최근에는 고장력볼트 마찰이음의 다양화에 대해서 실무적 관점에서부터 각종 실험적 연구가 실시되고 있지만, 이러한 연구 결과가 시방기준의 개정에 반영된 것은 거의 없는 실정이다. 특히 강교량에 있어서는 최근 합리화의 추진이 강하게 대두되고 있으며, 이에 따라 강교의 설계 및 시공상 가장 중요한 부분의 하나인 고장력볼트 이음부의 합리화의 필요성이 커지고 있다. 따라서 본 연구는 고장력볼트 이음부의 설계 및 시공의 합리화를 위한 방향을 제시하고, 설계기준으로의 반영을 위한 기초자료를 제시하기 위하여 고장력볼트 이음부에 관한 국내외의 설계기준을 비교, 검토하여 설계에서 가장 중요한 인자인 미끄러짐 계수, 그리고 볼트 구멍의 크기에 대한 규정을 분석하였다. 한편 과대공 및 축력감소의 영향을 평가하기 위하여 고장력볼트 연결부에 대한 미끄러짐 시험을 실시하여 미끄러짐 거동을 평가하였다. 또한 최근에 수행된 고장력볼트 마찰이음에 관한 연구결과를 토대로 접촉면의 상태에 따른 미끄러짐 계수의 차이, 과대공의 영향, 채움판의 적용, 모재 틈새간격의 영향, 방청볼트의 사용성 등을 평가하였다. 이로부터 미끄러짐 계수의 경우 국내의 시방기준에서는 접촉면의 처리상태에 따라 일률적으로 적용되고 있는데 비하여 외국의 시방기준에서는 접촉면의 처리상태에 따라 세분화하여 규정하고 있다. 따라서 국내의 시방기준에도 접촉면의 처리상태에 따라 미끄러짐 계수를 세분하여 규정하여 설계의 합리화를 추진할 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한 외국의 시방기준에서 적용하는 정도의 과대공을 설계에 반영하면 시공의 효율성을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.
최근에는 고장력볼트 마찰이음의 다양화에 대해서 실무적 관점에서부터 각종 실험적 연구가 실시되고 있지만, 이러한 연구 결과가 시방기준의 개정에 반영된 것은 거의 없는 실정이다. 특히 강교량에 있어서는 최근 합리화의 추진이 강하게 대두되고 있으며, 이에 따라 강교의 설계 및 시공상 가장 중요한 부분의 하나인 고장력볼트 이음부의 합리화의 필요성이 커지고 있다. 따라서 본 연구는 고장력볼트 이음부의 설계 및 시공의 합리화를 위한 방향을 제시하고, 설계기준으로의 반영을 위한 기초자료를 제시하기 위하여 고장력볼트 이음부에 관한 국내외의 설계기준을 비교, 검토하여 설계에서 가장 중요한 인자인 미끄러짐 계수, 그리고 볼트 구멍의 크기에 대한 규정을 분석하였다. 한편 과대공 및 축력감소의 영향을 평가하기 위하여 고장력볼트 연결부에 대한 미끄러짐 시험을 실시하여 미끄러짐 거동을 평가하였다. 또한 최근에 수행된 고장력볼트 마찰이음에 관한 연구결과를 토대로 접촉면의 상태에 따른 미끄러짐 계수의 차이, 과대공의 영향, 채움판의 적용, 모재 틈새간격의 영향, 방청볼트의 사용성 등을 평가하였다. 이로부터 미끄러짐 계수의 경우 국내의 시방기준에서는 접촉면의 처리상태에 따라 일률적으로 적용되고 있는데 비하여 외국의 시방기준에서는 접촉면의 처리상태에 따라 세분화하여 규정하고 있다. 따라서 국내의 시방기준에도 접촉면의 처리상태에 따라 미끄러짐 계수를 세분하여 규정하여 설계의 합리화를 추진할 필요가 있을 것으로 판단된다. 또한 외국의 시방기준에서 적용하는 정도의 과대공을 설계에 반영하면 시공의 효율성을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.
Many studies have been conducted on the high tension bolt friction connection in the view of the field practice. Those effort, however, unfortunately have not been appropriately applied in the design specifications. Recently, particularly for steel bridges, rationalization of design takes greater at...
Many studies have been conducted on the high tension bolt friction connection in the view of the field practice. Those effort, however, unfortunately have not been appropriately applied in the design specifications. Recently, particularly for steel bridges, rationalization of design takes greater attention from designers and hence, demand on rationalization of high tension connection becomes more significant. The purpose of this study is to suggest direction for the rationalization of high tension bolt connection and to also provide fundamental information for the improvement of the design specifications. In order to accomplish the purposes, the design specifications in Korea was analyzed and compared with other specification from abroad, and was studied one of the most important factors including slip coefficient, and the specifications on the size of bolt holes. The effect of over-sized bolt hole and the reduction of axial force on bolt was evaluated through the experimental studies on the slippage of the high tension bolt connections. Other research topics included herein includes the difference of slip coefficients, the effect of over-sized bolt holes and the gap distance of members, and the application of filler plate and corrosion protected bolts. From the research results, it is known that the specifications in Korea apply a constant slip coefficient with respect to the contacted surface conditions while various coefficients are available depending on the contacted surface conditions. Therefore, it is recommended that the specifications in Korea also develop and detail the slip coefficient which can appropriately take account of the variation of the contacted surface conditions. It is also suggested that the limitation abroad on the over-sized bolt hole may be applied for enhancing the effectiveness of construction.
Many studies have been conducted on the high tension bolt friction connection in the view of the field practice. Those effort, however, unfortunately have not been appropriately applied in the design specifications. Recently, particularly for steel bridges, rationalization of design takes greater attention from designers and hence, demand on rationalization of high tension connection becomes more significant. The purpose of this study is to suggest direction for the rationalization of high tension bolt connection and to also provide fundamental information for the improvement of the design specifications. In order to accomplish the purposes, the design specifications in Korea was analyzed and compared with other specification from abroad, and was studied one of the most important factors including slip coefficient, and the specifications on the size of bolt holes. The effect of over-sized bolt hole and the reduction of axial force on bolt was evaluated through the experimental studies on the slippage of the high tension bolt connections. Other research topics included herein includes the difference of slip coefficients, the effect of over-sized bolt holes and the gap distance of members, and the application of filler plate and corrosion protected bolts. From the research results, it is known that the specifications in Korea apply a constant slip coefficient with respect to the contacted surface conditions while various coefficients are available depending on the contacted surface conditions. Therefore, it is recommended that the specifications in Korea also develop and detail the slip coefficient which can appropriately take account of the variation of the contacted surface conditions. It is also suggested that the limitation abroad on the over-sized bolt hole may be applied for enhancing the effectiveness of construction.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 저자 등에 의해 최근에 수행된 고장력볼트 마찰이음에 관한 연구결과를 토대로 설계측면에서는 접촉면의 상태에 따른 미끄러짐 계수의 차이, 과대공의 영향, 축력감소의 영향 그리고 시공측면에서는 채움판의 적용, 모재 틈새간격의 영향, 방청볼트의 사용 등에 주안점을 두고, 국내의 기존 연구를 종합적으로 정리, 비교 분석하여 강교량 합리화를 위해 필수적으로 선행되어야 할 고장력볼트 이음부의 설계 및 시공의 합리화를 위한 방향을 제시하고, 국내 설계기준으로의 반영을 위한 기초자료를 제시하고자 한다.
고장력볼트 이음부의 설계 및 시공의 합리화를 위한 방향을 제시하고, 설계기준으로의 반영을 위한 기초자료를 제시 하기 위한 목적으로 실시된 본 연구로부터 얻어진 결과를 정리하면 다음과 같다.
제안 방법
접촉면의 표면처리 조건에 따른 고장력볼트 이음부의 피로 시험 결과(이승용 외, 1998)를 나타내면 그림 6과 같다. 그림에서 응력범위는 순단면적을 기준으로 계산한 공칭응력을적용하였으며, 고사이클 영역에서의 피로시험을 실시하였다. 대부분의 시험편의 피로파단은 모재의 외측볼트 위치에서 발생하였으며, 피로균열은 볼트 구멍 내벽이나 마찰력으로 모 재와 이음판이 일체로 되는 영역의 경계에서 시작되었다.
한편 과대공이 이음판의 미끄러짐 거동에 미치는 영향을 알아보기 위하여 표 3에 나타낸 것과 같은 M22 고장력볼트를 사용한 경우의 표준공인 직경 24 mm와 과대공인 직경 26 mm(볼트직경＋4 mm)의 시험편을 사용한 미끄러짐 계수 시험을 실시하고, 그 결과를 정리하여 표 5에 나타내었다. 표 5로부터 접촉면의 상태와 미끄러짐 강도항복강도비 β값의 크기에 상관없이 모재와 이음판 모두 표준공인 경우 및 과대공인 경우의 미끄러짐 계수는 큰 차이 없이 거의 동일한 값을 나타내고 있음을 알 수 있다.
이러한 것을 바탕으로 고장력볼트 도입축력의 감소가 이음부의 미끄러짐 거동에 미치는 영향을 조사하기 위하여 도입 축력을 표준도입축력(205.0 kN)보다 각각 75%(153.8 kN) 및 50%(102.5 kN) 감소시킨 표 3에 나타낸 축력감소 시험편에 광명단과 징크리치페인트를 사용한 표면조건을 달리한 시험편을 대상으로 미끄러짐 시험을 실시하여 표면조건 및 도입 축력과 미끄러짐 하중의 관계를 그림 7에 나타내었다. 그림 7로부터 도입축력을 75% 및 50% 감소시킨 경우 미끄러짐 하중은 마찰면을 광명단 처리한 경우 각각 82%와 64% 감소하는 것을 알 수 있으며, 마찰면을 무기징크 프라이머한 경우에도 각각 84%와 56% 감소하는 것을 알 수 있다.
대상 데이터
한편 국내에서 실시된 각종 접촉면의 처리상태에 따른 미끄러짐 계수의 연구결과(이승용, 1998; 이승용 외, 1999; 이승용 외, 2000; 박용명 외, 2000)를 정리하여 그림 3에 나타내었다. 본 연구에서 적용한 시험편은 기존의 고장력볼트 마찰이음의 표준시험편의 형상 및 제원(日本建築學會, 1993)을 고려하였으며, 그 일례 및 제원을 그림 4 및 표 3에 나타내었다. 그림 3에 나타낸 접촉면의 처리조건에 따른 미끄러짐 계수를 보면 흑피제거를 위해 밀링연마한 경우 0.
성능/효과
6 이상의 미끄러짐 계수를 나타내고 있다. 또한 브라스팅 시험체의 경우 대기 중에 폭로한 후 표면 청소방법에 따라 미끄러짐 계수는 청소하지 않은 표면, 수동솔질한 표면, 전동솔질한 표면 순으로 크게 나타났다.
방청처리 볼트에 대한 시간경과에 따른 볼트 축력의 감소율(릴렉세이션)과 미끄러짐 계수를 측정한 결과(이승용 외, 1999)는 그림 13과 같다. 그림 13(a)로부터 시간경과에 따른 축력의 감소율은 방청처리한 경우와 무처리한 경우 모두 큰 차이없이 시방기준인 10%를 초과하지 않는 것을 알 수 있다. 또한 그림 13(b)에 나타낸 바와 같이 방청처리를 실시하여도 미끄러짐 계수는 도로교 설계기준을 충분히 만족하고 있으며, 또 무처리한 경우와 비교하여 동등 이상의 성능을 발휘하는 것을 알 수 있다.
2. 외국의 시방기준에서 허용하고 있는 「볼트직경＋4 mm」 의 과대공은 표준공과 비교하여 이음부의 미끄러짐 거동에 미치는 영향이 거의 없는 것을 알 수 있다.
3. 도입축력이 감소한 경우에는 미끄러짐 하중이 현저히 감소하여 미끄러짐 내력의 저하가 큰 것으로 나타났다. 따라서 고장력볼트의 체결시 도입축력의 관리는 고장력볼트 이음부의 미끄러짐 내력에 큰 영향을 미치는 중요한 요인임을 알 수 있다.
4. 접촉면의 표면처리 조건에 따라 미끄러짐 계수의 차이가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 실제 구조물에서 안정된 미끄러짐 계수를 확보하기 위해서는 접촉면의 처리가 중요한 요소임을 알 수 있다. 또한 접촉면에 도장을 실시할 경우에는 소요의 도막두께를 확보하는 것이 중요할 것으로 판단된다.
후속연구
그리고 이음부 양쪽 모두에 채움판을 사용한 경우에는 채움판을 사용하지 않았을 때와 비교하여 미끄러짐 계수가 동등 이상의 값으로 나타나 마찰이음의 미끄러짐 거동 측면에서는 문제가 없을 것으로 판단되나, 채움판의 삽입에 따른 휨모멘트의 증가로 인하여 실제 교량에 적용하기 위해서는 응력변화에 대한 충분한 검토가 실시되어야 할 것으로 생각된다.
따라서 향후 장대교량의 가설과 함께 대블럭 가설의 증가 및 삽입부재의 가설증가가 예상되므로 제작오차나 가설오차에 의해 불가피하게 시방기준의 허용오차를 초과하는 경우가 발생할 수 있으므로 현장에서의 이음부의 틈새가 고장력 볼트 마찰이음의 거동에 미치는 영향을 검토할 필요 있을 것으로 생각된다.
이로부터 마찰계수만을 기준으로 하는 경우 틈새간격은 마찰이음의 거동에는 거의 영향을 미치지 않으나, 이음부의 마찰거동과 관련한 면내변형 및 국부적인 면외변형을 고려하면 틈새간격 20 mm 정도까지는 마찰이음 거동에 영향을 주지 않을 것으로 판단된다. 그러나 시험편 크기에 따른 치수 효과 등의 영향에 의해 실제 구조물에 대한 정량적인 효과는 향후 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고장력볼트 이음부의 설계에서 가장 중요한 인자는 무엇인가?
고장력볼트 이음부의 설계에서 가장 중요한 인자인 미끄러짐 계수에 대해서 국내의 설계기준에서는 접촉면의 처리상태에 관계없이 일률적으로 규정하고 있으나, 이를 외국의 설계기준에서 적용하는 수준으로 접촉면의 처리상태에 따라 세분화하면 설계의 합리화를 도모할 수 있다. 또한, 최근 장대교량의 건설의 증가에 따른 부재 치수의 대형화와 대블럭 가설의 증가에 따라 부재의 조립을 원활하게 하기 위해서는 과대공의 허용이 불가피하다.
고장력볼트 마찰이음에서 현장 이음 시 구조부재들 사이에 거의 완벽한 정렬을 요구하게 되는 것은 무엇인가?
고장력볼트 마찰이음에 있어서 볼트 구멍의 직경의 제한은 현장이음시 구조부재들 사이에 거의 완벽한 정렬을 요구하게 된다. 그러나 실제조건에서는 때때로 구조물의 한쪽이 태양이나 찬바람에 노출되어 부재의 팽창이나 수축이 일어나게 되고 이것은 조립시 구멍간의 정확도를 떨어뜨린다.
고장력볼트 이음부의 설계 및 시공의 합리화를 위한 방향을 제시하고, 설계기준으로의 반영을 위한 기초자료를 제시 하기 위한 목적으로 실시된 본 연구로부터 얻어진 결과는?
1. 국내의 시방기준에서는 미끄러짐 계수를 접촉면의 처리상태에 따라 일률적으로 적용하고 있으나, 외국의 시방기준에서는 접촉면의 처리상태에 따라 세분화하여 규정하고 있다. 따라서 국내의 시방기준에도 접촉면의 처리상태에 따라 미끄러짐 계수를 세분하여 규정함으로서 설계의 합리화를 추진할 필요가 있을 것으로 판단된다.
2. 외국의 시방기준에서 허용하고 있는 「볼트직경＋4 mm」 의 과대공은 표준공과 비교하여 이음부의 미끄러짐 거동에 미치는 영향이 거의 없는 것을 알 수 있다.
3. 도입축력이 감소한 경우에는 미끄러짐 하중이 현저히 감소하여 미끄러짐 내력의 저하가 큰 것으로 나타났다. 따라서 고장력볼트의 체결시 도입축력의 관리는 고장력볼트 이음부의 미끄러짐 내력에 큰 영향을 미치는 중요한 요인임을 알 수 있다.
4. 접촉면의 표면처리 조건에 따라 미끄러짐 계수의 차이가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 실제 구조물에서 안정된 미끄러짐 계수를 확보하기 위해서는 접촉면의 처리가 중요한 요소임을 알 수 있다. 또한 접촉면에 도장을 실시할 경우에는 소요의 도막두께를 확보하는 것이 중요할 것으로 판단된다.
5. 도로교설계기준에서 허용하고 있는 모재 두께의 1/2까지 채움판의 적용이나 모재 사이의 틈새간격을 20 mm 정도까지 허용하여도 이음부에 미치는 영향은 거의 없을 것으로 판단되나 실제 적용에서는 현장상황을 고려하는 등의 주의가 필요하다. 또한 방청볼트의 사용으로 이음부의 부식을 최소화할 수 있을 것으로 판단된다.
참고문헌 (25)
박용명, 성택룡(2000) 내후성강재 고장력볼트 이음부 미끄러짐 계수 평가 실험(I)(II). 한국강구조학회논문집, 한국강구조학회, 제12권 제2호, pp. 167-185
Akira Nishimura, Jira Tajima, Tokuya Yamasaki and Shinzo Kikukawa (1982) The aging of high strength bolted joints in long service. IABSE symposium on maintenance, repair and rehabilitation of bridges, Washington D.C. Final Report
BS (1982) BS 5400, Part 3, Code of Practice for Design of Steel Bridges
BS (2000) BS 5400, Part 3, Code of Practice for Design of Steel Bridges
ECCS (1985) European Recommendations for Bolted Connections in Structural Steelwork
Eurocode (2003) Part 2, Steel Bridges
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