A stiffened plate is regarded as an assembly of the plating, due to simplicity in fabrication and the excellent strength to the weight ratio, stiffened plates are frequently used as structural components in ships and offshore structures. In all such application, it is always a paramount for structural designer/analyst to determine actual load carrying capacity of the structure.
In the present study, the ultimate strength of stiffened plates subjected to predominately axial compression is evaluated using Non-linear finite element analysis. Parametric studies covering a wide range of dimensionless parameters are carried out. The Parameters investigated are: the transverse flexural slenderness of the plate, the stiffener web slenderness, stiffener flange slenderness, and plate aspect ratio. From the parametric study, it is found that transverse flexure slenderness of the stiffened plate is more influential parameter as compared to other dimensionless parameter. It is observed that ultimate buckling strength decreases as the value of plate transverse flexure slenderness increases. Failure mode is also changed from plate induced overall bucking to plate buckling with increase in plate transverse flexural slenderness, which results in increasingly unstable post buckling behavior.
Strain hardening effect is evaluated and it is found that, strain hardening yields higher ultimate buckling strength. Ignoring the strain hardening effect, as it is common practice in marine industry, may cause underestimation of steel plated structure.
It is the matter of fact that thick hot rolled plate shows variation in material properties along the thickness direction. Effects of this phenomenon on ultimate buckling strength of stiffened plate are investigated and found to be significant. Furthermore, combined effect of strain hardening and variation in material properties along the thickness direction, yield remarkable increase in ultimate buckling strength of the stiffened plates. Therefore, in order to evaluate the ultimate buckling strength of stiffened plate accurately, variation in material properties along the thickness direction must be considered in the design and analysis of marine stiffened plates.
Effects of fabrication related imperfection are evaluated and it is found that imperfections have severe effects on the ultimate buckling strength of stiffened plate. Even at certain value of imperfection stiffened plate buckle before reaching to its yield strength. It is also found that as the plate flexural slenderness is increasing imperfection effect becomes more dominant and post buckling response also become sharply unstable.
A comparison of the numerical analysis results with design guidelines formulated by Det norske Veritas (DnV) and the American Petroleum Institute (API) is made. This comparison indicates that, in case of plate induced overall buckling, the guidelines results have good agreement with numerical results.
보강판구조는 비강성이 매우 뛰어나고 제조 공정이 단순하여 선박을 비롯한 해양구조물의 주요 부재로 자주 사용되고 있다. 해양구조물의 설계 및 구조해석에서 보강판구조의 하중지지성능에 대한 정확한 예측은 가장 중요한 부분이 되고 있다.
본 연구에서는 비선형 유한요소해석을 이용하여 축하중을 받는 보강판구조의 최대 좌굴강도를 평가하였다. 보강판구조의 기하학적 형상을 나타내는 무차원 변수에 대하여 이를 매개변수로 설정하고 수치해석을 수행하여 보강판구조의 형상 변화에 따른 좌굴한계강도를 분석하였다. 보강판구조의 기하학적 형상변화를 고려하기 위하여 외판의 두께 비, 웹(web)의 두께 비, 플랜지(flange)의 두께 비, 외판의 세장비를 나타내는 4개의 무차원수를 이용하였다.
보강판구조의 하중지지성능과 관련한 지금까지의 연구는 대부분 탄성, 또는 완전 탄소성 모델을 이용하여 수행되어왔다. 그러나 철강재료의 변형에서는 일반적으로 변형이 진행될수록 응력이 상승하는 가공경화현상이 존재한다. 본 연구에서는 보강판구조의 좌굴변형에 대한 정확한 수치해석을 위하여 보강판구조를 구성하는 후판의 가공경화를 고려한 탄소성 물성치를 적용하였다. 해양구조물에 주로 사용되는 후판은 그 두께가 6mm에서 수십mm 에 달한다. 압연으로 생산된 후판의 경우 물성치가 두께 위치에 따라 달라지는 현상이 발생하며, 두께가 두꺼울수록 내부와 표면에서의 물성치가 큰 차이를 나타내는 경향이 있다. 본 연구에서는 후판재료의 재료실험 결과를 바탕으로 보강판구조에 사용된 판재의 두께방향 위치에 따라 다른 물성치를 대입함으로써 판재 내 물성치의 분포를 고려하고자 하였다. 한 종의 해양구조물용 강재의 중간층과 표면층에서 각각 수행된 재료시험결과로부터 강재의 중간과 표면에서의 물성치를 획득하였으며, 이를 내삽 하여 판재 내부의 물성치 분포를 대입하였다. 가공경화와 내부 분포를 고려한 탄소성 물성치를 대입한 경우 그렇지 않은 경우와 비교하여 높은 값의 좌굴한계강도를 얻게 되는 것을 확인하였다.
보강판구조의 제조과정에서 발생할 수 있는 형상 결함이 하중지지성능에 미치는 영향을 정량적으로 파악하였다. 두 가지 방법을 이용하여 형상 결함을 대입하고 그 효과를 분석하였다. 형상 결함을 삼각함수의 조합으로 형상 결함을 나타내는 직접 대입방법과 보강판구조의 좌굴 시 발생하는 변형형상을 대입하는 간접 대입방법을 이용하였다. 형상 결함은 좌굴한계강도를 감소시키는 효과를 나타내며 외판의 두께가 두꺼울수록 형상 결함에 의하여 좌굴 이후 지지하중이 급격하게 감소하는 것을 확인하였다.
최종적으로 현재 널리 사용되고 있는 해양구조물 설계 가이드라인에서 제안하고 있는 보강판구조의 좌굴한계강도와 본 연구에서 수행한 결과를 비교하였다.
