Bellows expansion joints enhance the displacement performance of piping systems owing to their unique geometrical features. However, structural uncertainties such as wall thinning in convolutions, a byproduct of the manufacturing process, can impair their structural integrity. This study addresses such issues by conducting a global sensitivity analysis to assess the impact of these uncertainties on the performance of bellows expansion joints under monotonic loading. Global sensitivity analysis, which examines main and nth order interaction effects, is computationally expensive. To mitigate this, we employed a surrogate model-based approach using an artificial neural network. This model demonstrated robust prediction capabilities, as evidenced by metrics such as the coefficient of determination. The sensitivity indices of the main effect for the 2-ply and 3-ply bellows at the sixth convolution were 0.3340 and 0.3233, respectively. The sensitivity index of the sixth convolution was larger than that of other convolutions because the maximum deformation of the bellows expansion joint under monotonic bending load occurs around it. Interestingly, the sensitivity index for the interaction effect was negligible (0.01%) compared to the main effect, suggesting minimal activity between uncertainty factors across convolutions. Notably, bellows expansion joints under repetitive loading exhibit more complex behaviors, with the initial leakage typically occurring at the convolution. Therefore, future studies should focus on the structural uncertainties of bellows expansion joints under cyclic loading and employ a surrogate model for comprehensive global sensitivity analysis.

배관 시스템은 다양한 산업영역에서 액체 및 기체로 이루어진 에너지를 수송을 담당하는 중요한 비구조요소로 지진과 같은 외부하중에 의해 손상될 경우 누수로 인한 홍수 및 가연성 가스 누출로 인한 화재 등의 2차피해가 발생할 수 있다. 배관 시스템은 구조물 내부에 설치되는 경우도 있으며 지반에 매립되어 설치되는 경우도 있다. 지반에 매립될 경우 지진으로 인한 과도한 상대변위에 의해 연결부의 손상을 초래할 수 있어 종종 벨로우즈 신축이음관을 적용하여 이러한 피해를 저감시킬 수 있다. 따라서 본 연구에서는 벨로우즈 신축이음관의 반복가력 실험을 기반으로 유한요소 모델을 구축 하여 내진성능을 검토하였다. 반복가력실험은 ±28mm 변위에서 최대 ±123.4mm까지 증가시켜 변위제어를 통해 수행되었으며 추가적으로 유한요소 모델의 신뢰성을 높이기 위해 벨로우즈 배관에 사용된 재료인 STS304의 재료 인장실험을 수행하여 탄성계수 및 항복응력을 결정하였다. 에너지 소산량과 등가 점성 감쇠를 비교하여 개발된 모델의 타당성을 검토하였으며 적용되는 변위가 커짐에 따라 최대 10% 미만의 오차가 발생하여 실험 및 해석결과가 잘 일치하는 것으로 나타났다.