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문제 정의
- 본 연구에서는 압축력을 받는 고장력 볼트 마찰이음부의 미끄러짐 거동을 3차원 유한요소 해석 및 실험을 통하여 규명하였다. 모재의 두께가 고장력 불트이음부에 끼치는 영향을 미끄러짐 하중, 볼트의 변형 및 파괴하중과의 관계와 함께 파악하였다.
가설 설정
- 그림 5는 인 상태를 나타낸 것이다. 이때는 볼트와 볼트구멍사이의 여유공간(3 mm)인 Δslip만큼 중앙모재와 주변모재 사이에서 미끄러짐이 발생하며 볼트에는 하중이 전달되지 않는다고 가정한다. 이를 식으로 나타내면 식 (3) 과같다.
제안 방법
- 그림 2의 (a)와 같이 길이 5 mm의 변형도 게이지를 볼트 축에 부착하여 가해진 도입축력 값을 상호 비교하였다. 시험체의 정적압축 시험시 미끄러짐 하중에 대한 시편의 미끄러짐을 알아보기 위해서 그림 2 (b)와 같이 LVDT를 중앙모재와 주변모재의 연결부 중앙에 설치하여 상대변위를 측정하였고 변형도 게이지를 (b)와 같이 부착하여 하중 재하시 압축으로 인한 이음판과 모재의 변형정도를 측정하였다.
- 시하였다. 유한요소해석은 탄성모델(EL), 그림 11 (a)와 같은 응력-변형도 관계를 사용한 탄-소성모델 (PL-1), 그림 11 (b)의 응력-변형도를 사용한 탄-소성모델 (PL-2), 그리고 완전탄성-완전소성을 적용한 탄-소성모델 (PL-3) 로 구분하였다.
- 사용하여 모델링하였다. 강판과 강판이 접하는 접촉면에는 Slave Surface와 Master Surface to Surface면으로 정의한 후 두면에 접촉요소(Contact pair) 를 사용하여 모델링한다.
- 또한 중앙볼트에서 단부의 볼트를 향하여 시행하고 볼트 조임에는 1차 예비조임과 본조임으로 나누어 2회 시행하였다. 1차 조임은 도로교시방서에 규정된 소요 토크값의 60 %정도로 전체 볼트를 조였으며 , 본체결은 표준도입축력까지 체결하였다.
- 모재의 두께가 고장력 불트이음부에 끼치는 영향을 미끄러짐 하중, 볼트의 변형 및 파괴하중과의 관계와 함께 파악하였다. 초기 미끄러짐 하중 이후의 볼트의 강성을 고려한 이음부의 거동 모델을 제시하고 유한요소해석 및 실험을 통하여 비교, 분석하였다.
- 범용 구조해석 프로그램에서 절점수와 요소수가 많은 경우 해석수행 시간 및 모델링 작업시간이 많이 소요되게 때문에 그림 8과 같이 시험체의 기하학적 대칭성을 고려하여 전체시편의 1/4로 모델링하였다.
- 본 논문에서는 압축력을 받는 고장력 볼트 이음부의 3차원 유한요소해석을 실시하여 실시편의 실험결과와 비교, 분석을 수행하였다. 실시편의 실험과의 비교를 위해 실험에서 산출된 마찰계수를 사용해 미끄러짐 해석을 실시하였다.
- 지점조건을 부여하였다. 볼트 도입축력은 실제시편 실험에서 도입된 축력 180kN을 인장력 도입하였고, 미끄러짐을 유발시키기 위한 압축력은 중앙판의 상단에 등 분포하중으로 재하하였다.
- 볼트구멍은 시방서 규정에 따라 볼트지름의 3 mm 여유 공간을 두고 드릴 천공하였고, 볼트 중심간 거리가 볼트 지름의 3배 미만인 경우에는 응력의 중첩현상에 의해 응력이 급격히 증가하지만 그 이상의 경우에는 응력의 변화가 크지 않으므로 최소 중심간 거리는 볼트 지름의 3배를 기준으로 천공하였다. 이번 압축시험에 사용된 고장력볼트는 M20이며 모재 두께(12 mm, 16 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm)를 달리하여 총 5회에 걸쳐 수행하였다.
- 유한요소해석 결과 분석에 사용되는 변위량과 변형도 값은 실제 실험의 측정 위치와 동일한 지점의 데이터를 사용하여 비교. 분석하였으며 , 탄-소성 해석시 도입되는 응력-변형도 관계는 그림 11에 도시된 소성거동 구간을 포함하는 3개와 탄성거동 구간에 대해 1개, 총 4개로 각각에 대해 해석하였다. 표 6은 해석에 사용된 응력-변형도 관계식의 변수들이 제시되어 있다.
- 실시편의 실험과의 비교를 위해 실험에서 산출된 마찰계수를 사용해 미끄러짐 해석을 실시하였다. 또한 실험과 동일한 위치의 변위 및 변형도를 계산하여 하중-변위 및 변형도 관계를 산출한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 이번 압축시험에 사용된 고장력볼트는 M20이며 모재 두께(12 mm, 16 mm, 20 mm, 30 mm, 40 mm)를 달리하여 총 5회에 걸쳐 수행하였다.
- 모재의 두께가 고장력 불트이음부에 끼치는 영향을 미끄러짐 하중, 볼트의 변형 및 파괴하중과의 관계와 함께 파악하였다. 초기 미끄러짐 하중 이후의 볼트의 강성을 고려한 이음부의 거동 모델을 제시하고 유한요소해석 및 실험을 통하여 비교, 분석하였다.
대상 데이터
- 고장력볼트는 고장력 육각볼트를 사용하였으며, 재질은 F10T, M20을 사용하였다. 시험체의 형상은 그림 1과 같으며, 시험편의 종류와 치수를 표 1에 나타내었다.
- 시험체는 모재와 고장력 볼트 세트로 구성되는데 모재는 일반구조용 압연강재인 SS400을 사용하였다. 고장력볼트는 고장력 육각볼트를 사용하였으며, 재질은 F10T, M20을 사용하였다.
- 유한요소해석은 실험 시편과 같이 모재 두께별로 총 5개 모델로 실시하였다. 유한요소해석 결과 분석에 사용되는 변위량과 변형도 값은 실제 실험의 측정 위치와 동일한 지점의 데이터를 사용하여 비교.
데이터처리
- 실시하였다. 유한요소해석 결과 분석에 사용되는 변위량과 변형도 값은 실제 실험의 측정 위치와 동일한 지점의 데이터를 사용하여 비교. 분석하였으며 , 탄-소성 해석시 도입되는 응력-변형도 관계는 그림 11에 도시된 소성거동 구간을 포함하는 3개와 탄성거동 구간에 대해 1개, 총 4개로 각각에 대해 해석하였다.
이론/모형
- 고장력 볼트 이음부의 해석을 위하여 범용 비선형 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하였고, 모재 및 볼트를 고체요소(C3D8)로 사용하여 모델링하였다. 강판과 강판이 접하는 접촉면에는 Slave Surface와 Master Surface to Surface면으로 정의한 후 두면에 접촉요소(Contact pair) 를 사용하여 모델링한다.
- 고장력볼트의 체결은 토크 제어법에 의해 실시하였다. 토크법에서 조임토크 T는 식 (1)과 같이 구할 수 있다.
성능/효과
- (1) 압축력을 받는 고장력 볼트 연결부의 실시편 실험과 3 차원 유한요소해석에서 산출된 하중-변위 곡선을 비교한 결과 미끄러짐이 발생하는 외력의 크기는 동일하고 미끄러짐 변위의 크기에 대한 거동이 유사함으로써 미끄러짐 실험의 3차원 유한요소해석의 타당성을 확인하였다.
- (2) 모재 두께가 이음부 미끄러짐 하중에 미치는 영향을 측정한 결과 모재의 두께가 커질수록 초기 미끄러짐 하중은 증가하는 것으로 나타났다. 12T의 경우 초기 미끄러짐 하중은 106.
- (3) 유한요소해석의 하중-변위 그래프를 통해 모재 두께가 두꺼워질수록 해석결과가 실험결과와 유사해짐을 확인하였다. 모재의 두께가 얇은 12T의 경우 실험결과 계측된 극한하중에 대한 유한요소 해석에 의한 극한하중 비가 50 %밖에 미치지 못하지만 16T의 경우는 62 %, 20T와 30T는 65 %, 40T에서는 69 %로 모재의 두께가 커지면서 계산된 극한하중이 실험치에 근접함을 확인하였다.
- (4) 강재의 비탄성 응력-변형도 영역을 표현하는 세가지 해석모델을 사용하여 미끄러짐 거동을 분석한 결과, 대체적으로 실험결과와 유사한 힘-변위 거동 및 하중-변형관계가 계산되었으나, 극한하중 및 극한 변형도는 상대적으로 크게 산출되었으며 이는 비선형 구성방정식의 차이에 기인한 것으로 판단된다.
- 또한, 그림 11 (a) 와 (b)를 사용한 결과인 PL-1과 PL-2 는 거의 유사한 힘-변위 거동을 보여주고 있으며, 완전 탄-소성 관계의 결과인 PL-3는 PL-1 및 PL-2 보다 극한 하중의 크기가 작게 나타나며 이러한 현상은 판의 두께가 작을수록 더욱 뚜렷하게 얻어졌다. 즉, 모재의 두께가 12T일 때 PL-3 에 의한 극한하중은 PL-1에 의한 극한하중의 약 60%이지만 모재의 두께까 40T로 증가하면 그 비율이 90 %로 근접함을 알 수 있다.
- 모재의 두께가 얇은 12T의 경우 실험결과 계측된 극한하중에 대한 유한요소 해석에 의한 극한하중 비가 50 %밖에 미치지 못하지만 16T의 경우는 62 %, 20T와 30T는 65 %, 40T에서는 69 %로 모재의 두께가 커지면서 계산된 극한하중이 실험치에 근접함을 확인하였다.
- 뚜렷하게 얻어졌다. 즉, 모재의 두께가 12T일 때 PL-3 에 의한 극한하중은 PL-1에 의한 극한하중의 약 60%이지만 모재의 두께까 40T로 증가하면 그 비율이 90 %로 근접함을 알 수 있다.
- 이에 반해 20T, 30T, 40T의 경우 모재의 두께가 커서 휨 좌굴 변형은 나타나지 않지만, 볼트의 전단파괴하중에 도달함에 따라 볼트 주변의 국부적인 지압 거동 때문에 변형도의 부호가 압축에서 인장으로 바뀌는 현상이 발생하였다. 판 두께가 작을수록 국부적인 지압 거동이 크게 발생하므로 변형도의 변동 폭도 크게 나타났다.
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