단부(4a)에서 보강관의 내면과의 접촉 힘(P_c1)에 대한 코어 금속(12)의 클레비스 반대 측의 단부(4b)에서의 보강관의 내면과의 접촉 힘(P_c2)의 비율에 대응하며, 이 비율((P_c2/P_c1)은 0.40 내지 0.65일 수 있다. 추가로, 관입 길이(L_in)는 원통형 관(13)과 코어 금속(12)의 중첩 부분의 외경의 적어도 1.1 배의 크기가 되는 것이 중요하다.

도 8(a)에서, 보강관(2)은 또한 적어도 보강 부재(4)와 중첩하는 부분의 근처 또는 개구에서 두꺼운 원형 부분(14)이 구비될 수 있다. 보강관 자체는 강화되므로, 위에 설명된 보강관의 내면에 접하는 접촉 힘(P_c1 및 P_c2)의 절대값은 증가될 수 있다. 두꺼운 원형 부분은 두꺼운 보강관을 사용하거나 또는 바람직하게는 후핑(hooping)을 위하여 얇은 관(15)으로 보강관(2)의 단부를 둘러싸는 것에 의하여 형성될 수 있다. 이중 강관에 적용된 원형 부분은 도 8(b)에 도시되는 데, 여기서 코어 금속(12)이 보강 부재에 사용되며 링(16)이 중첩 부분의 길이보다 짧게 도시된다.

도 1과 도 7은 구조 부재에 축방향 압축력이 가해지면서 축력관의 단부가 변형되는 것을 방지하기 위하여 축력관의 일 단부에 보강 부재가 동축으로 고정되는 축력을 유지하기 위한 축력관과, 상기 축력관과 같이 이중 강관을 형성하고 축력관의 굽힘부가 증가하고 축력관에 대해 축방향으로 이동가능한 보강 부재를 포함하는 축력관을 둘러싸는 보강 부재, 및 축력관의 양측 단부들에 구비된 핀 지지형 클레비스가 구비된 모두 이중 강관으로 구성된 긴 구조 부재를 도시한다. 본 발명은 위에 설명된 여러 경우들에 적용될 수 있으며, 따라서 강 구조물의 버클링 디자인용 지침에서 규정된 "구조 부재 단부들의 손상 방지"가 이중 강관으로 구성된 구조 부재에서도 실현될 수 있다.

1: 축력관 2: 보강관(stiffening pipe)
3: 이중관 4: 보강 부재(reinforcing member)(보강체)
4a: 클레비스측 단부 4b: 클레비스 반대측 단부
6L, 6R: 클레비스 7L, 7R: 마우스 피스
11: 원통형 마우스 피스 12: 코어 금속(보강체)
13: 원통관(보강 부재) e_k: 간극(clearance)
θ: 보강 부재(보강체)의 기울기
P_c1: 연결측 단부에서의 보강관 내면에 접하는 힘
P_c2: 연결측 반대 단부에서의 보강관 내면에 접하는 힘
L_in: 관입 길이(보강 부재와 보강관의 중첩 길이)
D_r: 보강 부재의 외경
A₀/A₁: 내측관 단면적에 대한 외측관 단면적의 비
N_max/Ny: 무차원화 최대 축력
(이중관의 한계 버클링 강도는 내측관의 항복 축력에 의해 계산됨)

Claims (7)

1. 축력관, 보강관, 및 핀 지지형 클레비스를 구비하는, 이중 강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재로서,
   상기 축력관은, 보강 부재가 상기 축력관의 일단에 동축으로 고정되어, 축방향 압력이 상기 핀 접합형 구조 부재에 가해지는 동안 축력관의 단부가 변형되는 것을 방지하고,
   상기 보강관은, 상기 축력관과 이중 강관을 형성하고, 상기 축력관의 굽힘부가 증가하지 못하도록 상기 보강 부재를 포함하는 축력관을 둘러싸고, 상기 축력관에 대해 축방향으로 이동가능하고,
   상기 핀 지지형 클레비스는 상기 축력관의 양측 단부들에 구비되는, 이중 강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재에 있어서,
   보강 부재가 축력관에 작용하는 축력에 기인하여 축력관으로 경사질 때, 클레비스 측의 단부에서 보강관의 내면과의 보강 부재의 접촉 힘에 대한 클레비스 반대 측의 단부에서의 보강관의 내면과 보강 부재 접촉 힘의 비율이 0.40 내지 0.65이 되도록, 보강관과 보강 부재 사이의 간극이 결정되며,
   보강관이 보강 부재와 중첩하는 부분의 길이는 중첩 부분에서 보강 부재의 외경의 적어도 1.1배만큼 크게 되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 이중 강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재.
2. 제1항에 있어서,
   보강 부재는 큰 두께의 원통형 마우스 피스로서 이중 강관의 내측관에 고정된 보강 부재이며,
   보강관은 보강 부재를 둘러싸는 작은 두께의 원통형 외측관인 것을 특징으로 하는 이중 강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재.
3. 제1항에 있어서,
   보강 부재는, 작은 직경을 가지며 이중 강관의 외측관에 고정된 큰 두께의 원통형 마우스 피스의 클레비스 반대 측에서 축방향으로 연장하는 코어 금속이며,
   보강관은 코어 금속을 둘러싸는 작은 두께의 원통형 내측관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이중 강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   축력을 유지하기 위한 축력관은 외경이 100 내지 500밀리미터이며,
   보강관이 보강 부재에 중첩하는 길이는 중첩 부분에서 보강 부재의 외경의 1.2 내지 1.6배가 되도록 결정되는 것을 특징으로 하는 이중 강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재.
5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   축력을 유지하기 위한 축력관은 외경이 100 내지 500밀리미터이며,
   보강관과 보강 부재의 중첩 부분에서의 길이에 대한 중첩 부분에서의 보강관과 보강 부재 사이의 간극의 비율은, 축력관이 보통강으로 제조될 때, 0.01 내지 0.02로 결정되는 것을 특징으로 하는 이중 강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재.
6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
   축력을 유지하기 위한 축력관은 외경이 100 내지 500밀리미터이며,
   보강관과 보강 부재의 중첩 부분에서의 길이에 대한 중첩 부분에서의 보강관과 보강 부재 사이의 간극의 비율은, 축력관이 보통강으로 제조될 때, 0.01 내지 0.02로 결정되는 것을 특징으로 하는 이중 강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   보강관은, 보강관이 적어도 보강 부재에 중첩하는 부분에서 두꺼운 원형부분을 형성하는 것을 특징으로 하는 이중 강관으로 제조된 핀 접합형 구조 부재.

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