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문제 정의
- 각국의 강구조물 시공현장에서 사용되고 있는 고장력볼트는 일반적으로 F10T급이 주종을 이루고 있으나, 고강도강과 극후판의 개발과 교량지간의 장대화로 인하여 강도가 큰 F13T급이 개발되고 있다(KS B 1010, 2004). 그래서 본 연구에서는 고장력볼트 F13T M20를 사용한 경우에 대해서 마찰연결부의 피로강도를 실험하고, 도로교설계기준에 규정하고 있는 피로강도를 만족하는지 여부를 평가하였다. 실험 조건으로는 고장력볼트 F13T M20볼트를 사용하였고, 마찰계수에 따른 연결판의 표면처리상태(러스트, 밀스케일, 블라스트, 페인트)와 연결판의 강종(SS400, SM490A)에 따른 피로실험을 수행하여 마찰연결부의 피로강도와 피로균열에 대해서 분석하였다.
제안 방법
- 표면처리에 따른 마찰계수는 마찰연결부 성능실험에 의한 결과 값을 사용하였다(한국강구조학회, 2005). 고장력볼트 F13T를 사용했을 경우와 모재 및 이음판의 표면처리 조건에 따른 마찰연결부의 피로강도를 평가하기 위하여 일정진폭 인장피로실험을 수행하였다.
- 응력비는 R>0로서 인장파괴가 발생할 수 있도록 하였다. 또한 피로실험 중 반복횟수에 따른 도입축력의 감소율을 일정회수 마다 측정하였고, 실험체가 균열발생 후 파단시까지 피로실험을 진행하였다.
- 본 연구는 고장력볼트 F13T M20을 사용하여 마찰연결부의 피로실험을 수행하였다. 마찰연결부에 사용된 연결판 강종은 SS400과 SM490A를 사용하였고, 표면처리상태는 러스트, 밀스케일, 블라스트 및 페인트 처리를 하여 표면처리상태에 따른 마찰연결부의 성능실험을 하여 각각의 실험체에 대한 마찰계수를 평가하였다. 또한, 마찰연결부의 피로응력 범위는 196.
- 마찰연결부의 피로실험체의 특성은 표 7과 같고, 표면처리는 모재 및 이음판이 동일한 경우와 시공 중에 발생할 수 있는 표면처리가 다른 경우를 고려하여 실험체를 제작하였다. 표면처리에 따른 마찰계수는 마찰연결부 성능실험에 의한 결과 값을 사용하였다(한국강구조학회, 2005).
- 피로실험은 1,000 kN 동적재하 피로실험기기를 이용하여 그림 4와 같이 고장력볼트와 연결재를 셋팅한 후 실험을 실시하였다. 모재의 응력범위 목표값을 200 MPa로 계산하였고, 모재에 스트레인게이지를 설치한 후 정적실험으로 3회이상 반복하여 변형율 값을 계측하여 응력을 산정하였다.
- 본 연구는 고장력볼트 F13T M20을 사용하여 마찰연결부의 피로실험을 수행하였다. 마찰연결부에 사용된 연결판 강종은 SS400과 SM490A를 사용하였고, 표면처리상태는 러스트, 밀스케일, 블라스트 및 페인트 처리를 하여 표면처리상태에 따른 마찰연결부의 성능실험을 하여 각각의 실험체에 대한 마찰계수를 평가하였다.
- 본 연구에서는 마찰계수에 따른 마찰연결부의 피로강도를 평가하기 위해 그림 2와 같이 표준실험체를 제작하였다. 표준실험체는 일본건축학회의 고장력볼트접합설계시공지침(1993)에 준해서 제작하였다.
- 그래서 본 연구에서는 고장력볼트 F13T M20를 사용한 경우에 대해서 마찰연결부의 피로강도를 실험하고, 도로교설계기준에 규정하고 있는 피로강도를 만족하는지 여부를 평가하였다. 실험 조건으로는 고장력볼트 F13T M20볼트를 사용하였고, 마찰계수에 따른 연결판의 표면처리상태(러스트, 밀스케일, 블라스트, 페인트)와 연결판의 강종(SS400, SM490A)에 따른 피로실험을 수행하여 마찰연결부의 피로강도와 피로균열에 대해서 분석하였다.
- 피로실험은 1,000 kN 동적재하 피로실험기기를 이용하여 그림 4와 같이 고장력볼트와 연결재를 셋팅한 후 실험을 실시하였다. 모재의 응력범위 목표값을 200 MPa로 계산하였고, 모재에 스트레인게이지를 설치한 후 정적실험으로 3회이상 반복하여 변형율 값을 계측하여 응력을 산정하였다.
- 하중재하는 일정진폭의 사인파를 적용하였고 하중재하속도는 실험기기 및 각 실험체의 특성을 고려하여 6~8 Hz로 조정하면서 안정적인 하중재하속도를 설정 후 실험을 수행하였다. 응력비는 R>0로서 인장파괴가 발생할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 표준실험체는 일본건축학회의 고장력볼트접합설계시공지침(1993)에 준해서 제작하였다. SM490A강종을 사용한 실험체의 특성은 폭 100 mm, 모재두께 22 mm, 이음판두께 12 mm로 하여 모재의 양측면에 이음판을 붙여 제작하였으며, 볼트 구멍은 직경 20 mm에 2 mm의 여유를 두어 22 mm로 제작하였다. SS400강종 실험체도 SM490A강종 실험체와 동일한 조건이지만 폭은 30 mm를 증가한 130 mm로 제작하였다.
- SM490A강종을 사용한 실험체의 특성은 폭 100 mm, 모재두께 22 mm, 이음판두께 12 mm로 하여 모재의 양측면에 이음판을 붙여 제작하였으며, 볼트 구멍은 직경 20 mm에 2 mm의 여유를 두어 22 mm로 제작하였다. SS400강종 실험체도 SM490A강종 실험체와 동일한 조건이지만 폭은 30 mm를 증가한 130 mm로 제작하였다.
- 마찰연결부에 사용된 고장력볼트는 F13T M20으로써 기존 F10T볼트의 강도보다 30%이상 높은 고장력볼트로서 KS규격에 반영된 볼트이다. 고장력 F13T볼트는 인장강도가 1,300 MPa급으로서 강구조물의 초강도 추세와 경량화 구조에 사용할 수 있는 볼트이다(김진호, 2006).
이론/모형
- 고장력볼트의 체결은 토크제어법에 수동 다이얼 토크렌치로 체결하였다. 고장력볼트 F13T M20에 대한 체결 볼트축력은 도로교설계기준(2005)에 규정된 설계볼트축력 식 (1)을 사용하여 계산하였다. 설계볼트축력에 10%를 증가시킨 236 kN으로 체결하였다.
- 고장력볼트의 체결은 토크제어법에 수동 다이얼 토크렌치로 체결하였다. 고장력볼트 F13T M20에 대한 체결 볼트축력은 도로교설계기준(2005)에 규정된 설계볼트축력 식 (1)을 사용하여 계산하였다.
- 마찰연결부의 피로실험체의 특성은 표 7과 같고, 표면처리는 모재 및 이음판이 동일한 경우와 시공 중에 발생할 수 있는 표면처리가 다른 경우를 고려하여 실험체를 제작하였다. 표면처리에 따른 마찰계수는 마찰연결부 성능실험에 의한 결과 값을 사용하였다(한국강구조학회, 2005). 고장력볼트 F13T를 사용했을 경우와 모재 및 이음판의 표면처리 조건에 따른 마찰연결부의 피로강도를 평가하기 위하여 일정진폭 인장피로실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 마찰계수에 따른 마찰연결부의 피로강도를 평가하기 위해 그림 2와 같이 표준실험체를 제작하였다. 표준실험체는 일본건축학회의 고장력볼트접합설계시공지침(1993)에 준해서 제작하였다. SM490A강종을 사용한 실험체의 특성은 폭 100 mm, 모재두께 22 mm, 이음판두께 12 mm로 하여 모재의 양측면에 이음판을 붙여 제작하였으며, 볼트 구멍은 직경 20 mm에 2 mm의 여유를 두어 22 mm로 제작하였다.
성능/효과
- 1. 고장력볼트 F13T를 사용한 마찰연결부의 실험결과, 표면처리가 러스트, 밀스케일 및 블라스트 처리를 한 마찰연결 부의 실험체는 마찰계수는 0.48~0.59로써 도로교설계기준(2005)에서 규정하고 있는 마찰계수 0.4를 만족하는 것을 확인되었다. 또한, 마찰계수가 0.
- 2. 고장력볼트 F13T를 사용한 경우의 마찰계수가 0.4이상인 경우의 200만회 반복횟수에 따른 피로응력범위는 159.7~193.1 MPa 범위로서 현행 도로교설계기준의 피로등급 B강도인 126 MPa를 만족하였고, 피로등급 B강도보다 피로성능이 우수하게 발휘되고 있음을 알 수 있다.
- 3. 마찰연결부의 파단위치는 모재의 외측 볼트구멍부, 이음판 내측 볼트구멍부, 이음판 중앙부 및 고장력볼트에서 파단되었다. 대분분 볼트구멍부에서 파단되었는 데, 이는 볼트 구멍 가공시 변형 및 구멍주위가 경화된 상태에서 마찰저항에 의해 모재와 이음판이 완전히 일체화되는 영역과 비일체화되는 영역의 경계인 구멍부에 응력집중이 발생되어 피로균열이 발생되었다고 판단된다.
- 4. 마찰계수가 0.2 이하인 페인트 계열의 마찰연결부 피로실험결과에 의하면 연결부는 반복하중에 의해 초기에 슬립이 발생하면서 마찰력을 상실하여 고장력볼트가 전단파괴되었다. 이러한 경우 피로강도는 피로등급 B이하로서 마찰연결부에서 사용해서는 안된다고 판단된다.
- 결과적으로 고장력볼트 F13T를 사용한 마찰연결부도 기존 F10T를 사용한 마찰연결부의 피로강도 실험결과와 동일한 결과를 나타내고 있다. 마찰연결부에서 피로강도는 마찰계수가 0.
- 4를 만족하는 것을 확인되었다. 또한, 마찰계수가 0.4 이상인 경우의 피로강도는 도로교설계기준의 피로강도 B등급을 만족하였다. 마찰계수가 0.
- 4보다 큰 마찰계수를 확보하고 있다. 또한, 반복횟수 200만회일때 피로응력범위는 실험결과 159.7~193.1 MPa범위로서 피로등급 B의 피로응력범위 126 MPa를 만족하고 있어 피로등급 B이상의 피로강도를 확보하고 있음을 알 수다.
- 고장력볼트 F13T를 사용하여 마찰계수에 따른 마찰연결부의 피로강도 실험결과는 그림 6과 같다. 실험결과에 의하면 피로강도는 도로교설계기준 및 AASHTO LRFD에서 제시하고 있는 피로등급 B를 만족하고 있음을 알 수 있다. 피로등급 B를 만족하는 경우는 마찰계수가 0.
후속연구
- 교량에서 고장력볼트를 사용한 마찰연결은 AASHTO LRFD(2004)에서는 교번응력, 충격하중, 심한 진동을 받는 연결부는 마찰연결로 설계해야 한다고 명시되어 있다. 특히, 연결부가 피로하중을 받는 경우, 정규 볼트 구멍보다 직경이 큰 구멍에 체결된 볼트가 전단력을 받는 경우, 슬롯트 홀에 체결된 볼트가 슬롯트에 수직이 아닌 방향의 전단력을 받는 경우, 심한 교번하중을 받는 연결부, 볼트와 용접이 동일한 전단면에서 함께 힘을 전달하는 연결부, 볼트가 축방향 인장력 또는 동시에 축방향 인장력과 전단력을 받는 경우, 압축력만을 받는 연결부, 구조물의 사용성을 확보하기 위하여 연결부의 미끄러짐이 발생하면 안 되는 경우에는 마찰연결로 설계해야한다. 마찰연결은 그림 1과 같이 겹이음(lap splice) 또는 맞대기이음(butt splice) 등이 대표적이다.
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