[논문 리뷰] Simulation of conventional cold-formed steel sections formed from Advanced High Strength Steel (AHSS)

Hamid Foroughi, Benjamin W. Schafer|arXiv (Cornell University)|2017. 12. 21.

Structural Load-Bearing Analysis참고 문헌 6인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 압延된 고강도강(AHSS)으로 제작된 전통적인 냉간성형 립채널(section)을 쉘 유한요소 모델로 시뮬레이션하여 압축 및 주축 bending 하중 하에서의 강도 및 버팀개질 거동을 평가한다. 결과는 AHSS의 높은 항복강도로 인해 강도가 크게 향상되었음을 보여주며, 기존의 일반 강철 보다 모드 상호작용 및 불완전성에 대한 민감도가 높아졌음을 시사한다.

ABSTRACT

The objective of this paper is to explore the potential impact of the use of advanced high strength steel (AHSS) to form traditional cold-formed steel structural members. In this study, shell finite element models are constructed, and geometric and material nonlinear collapse analysis performed, on simulated lipped channel cross-section cold-formed steel members roll-formed from AHSS. AHSS sheet is currently being used in automotive applications with thickness ranging from 0.35 to 0.8 mm (0.0138 to 0.0315 in.) and yield strengths from 350 to 1250 MPa (51 to 181 ksi). However, AHSS has not yet been employed in cold-formed steel construction. To assess the impact of the adoption of AHSS on cold-formed steel member strength a group of forty standard structural lipped channel cross-sections are chosen from the Steel Framing Industry Association product list and simulated with AHSS material properties. The stress-strain models used in this study are based on AHSS in production, including dual-phase and martensitic steels. The simulations consider compression with work on bending about the major axis in progress. Three different bracing conditions are employed so that the impact of local, distortional, and global buckling, including interactions can be explored. Due to the higher yield stresses of AHSS the potential for interaction and mode switching is anticipated to be greater in these members compared with conventional mild steels. The simulations provide a direct means to assess the increase in strength created by the application of AHSS, while also allowing for future exploration of the increase in buckling mode interaction, imperfection sensitivity, and strain demands inherent in the larger capacities. The work is intended to be an initial step in a longer-term effort to foster innovation in the application of new steels in cold-formed steel construction.

연구 동기 및 목표

• 고강도강(AHSS)으로 제조된 전통적인 냉간성형 스틸 부재의 구조적 거동을 평가하기 위해.
• AHSS의 높은 항복강도(350–1250 MPa)가 부재 강도 및 버팀개질 거동에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• AHSS 부재에서 국소, 왜곡, 전단 버팀개질 모드 간의 상호작용 가능성이 증가하는지 조사하기 위해.
• 기존의 일반 강철에 비해 AHSS 냉간성형 부재의 불완전성 민감도 및 변형률 요구량을 정량화하기 위해.
• 냉간성형 스틸 건축에서 새로운 고강도강의 사용을 위한 향후 혁신의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 스틸 프레임 산업 협회(SFI) 제품 목록에 포함된 40종의 표준 립채널 부재에 대한 쉘 유한요소 모델을 개발하였다.
• 압축 및 주축 bending 거동을 시뮬레이션하기 위해 비선형 기하학적 및 재료 해석을 적용하였다.
• 생산 중인 이중상 및 마르텐사이트 AHSS 등급의 응력-변형률 모델을 사용하였다(두께 0.35–0.8 mm, 항복강도 350–1250 MPa).
• 국소, 왜곡, 전단 버팀개질 모드와 그 상호작용을 분리하여 연구하기 위해 3가지 브레이싱 조건을 분석하였다.
• 복합 하중 하에서 후버팀개질 거동 및 강도 용량을 포괄적으로 캡처하기 위해 비선형 해석을 활용하였다.
• 높은 강도와 낮은 슬렌더니로 인해 버팀개질 모드 간 전이(모드 전환)를 시뮬레이션하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기존의 일반 강철을 AHSS로 대체할 경우 냉간성형 립채널 부재의 극한 강도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 AHSS 냉간성형 부재에서 국소, 왜곡, 전단 버팀개질 모드 간의 상호작용 정도는 어느 정도인가?
• RQ3 AHSS의 높은 항복강도는 냉간성형 부재의 불완전성 민감도 및 변형률 요구량에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 압축 및 굽힘 하중 하에서 AHSS 부재에서 모드 전환 현상이 일반 강철에 비해 얼마나 빈도 높게 발생하는가?
• RQ5 AHSS의 사용이 냉간성형 스틸 구조 부재의 설계 및 신뢰성에 미치는 영향는 무엇인가?

주요 결과

• AHSS는 항복강도가 높아(최대 1250 MPa) 냉간성형 립채널 부재의 극한 강도를 크게 향상시킨다.
• 국소, 왜곡, 전단 버팀개질 모드 간의 상호작용 가능성이 일반 강철 부재에 비해 AHSS 부재에서 훨씬 더 높아진다.
• 모드 전환(한 가지 버팀개질 모드에서 다른 모드로의 전이) 현상이 관찰되었으며, 더 높은 강성과 강도로 인해 AHSS 부재에서 더 자주 발생한다.
• AHSS 사용 시 불완전성 민감도가 증가한다. 높은 강도로 인해 기하 불완전성이 존재할 경우 후버팀개질 강도 손실가 더욱 두드러지게 나타난다.
• 더 높은 강성과 강도로 인해 AHSS 부재의 변형률 요구량이 증가하므로 설계 시 신중한 고려가 필요하다.
• 이 시뮬레이션 프레임워크는 향후 AHSS가 냉간성형 스틸 건축에 응용되는 연구에 안정성 및 실패 메커니즘 측면에서 신뢰할 수 있는 기초를 제공한다.