Application of a Fictitious Axial Force Factor to Determine Elastic and Inelastic Effective Lengths for Column Members of Steel Frames

In design of steel frames, it is generally believed that elastic system buckling analysis cannot predict real behaviors of structures, while inelastic system buckling analysis can give informative buckling behaviors of individual members considering inelastic material behavior. However, the use of Euler buckling equation with these system buckling analyses have the inherent problem that the methods evaluate unexpectedly large effective lengths of members having relatively small axial forces. This paper proposes a new method of obtaining elastic and inelastic effective lengths of all members in steel frames. Considering a fictitious axial force factor for each story of frames, the proposed method determines the effective lengths using the inelastic stiffness reduction factor and the iterative eigenvalue analysis. In order to verify the validity of the proposed method, the effective lengths of example frames by the proposed method were compared to those of previously established methods. As a result, the proposed method gives reasonable effective lengths of all members in steel frames. The effect of inelastic material behavior on the effective lengths of members was also discussed.

강프레임 기둥 부재의 탄성 및 비탄성 유효좌굴길이 산정을 위한 가상축력계수의 적용

강프레임 부재의 설계에서 탄성 시스템좌굴해석은 프레임의 실제 거동을 예측하기 어려운 반면, 비탄성 시스템좌굴해석은 압축부재의 세장비에 따른 비탄성 거동이 고려됨으로써 보다 현실적인 부재의 좌굴거동을 예측할 수 있다. 그러나 시스템좌굴해석 수행후 오일러좌굴식을 이용한 방법은 압축력이 비교적 작게 발생하는 부재에서 과도한 유효좌굴길이를 산정한다는 문제점을 내포하고 있다. 본 연구에서는 강프레임 구조의 모든 부재의 탄성 및 비탄성 유효좌굴길이계수를 산정할 수 있는 새로운 해석방법을 제안하였다. 제안된 방법은 가상축력계수 개념을 기반으로 비탄성 강도감소계수를 도입하고 반복고유치해석을 수행하여 각 부재의 유효좌굴길이계수를 산정한다. 제안된 방법의 타당성을 검증하기 위하여 예제 강프레임 구조물을 제안된 방법에 의거한 유효좌굴길이와 기존 방법에 의거한 결과를 비교하였다. 검증 결과, 제안된 방법은 강프레임의 모든 부재의 탄성 및 비탄성 유효좌굴길이계수를 합리적으로 산정할 수 있었다. 부가적으로 재료의 비탄성 거동이 부재의 유효좌굴길이에 미치는 영향도 논의되었다.