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문제 정의
- 본 논문에서는 판 두께 및 볼트 크기에 따른 고장력 볼트 마찰이 음부의 극한 거동을 3차원 유한 요소 해석과 실험을 통하여 규명하였다. M20.
가설 설정
- 4%로 적용하였다. 단순화된 응력-변형도 곡선식의 좌표값을 표 4에 나타내었으며 볼트의 재료 특성은 탄성-완전소성으로 가정하였다.
제안 방법
- M20. M22. M24의 볼트 및 모재의 두께가 고장력 볼트 마찰이음부에 끼치는 영향을 미끄러짐 하중, 볼트의 변형 및 파괴하중과의 관계와 함께 파악하였다. 마찰 이음부의 극한 거동에 대한 유한요소해석에서, 재료실험을 통하여 실제 사용된 응력-변형도 곡선을 적용하여 초기 미끄러짐 하중 이후의 볼트 접합부의 극한 거동을 분석하였다.
- 또한, 중앙판의 볼트구멍 상단부와 볼트와의 접촉 부분에서 최초 항복이 발생하여 파괴하중에 도달한 경우 볼트의 휨 변위 및 판의 지압변위를 각각 비교하였다. 최초 항복상태에서 12T, 16T, 20T에서 볼트의 휨변위는 0.
- M24의 볼트 및 모재의 두께가 고장력 볼트 마찰이음부에 끼치는 영향을 미끄러짐 하중, 볼트의 변형 및 파괴하중과의 관계와 함께 파악하였다. 마찰 이음부의 극한 거동에 대한 유한요소해석에서, 재료실험을 통하여 실제 사용된 응력-변형도 곡선을 적용하여 초기 미끄러짐 하중 이후의 볼트 접합부의 극한 거동을 분석하였다.
- 본 논문에서는 모재 두께 및 볼트 크기에 따른 고장력 볼트 이음부의 3차원 유한요소해석을 실시하여 실시편의 실험 결과와 비교, 분석을 수행하였다. 실험과 동일한 위치의 변위 및 변형도를 계산하여 하중변위 관계와 하目변형도 관계를 산출한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 볼트의 종류는 M20, M22, M24의 세 종류이고 모재의 두께는 12mm, 16mm, 20mm, 30mm, 40mm이다. 볼트 구멍은 도로교시방서 규정에 따라 볼트지름의 3mm 여유 공간을 두고 천공하였고, 최소 중심간 거리는 볼트 지름의 3배를 기준으로 설정하였다.
- 볼트 체결에 도입되는 축력을 확인하기 위하여, 그림 3과같이 볼트의 머리부분과 와셔에 직경 3nnn의 구멍을 천공하여 변형도게이지를 부착하고 볼트 체결에 도입되는 축력을 확인하였다. 그림 4는 상기와 같이 제작된 실험 시편의 모습이고 이음의 극한 거동을 측정하기 위하여 그림 5(a)와 같이 중앙판과 측면판에 LVDT를 설치하였고 변형도게이지를 그림 5(b)와 같이 부착하여 압축력의 증가로 인한 이음부의 변형을 측정하였다.
- 수 있다. 이때 강재의 응력-변형도 관계는 그림 9와 같이 실제 시편 실험에서 산출된 이음부재의 응력-변형도 곡선을 평균적으로 단순화하여 유한요소해석에 적용하였다. 즉, 변형 경화가 발생하는 변형도를 항복변형도의 10배로 정의하고 경화 구간의 기울기를 탄성구간의 2.
- 이때 강재의 응력-변형도 관계는 그림 9와 같이 실제 시편 실험에서 산출된 이음부재의 응력-변형도 곡선을 평균적으로 단순화하여 유한요소해석에 적용하였다. 즉, 변형 경화가 발생하는 변형도를 항복변형도의 10배로 정의하고 경화 구간의 기울기를 탄성구간의 2.4%로 적용하였다. 단순화된 응력-변형도 곡선식의 좌표값을 표 4에 나타내었으며 볼트의 재료 특성은 탄성-완전소성으로 가정하였다.
- 2mm 정도의 큰 값을 가지는 것으로 계산되었다. 한편, 극한상태에서 볼트와 중앙판의 접촉부에서의 볼트의 휨변위 및 판의 지압 변위 성분을 비교하였다. 12T, 16T, 20T의 경우 극한 상태에서 볼트의 휨변위에 대한 판의 지압변위 비가 약 1.
대상 데이터
- 본 논문에서 연구대상으로 사용된 고장력 볼트 이음부의 형상은 그림 1과 같으며 구제적인 제원은 표 1에 나타나 있다. 볼트의 종류는 M20, M22, M24의 세 종류이고 모재의 두께는 12mm, 16mm, 20mm, 30mm, 40mm이다.
- 볼트의 종류는 M20, M22, M24의 세 종류이고 모재의 두께는 12mm, 16mm, 20mm, 30mm, 40mm이다. 볼트 구멍은 도로교시방서 규정에 따라 볼트지름의 3mm 여유 공간을 두고 천공하였고, 최소 중심간 거리는 볼트 지름의 3배를 기준으로 설정하였다.
- 사용하였다. 이음부재 및 볼트를 8절점 고체요소(C3D8)를 이용하여 모델링하였다. 해석 모델의 기본 형상은 실제 시험체와 동일하게 모델링하였으며, 기하학적 대칭성을 고려하여 그림 8과같이 전체 해석모델의 1/4 모델을 작성하였다.
이론/모형
- 사용되었고, 그 제원은 표 2와 같다. 고장력 볼트의 조임에는 토크법과 회전법이 있으며, 본 논문에서는 토크 법을 사용 도입축력을 확보하였、다. 토크법은 조임 토크와 조임력의 선형관계를 이용한 조임 관리방법이다.
- 본 논문에서는 고장력 볼트 이음부의 해석을 위하여 범용 비선형 유한요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. 이음부재 및 볼트를 8절점 고체요소(C3D8)를 이용하여 모델링하였다.
성능/효과
- 1) 볼트의 크기가 같은 경우 미끄러짐 하중은 모재 두께가 12T, 16T, 20T인 경우 거의 동일하게 계측되었으나, 모재의 두께가 30T, 40T로 두꺼워질수록 미끄러짐 하중이 증가하여 40T인 경우 12T에 비하여 약 27% 증가하였다.
- 2) 동일한 두께를 갖는 시편에 대하여, 볼트의 크기를 증가 시켜 극한 하중을 계측한 결과, M20을 기준으로 M24를 사용한 경우 극한 하중의 증가량은 12T 및 40T에서 각각 4%, 35%로 계측되어, 볼트의 크기 증가에 따른 이음부의 극한하중 증가효과는 박판보다 후판에서 크게 발생하였다.
- 3) 12T와 같은 박판인 경우 극한하중에 도달했을 때 볼트의 휨변형보다 판의 지압 변형이 크게 발생되지만, 40T와 같은 후판의 경우 파괴 시 판의 변형보다 볼트의 전단이 이음부의 파괴를 유발함을 확인하였다.
- 4) 본 논문에서 수행된 고장력 볼트 이음부의 극한 거동에 대한 유한요소 해석결과를 실험결과와 비교한 결과, 외력의 증가와 함께 변화되는 힘-변위 및 힘-변형 도가 잘 일치하게 얻어져서 본 논문에서 작성한 유한요소해석 모델의 타당성을 입증하였다.
- 이는 볼트의 재료 특성을 탄성-완전 소성으로 가정하여 유한요소 해석 수행에 있어서 실험에서 관찰된 볼트의 파단을 모사하지 못한 결과라고 판단된다. 같은 판 두께에 대하여 볼트의 크기를 증가시켜 극한 하중을 계측한 결과, M20을 기준으로 M24를 사용한 경우 극한 하중의 증가량은 12T, 16T, 20T, 30T, 40T에서 각각 4%, 28%, 28%, 37%. 35%로 계측되었다.
- 즉, 30T, 40T의 경우 파괴모드가 판의 지압보다는 볼트의 전단파괴가 지배적으로 나타났기 때문이라고 판단된다. 극한변위는 볼트의 크기 및 판 두께에 따라 발생되는 뚜렷한 특징은 계측되지 않았으나 볼트의 크기가 클수록 볼트의 휨변위가 작게 발생하여 전반적으로 극한변위가 감소하는 경향이 나타났다.
- 그림 15(a)에서 외력의 증가와 함께 발생된 미끄러짐 변위를 확인할 수 있다. 또한, 12T와 같은 박판인 경우 극한하중에 도달했을 때 볼트의 휨 변형보다 판의 지압 변형이 크게 발생되지만, 40T와 같은 후판의 경우 판의 변형보다 볼트의 전단이 파괴를 유발함을 확인할 수 있다.
- 볼트의 크기가 동일한 경우 M24-16T의 경우만 제외하고 모재의 두께가 12T, 16T의 미끄러짐 하중은 크게 변화하지 않게 계측되었으나 30T 이상으로 모재의 두께가 두꺼워질수록 미끄러짐 하중이 증가하여 40T인 경우 12T에 비하여 평균 약 27% 정도 증가함을 확인하였다. 또한, 동일한 볼트를 사용하였을 때에 12T, 16T, 20T로 두께가 증가할수록 극한하중의 증가율은 최대 69%로 계측되었으나 30T에서 40T로 증가하였을 때에 극한하중의 증가율은 크지 않음을 확인하였다. 즉, 30T, 40T의 경우 파괴모드가 판의 지압보다는 볼트의 전단파괴가 지배적으로 나타났기 때문이라고 판단된다.
- 16T에서는 외력이 미끄러짐 하중에 도달하면 모재가 볼트 상, 하단의 여유 공간에 단계적으로 접촉하여 단계적 미끄러짐이 발생하지만 30T에서는 이러한 단계적 미끄러짐보다는 지속적인 변위의 증가가 계측되고 해석결과도 동일하게 계산되었다. 또한, 미끄러짐 이후의 극한 하중에 도달할 때까지의 거동은 해석결과와 계측 결과가 거의 동일하게 얻어지며 각각의 극한하중은 해석치와 실험치가 3%이내의 차이를 보임을 확인하였다.
- 30TCM24) 시편에 대한 유한요소 해석결과와 계측결과 나타난 변형도를 도시하였다. 모든 위치에서 외력의 증가와 함께 변화되는 변형도가 계측결과와 해석치가 거의 동일하게 계산되어 본 논문에서 작성한 유한요소해석 모델의 신뢰성을 확인할 수 있다.
- 표 6에서 Failure Displacement 는 시편이 파괴되었을 때 계측된 변위이다. 볼트의 크기가 동일한 경우 M24-16T의 경우만 제외하고 모재의 두께가 12T, 16T의 미끄러짐 하중은 크게 변화하지 않게 계측되었으나 30T 이상으로 모재의 두께가 두꺼워질수록 미끄러짐 하중이 증가하여 40T인 경우 12T에 비하여 평균 약 27% 정도 증가함을 확인하였다. 또한, 동일한 볼트를 사용하였을 때에 12T, 16T, 20T로 두께가 증가할수록 극한하중의 증가율은 최대 69%로 계측되었으나 30T에서 40T로 증가하였을 때에 극한하중의 증가율은 크지 않음을 확인하였다.
- 이력곡선이다. 외력이 미끄러짐 하중에 도달하기 전에는 볼트의 축응력은 초기 도입축력에 대응하는 일정한 값을 유지하지만, 미끄러짐 하중 이후에는 초기응력의 약 30% 정도 감소하다가 극한하중에 도달하면 급격히 축응력이 감소하는 것으로 나타났다.
- 35%로 계측되었다. 즉, 12T 와 같은 박판에서는 볼트의 크기 증가에 따른 이음부의 극한하중 증가효과가 크지 않음을 확인하였다.
- 모재 두께가 12T인 경우 볼트의 직경에 상관없이 극한하중이 유사하지만, 모재의 두께가 증가할수록 M20과 M24 사용에 따른 극한하중의 증가효과가 커짐을 알 수 있다. 즉, 12T인 경우 M22, M24의 극한 하중은 M20에 대하여 각각 106%, 107%로 거의 동일하지만, 30T의 경우 각각 121%, 134%로 증가함을 알 수 있다. 이는 M20을 기준으로 M22, M24 볼트의 면적비인 121%, 144%와 유사하다.
- 판의 지압변위를 각각 비교하였다. 최초 항복상태에서 12T, 16T, 20T에서 볼트의 휨변위는 0.01mm~0.02mm 정도로 작게 발생하지만 40T와 같은 후판의 경우 약 0.2mm 정도의 큰 값을 가지는 것으로 계산되었다. 한편, 극한상태에서 볼트와 중앙판의 접촉부에서의 볼트의 휨변위 및 판의 지압 변위 성분을 비교하였다.
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