高張力볼트 螺絲線 形狀 改善 및 疲勞强度 特性에 관한 硏究 (An) Experimental Study on Improvement of Screw Thread Shape and Characteristics of Fatigue Behavior in High Strength Bolts원문보기
현재 세계 각국에서 생산되고 있는 고장력볼트의 인장강도는 800~1,100MPa급이며, 나사부의 형상은 1982년부터 ISO가 규정한 통일된 규격을 사용한다. 일반적으로 각국의 강구조물 시공현장에서 사용되고 있는 고장력볼트의 인장강도는 1,000MPa급이 주종을 이루고 있으나, 고강도강과 극후판의 개발 및 보급과 강교량 건설기술의 발전에 따른 교량 지간의 장대화로 인하여 강도가 큰 새로운 볼트 개발이 요구되어 왔다. 한편, 반복적인 하중이 작용하는 곳에서 인장접합재로 사용되는 고장력볼트의 인장피로파괴 사례가 발생되어 왔으나 아직까지 우리나라에서는 이에 대한 이론 및 실험적인 연구가 진행되어 오지 못하였다. 따라서, 본 연구에서는 ...
현재 세계 각국에서 생산되고 있는 고장력볼트의 인장강도는 800~1,100MPa급이며, 나사부의 형상은 1982년부터 ISO가 규정한 통일된 규격을 사용한다. 일반적으로 각국의 강구조물 시공현장에서 사용되고 있는 고장력볼트의 인장강도는 1,000MPa급이 주종을 이루고 있으나, 고강도강과 극후판의 개발 및 보급과 강교량 건설기술의 발전에 따른 교량 지간의 장대화로 인하여 강도가 큰 새로운 볼트 개발이 요구되어 왔다. 한편, 반복적인 하중이 작용하는 곳에서 인장접합재로 사용되는 고장력볼트의 인장피로파괴 사례가 발생되어 왔으나 아직까지 우리나라에서는 이에 대한 이론 및 실험적인 연구가 진행되어 오지 못하였다. 따라서, 본 연구에서는 FEM 해석을 수행하여 신나사형상을 개발하였고, 각종 실험을 수행하여 인장강도 1,300MPa급 고장력볼트의 기계적 성능을 검증하였다. 또한, 고장력볼트의 순수인장피로실험과 프라잉작용에 따른 인장피로실험을 수행하였고, 마찰계수에 따른 마찰접합부 피로실험을 수행하여 피로강도를 평가하였다. 신나사형상 개발 연구에서는 나사의 곡률반경, 체결깊이를 고려하여 FEM해석을 수행하여 신나사형상을 제안하였다. 신나사형상은 KS형상에 비해서 응력집중이 감소되고, 볼트와 너트 체결시에 이격거리가 작게 발생되고, 응력분배가 효과적이고, 유효면적이 증가되어 인장강도가 증가된 우수한 나사형상이다. 인장강도 1,300MPa급 고장력볼트 개발 연구에서는 소재실험, 인장실험, 토크실험, 릴랙세이션실험 및 마찰접합부 실험을 수행하여 기계적 성능을 평가하였다. 실험결과에 의하면 한국산업규격 및 도로교설계기준의 요구사항을 만족하는 결과로 나타내었다. 또한, 인장실험과 토크실험결과에 의하면 신나사형상의 인장강도, 연신율 및 응력재분배가 KS형상에 비해 우수하다는 것을 실험적으로 검증하였다. 순수인장피로실험에서는 F8T, F10T, F13T 와 F3T-N 볼트에 대해서 반복횟수 200만회에 95% 하한신뢰도분석을 하여 피로강도를 평가하였고, 우리나라 실정에 맞는 3가지의 피로강도 기준안을 제시하였다. 또한, 신나사형상 볼트의 피로강도가 KS형상 볼트에 비해 32.8%가 증가 되었다. 인장접합부 피로실험에서는 플랜지 두께와 볼트 위치에 따라서 발생하는 프라잉작용이 고장력볼트의 피로강도를 감소시키는 것을 증명하였다. 또한, 프라잉율(Q/T)에 대한 AASHTO LRFD에서 규정하고 있는 이론값과 실험값을 회귀분석하여 새로운 간편 이론식을 제안하였다. 마찰접합부 피로실험에서는 마찰계수에 따른 피로강도 평가결과 마찰 계수가 0.4 이상이면 피로등급 B를 만족하며 대부분 모재의 볼트구멍에서 파단이 되었고, 마찰계수가 0.2 이하이면 피로등급 B를 만족하지 못하며 고장력볼트가 파단되었다.
현재 세계 각국에서 생산되고 있는 고장력볼트의 인장강도는 800~1,100MPa급이며, 나사부의 형상은 1982년부터 ISO가 규정한 통일된 규격을 사용한다. 일반적으로 각국의 강구조물 시공현장에서 사용되고 있는 고장력볼트의 인장강도는 1,000MPa급이 주종을 이루고 있으나, 고강도강과 극후판의 개발 및 보급과 강교량 건설기술의 발전에 따른 교량 지간의 장대화로 인하여 강도가 큰 새로운 볼트 개발이 요구되어 왔다. 한편, 반복적인 하중이 작용하는 곳에서 인장접합재로 사용되는 고장력볼트의 인장피로파괴 사례가 발생되어 왔으나 아직까지 우리나라에서는 이에 대한 이론 및 실험적인 연구가 진행되어 오지 못하였다. 따라서, 본 연구에서는 FEM 해석을 수행하여 신나사형상을 개발하였고, 각종 실험을 수행하여 인장강도 1,300MPa급 고장력볼트의 기계적 성능을 검증하였다. 또한, 고장력볼트의 순수인장피로실험과 프라잉작용에 따른 인장피로실험을 수행하였고, 마찰계수에 따른 마찰접합부 피로실험을 수행하여 피로강도를 평가하였다. 신나사형상 개발 연구에서는 나사의 곡률반경, 체결깊이를 고려하여 FEM해석을 수행하여 신나사형상을 제안하였다. 신나사형상은 KS형상에 비해서 응력집중이 감소되고, 볼트와 너트 체결시에 이격거리가 작게 발생되고, 응력분배가 효과적이고, 유효면적이 증가되어 인장강도가 증가된 우수한 나사형상이다. 인장강도 1,300MPa급 고장력볼트 개발 연구에서는 소재실험, 인장실험, 토크실험, 릴랙세이션실험 및 마찰접합부 실험을 수행하여 기계적 성능을 평가하였다. 실험결과에 의하면 한국산업규격 및 도로교설계기준의 요구사항을 만족하는 결과로 나타내었다. 또한, 인장실험과 토크실험결과에 의하면 신나사형상의 인장강도, 연신율 및 응력재분배가 KS형상에 비해 우수하다는 것을 실험적으로 검증하였다. 순수인장피로실험에서는 F8T, F10T, F13T 와 F3T-N 볼트에 대해서 반복횟수 200만회에 95% 하한신뢰도분석을 하여 피로강도를 평가하였고, 우리나라 실정에 맞는 3가지의 피로강도 기준안을 제시하였다. 또한, 신나사형상 볼트의 피로강도가 KS형상 볼트에 비해 32.8%가 증가 되었다. 인장접합부 피로실험에서는 플랜지 두께와 볼트 위치에 따라서 발생하는 프라잉작용이 고장력볼트의 피로강도를 감소시키는 것을 증명하였다. 또한, 프라잉율(Q/T)에 대한 AASHTO LRFD에서 규정하고 있는 이론값과 실험값을 회귀분석하여 새로운 간편 이론식을 제안하였다. 마찰접합부 피로실험에서는 마찰계수에 따른 피로강도 평가결과 마찰 계수가 0.4 이상이면 피로등급 B를 만족하며 대부분 모재의 볼트구멍에서 파단이 되었고, 마찰계수가 0.2 이하이면 피로등급 B를 만족하지 못하며 고장력볼트가 파단되었다.
Tensile strength of the current high strength bolts ranges from 800 and 1,100MPa and the shape of screw thread follows the 1982 ISO specification. Although high strength bolts with tensile strength of 1,000MPa are mainly used in construction site, new high strength bolts with their tensile strength ...
Tensile strength of the current high strength bolts ranges from 800 and 1,100MPa and the shape of screw thread follows the 1982 ISO specification. Although high strength bolts with tensile strength of 1,000MPa are mainly used in construction site, new high strength bolts with their tensile strength above 1,000MPa are also required for long-span bridge and ultra-thick steel plates. The high strength bolts are often subjected to repeated tension-type of loading in which the fatigue failure is a major mode of failure. The fatigue failure of tension bolt has not been well established. Consequently, in this dissertation, we proposed an advanced screw thread shape by using FEM analysis and also verified the mechanical properties in high strength bolts with tensile strength of 1,300MPa by various tests. Furthermore, we performed a pure tensile fatigue test of high strength bolts under tension and a tensile fatigue test of high strength bolts under prying action, also and estimated fatigue strength of slip-resistant connections with different slip coefficients. We proposed an advanced screw thread shape by using FEM analysis considering a the radius of curvature of nut and clamping depth in the area screw thread as major parameters. It was found that proposed new thread shape has many advantages over the KS shape because of following reasons; lesser stress concentration, lower separation of distance between fastening bolt and nut, effectiveness of stress distribution and improvement of effective area. We evaluated the mechanical properties of high strength bolts with 1,300MPa tensile strength by material test, tensile test, torque test, relaxation test, and slip-resistant connections test. The experimental results conform the requirement of both Korean Industrial Standards and Korean Highway Bridge Specification. It is also verified from the tensile test and torque test that the proposed screw thread shape are superior to the KS shape in tensile strength, elongation, and stress re-distribution. We proposed three fatigue strength specifications by performing 95% survival probability analysis for F8T, F10T, F13T, and F3T-N bolt under 2×10^(6) cycles of repeated loading. It is also found the fatigue strength of advanced screw thread bolts is increased 32.8% when compared with KS bolts. It also addressed that the fatigue strength of high strength bolts is substantially decreased by prying action that can be developed according to the flange thickness and bolt location. Furthermore, we proposed an approximate theoretical formula in terms of prying ratio(Q/T) by regression analysis of theoretical values from AASHTO LRFD Specification and experimental fatigue strengths. If the slip coefficient is greater than 0.4, a fatigue test result satisfied the Category B requirements where the fractures of bolt holes in the main plate are found; if the slip coefficient is less than 0.2, the results do not strength the Category B requirements with a fracture in high strength bolts.
Tensile strength of the current high strength bolts ranges from 800 and 1,100MPa and the shape of screw thread follows the 1982 ISO specification. Although high strength bolts with tensile strength of 1,000MPa are mainly used in construction site, new high strength bolts with their tensile strength above 1,000MPa are also required for long-span bridge and ultra-thick steel plates. The high strength bolts are often subjected to repeated tension-type of loading in which the fatigue failure is a major mode of failure. The fatigue failure of tension bolt has not been well established. Consequently, in this dissertation, we proposed an advanced screw thread shape by using FEM analysis and also verified the mechanical properties in high strength bolts with tensile strength of 1,300MPa by various tests. Furthermore, we performed a pure tensile fatigue test of high strength bolts under tension and a tensile fatigue test of high strength bolts under prying action, also and estimated fatigue strength of slip-resistant connections with different slip coefficients. We proposed an advanced screw thread shape by using FEM analysis considering a the radius of curvature of nut and clamping depth in the area screw thread as major parameters. It was found that proposed new thread shape has many advantages over the KS shape because of following reasons; lesser stress concentration, lower separation of distance between fastening bolt and nut, effectiveness of stress distribution and improvement of effective area. We evaluated the mechanical properties of high strength bolts with 1,300MPa tensile strength by material test, tensile test, torque test, relaxation test, and slip-resistant connections test. The experimental results conform the requirement of both Korean Industrial Standards and Korean Highway Bridge Specification. It is also verified from the tensile test and torque test that the proposed screw thread shape are superior to the KS shape in tensile strength, elongation, and stress re-distribution. We proposed three fatigue strength specifications by performing 95% survival probability analysis for F8T, F10T, F13T, and F3T-N bolt under 2×10^(6) cycles of repeated loading. It is also found the fatigue strength of advanced screw thread bolts is increased 32.8% when compared with KS bolts. It also addressed that the fatigue strength of high strength bolts is substantially decreased by prying action that can be developed according to the flange thickness and bolt location. Furthermore, we proposed an approximate theoretical formula in terms of prying ratio(Q/T) by regression analysis of theoretical values from AASHTO LRFD Specification and experimental fatigue strengths. If the slip coefficient is greater than 0.4, a fatigue test result satisfied the Category B requirements where the fractures of bolt holes in the main plate are found; if the slip coefficient is less than 0.2, the results do not strength the Category B requirements with a fracture in high strength bolts.
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