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문제 정의
- 본 연구에서는 KS나사형상의 F8T, F10T, F13T볼트와 신나사형상의 F13T-N볼트에 대해서 인장피로실험을 수행하였다. 피로실험시 프라잉력 및 편심 등의 외력이 작용하지 않도록 특수하게 지그를 제작하여 실험을 하였다.
제안 방법
- 고장력볼트에 대한 피로강도를 평가시 실험결과와 각국의 피로설계기준을 고려하여 우리나라 실정에 맞는 고장력볼트의 피로강도를 제안하였다.
- 실험용 지그는 프라잉작용(prying action)이 발생하지 않고 인장볼트 피로실험이 가능하도록 특수하게 제작하였다. AASHTO LRFD기준(2004)에 의한 프라잉작용은 연결부의 두께(t), 볼트의 중심에서 연단까지의 거리(b), 볼트의 중심에서 연결부의 필렛 용접단까지의 거리(a)에 의해서 발생함으로 프라잉력이 발생하지 않도록 플랜지 두께를 최대한 크게 하여 제작하였다. 또한, 고장력볼트의 조임력(torque)은 강구조편람 (1995)의 토크관리법에 따라 설계볼트장력에 10%를 증가시킨 표준볼트장력에 토크계수치 B범위의 값을 사용하여 볼트를 체결하였다.
- KS나사형상의 F8T, F10T, F13T와 신나사형상의 F13T-N 볼트에 대해서 인장피로실험을 수행하였고, 각각의 볼트에 대한 실험결과를 반복횟수 200만회 기준에 95% 하한신뢰도를 갖는 피로강도를 평가하였다. 고장력볼트의 피로설계기준과 신나사형상의 피로강도 특성에 대하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 고장력볼트 인장피로실험은 1,000 kN 동적재하 피로실험기기를 이용하여 그림 2와 같이 고장력볼트를 셋팅 후 실험을 실시하였다. 정적실험을 통해 응력범위를 3회 이상 반복하여 고장력볼트의 응력을 측정 후 볼트의 공칭응력을 산정하였고, 반복하중에 의해 볼트가 파괴될 때까지 가력하였다.
- 현 도로교설계기준(2005)에서 제시된 고장력볼트의 인장 피로강도는 200만회 이상의 반복하중을 받는 교량과 같은 토목구조물에서 사용하기가 곤란하므로, 우리나라 도로교 설계기준도 200만회 이상에 대한 피로강도기준이 있을 필요가 있다. 고장력볼트에 대한 피로실험 결과를 95% 하한신뢰도 분석하여 200만회 이상의 피로수명에 대한 인장 볼트의 피로강도기준을 다음과 같은 3가지 안을 제시하였다. 첫째, F8T, F10T 및 F13T볼트만을 사용하는 경우는 60 MPa로 통일하는 방안, 둘째, F8T, F10T와 F13T-N볼트를 사용하는 경우는 75 MPa로 통일시키는 방안, 셋째, F8T는 75 MPa, F10T는 80 MPa, F13T는 60 MPa, F13T-N 은 80 MPa로 하여 볼트 종류별로 피로강도를 규정하는 3가지 방안이다.
- 고장력볼트에 대한 피로강도를 평가시 실험결과와 각국의 피로설계기준을 고려하여 우리나라 실정에 맞는 고장력볼트의 피로강도를 제안하였다. 또한, KS나사형상의 고장력볼트와 신나사형상의 고장력볼트에 대한 피로강도에 대해서도 비교 검토하였다.
- 신개발강은 포항산업과학연구원의 연구결과(김진호 등, 2002, 2004, 2005)에 의하면 종래강에 비해서 탄소(C), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등의 성분과 제조과정에서 발생하는 불순물인인(P), 황(S)의 농도를 1/2정도 감소시킨 것이다. 또한, 내지연파괴 물성을 개선하기 위해 바나듐(V : Vanadium), 티타늄 (Ti : Titanium) 등의 성분을 첨가하여 탄, 질화물을 석출시켜 강의 강도 향상에 도움을 줄뿐만 아니라 강내 수소이동을 막아 내지연파괴 물성을 향상시켰다. 종래강과 신개발강의미세구조를 살펴보면 종래강은 경계조건을 따라서 필름 카바이드(film-like carbide)가 생성되며, 신개발강은 경계조건을 따라서 아이솔레이트 카바이드(isolated carbide)가 생성 되어 지연파괴에 대해서 우수한 조직을 갖게 되며, 종래강에 비해 우수한 성능을 가지는 것으로 평가되었다.
- 본 실험에 사용된 고장력볼트는 표 6과 같이 4가지 종류에 대해서 나사형상과 볼트성분을 고려하여 피로실험을 수행하였다.
- 본 실험에서는 연구사례(Nair & Birkemoe, 1974; Bouman, 1979; Kulak & Fisher, 1987; Pirapres & Bruls, 1995)를 분석하여 실험용 지그 제작 및 방법을 결정하였다.
- 볼트성분에 대해서 살펴보면 종래강은 한국산업규격에서 제시하고 있는 성분을 사용하여 F8T와 F10T볼트를 제작하였고, 신개발강은 화학적 성분을 개선하여 내지연파괴물성이 우수한 성분을 사용하여 F13T와 F13T-N볼트을 제작하였다. 신개발강은 포항산업과학연구원의 연구결과(김진호 등, 2002, 2004, 2005)에 의하면 종래강에 비해서 탄소(C), 크롬(Cr), 몰리브덴(Mo) 등의 성분과 제조과정에서 발생하는 불순물인인(P), 황(S)의 농도를 1/2정도 감소시킨 것이다.
- 본 실험에서는 연구사례(Nair & Birkemoe, 1974; Bouman, 1979; Kulak & Fisher, 1987; Pirapres & Bruls, 1995)를 분석하여 실험용 지그 제작 및 방법을 결정하였다. 실험용 지그는 프라잉작용(prying action)이 발생하지 않고 인장볼트 피로실험이 가능하도록 특수하게 제작하였다. AASHTO LRFD기준(2004)에 의한 프라잉작용은 연결부의 두께(t), 볼트의 중심에서 연단까지의 거리(b), 볼트의 중심에서 연결부의 필렛 용접단까지의 거리(a)에 의해서 발생함으로 프라잉력이 발생하지 않도록 플랜지 두께를 최대한 크게 하여 제작하였다.
- 인장볼트 피로실험에 사용된 볼트종류와 볼트 조임력, 응력범위 및 재하속도는 표 7에 나타내었고, 하중재하는 일정 진폭의 사인파(sine wave)를 적용하였다. 하중재하속도는 실험기기 및 각 실험체의 특성을 고려하여 5~10 Hz로 조정하면서 안정적인 하중재하속도를 설정 후 실험을 수행하였고, 응력비는 파라미터로서 반복하중에 의해 볼트에 발생하는 최소응력과 최대응력의 비로서 반복횟수에 따른 교번응력이 인장응력 범위에서 파괴가 발생할 수 있도록 하였다.
- 고장력볼트 인장피로실험은 1,000 kN 동적재하 피로실험기기를 이용하여 그림 2와 같이 고장력볼트를 셋팅 후 실험을 실시하였다. 정적실험을 통해 응력범위를 3회 이상 반복하여 고장력볼트의 응력을 측정 후 볼트의 공칭응력을 산정하였고, 반복하중에 의해 볼트가 파괴될 때까지 가력하였다.
- 고장력볼트에 대한 피로실험 결과를 95% 하한신뢰도 분석하여 200만회 이상의 피로수명에 대한 인장 볼트의 피로강도기준을 다음과 같은 3가지 안을 제시하였다. 첫째, F8T, F10T 및 F13T볼트만을 사용하는 경우는 60 MPa로 통일하는 방안, 둘째, F8T, F10T와 F13T-N볼트를 사용하는 경우는 75 MPa로 통일시키는 방안, 셋째, F8T는 75 MPa, F10T는 80 MPa, F13T는 60 MPa, F13T-N 은 80 MPa로 하여 볼트 종류별로 피로강도를 규정하는 3가지 방안이다. Eurocode(2003)와 JSSC(1993) 기준과 같이 피로강도를 볼트 종류에 관계없이 통일시키는 경우에는 너무 보수적으로 규정된다고 볼 수 있고, AASHTO (2004)와 같이 볼트 종류별로 규정하여 사용할 수 있다고도 판단된다.
- 본 연구에서는 KS나사형상의 F8T, F10T, F13T볼트와 신나사형상의 F13T-N볼트에 대해서 인장피로실험을 수행하였다. 피로실험시 프라잉력 및 편심 등의 외력이 작용하지 않도록 특수하게 지그를 제작하여 실험을 하였다. 고장력볼트에 대한 실험결과는 95% 하한신뢰도를 갖는 신뢰성분석을 수행하여 각각의 볼트에 대해서 피로강도를 평가하였고, 국내외의 고장력볼트에 대한 피로설계기준과 비교 분석하였다.
- 인장볼트 피로실험에 사용된 볼트종류와 볼트 조임력, 응력범위 및 재하속도는 표 7에 나타내었고, 하중재하는 일정 진폭의 사인파(sine wave)를 적용하였다. 하중재하속도는 실험기기 및 각 실험체의 특성을 고려하여 5~10 Hz로 조정하면서 안정적인 하중재하속도를 설정 후 실험을 수행하였고, 응력비는 파라미터로서 반복하중에 의해 볼트에 발생하는 최소응력과 최대응력의 비로서 반복횟수에 따른 교번응력이 인장응력 범위에서 파괴가 발생할 수 있도록 하였다.
대상 데이터
- 고장력볼트의 나사형상은 그림 1과 같이 KS나사형상과 신나사형상 2가지 종류를 사용하였다. KS나사형상은 현재 사용하고 있는 형상의 볼트로서 F8T, F10T 및 F13T 3종류이고, 신나사형상 볼트는 F13T-N볼트로서 FEM해석 및 실험을 통해서 새롭게 제안된 형상의 볼트이다.
데이터처리
- 피로실험시 프라잉력 및 편심 등의 외력이 작용하지 않도록 특수하게 지그를 제작하여 실험을 하였다. 고장력볼트에 대한 실험결과는 95% 하한신뢰도를 갖는 신뢰성분석을 수행하여 각각의 볼트에 대해서 피로강도를 평가하였고, 국내외의 고장력볼트에 대한 피로설계기준과 비교 분석하였다. 고장력볼트에 대한 피로강도를 평가시 실험결과와 각국의 피로설계기준을 고려하여 우리나라 실정에 맞는 고장력볼트의 피로강도를 제안하였다.
이론/모형
- AASHTO LRFD기준(2004)에 의한 프라잉작용은 연결부의 두께(t), 볼트의 중심에서 연단까지의 거리(b), 볼트의 중심에서 연결부의 필렛 용접단까지의 거리(a)에 의해서 발생함으로 프라잉력이 발생하지 않도록 플랜지 두께를 최대한 크게 하여 제작하였다. 또한, 고장력볼트의 조임력(torque)은 강구조편람 (1995)의 토크관리법에 따라 설계볼트장력에 10%를 증가시킨 표준볼트장력에 토크계수치 B범위의 값을 사용하여 볼트를 체결하였다.
성능/효과
- 1. 신나사형상 볼트의 피로강도와 KS나사형상 볼트의 피로 강도를 비교하면 신나사형상 볼트의 피로강도가 32.8%의 피로강도가 증가하였다. 이러한 결과는 나사형상을 개선함으로서 KS나사형상보다도 볼트의 유효면적이 5.
- 2. 현 도로교설계기준(2005)에서 제시된 고장력볼트의 인장 피로강도는 200만회 이상의 반복하중을 받는 교량과 같은 토목구조물에서 사용하기가 곤란하므로, 우리나라 도로교 설계기준도 200만회 이상에 대한 피로강도기준이 있을 필요가 있다. 고장력볼트에 대한 피로실험 결과를 95% 하한신뢰도 분석하여 200만회 이상의 피로수명에 대한 인장 볼트의 피로강도기준을 다음과 같은 3가지 안을 제시하였다.
- 또한, 응력범위가 클수록 파괴형상은 피로파단영역보다도 취성파단영역 및 shear lip영역이 많이 발생함을 알 수 있다. F8T와 F10T볼트에 비해 새롭게 개발된 F13T와 F13T-N볼트는 F8T와 F10T볼트에 비해 취성파괴가 많이 발생하였는데, 이는 새롭게 개발된 볼트가 기존 볼트에 비해 강도가 증가되면서 연성이 작아진 결과라고 판단된다.
- 고장력볼트의 피로강도에 대한 95% 하한신뢰도 분석결과 표 8과 같이 F8T는 83.78 MPa, F10T는 90.29 MPa, F13T는 66.60 MPa 및 F13T-N는 88.46 MPa로 계산되었다. KS나사형상 볼트의 피로강도는 F8T볼트에서 F10T볼트로 강도가 증가되면서 피로강도도 증가하였다.
- 8%의 피로강도가 증가하였다. 나사형상을 개선함으로써 KS나사형상보다도 신나사형상이 응력집중부에서 응력집중이 감소되었고, 볼트와 너트 체결시 각 피치별로 하중분배가 효과적으로 분배가 되어 피로 수명이 증가되었다고 판단된다.
- 둘째, KS나사형상의 F8T, F10T와 신나사형상의 F13T-N 볼트를 사용하는 경우, 최소피로강도인 F8T볼트의 83.78 MPa의 90% 정도인 75 MPa을 적용할 수 있다.
- 6%가 작게 발생하여 작용하중에 따른 하중분배의 효과가 우수한 결과라고 볼 수 있다. 또한 피로강도에 영향을 미치는 최대응력집중계수도 KS나사형상에 비해 신나사형상이 26.7%가 감소하여 피로강도가 개선된 효과라고 판단된다.
- shear lip 영역은 파단시 마지막에 발생 하는 영역으로 급격한 파단모습을 보이며 끝부분이 날카롭게 파단 되었다. 또한, 응력범위가 클수록 파괴형상은 피로파단영역보다도 취성파단영역 및 shear lip영역이 많이 발생함을 알 수 있다. F8T와 F10T볼트에 비해 새롭게 개발된 F13T와 F13T-N볼트는 F8T와 F10T볼트에 비해 취성파괴가 많이 발생하였는데, 이는 새롭게 개발된 볼트가 기존 볼트에 비해 강도가 증가되면서 연성이 작아진 결과라고 판단된다.
- 셋째, 미국의 AASHTO(2004)와 같이 각각의 고장력볼트 종류에 대한 피로강도를 적용시키는 경우에는 피로실험결과의 90% 정도의 값으로 F8T는 75 MPa, F10T는 80 MPa, F13T는 60 MPa, F13T-N은 80 MPa을 적용시킬 수 있다.
- 신나사형상 F13T-N볼트의 피로강도와 KS나사형상 F13T 볼트의 피로강도를 비교하면 F13T-N볼트의 피로강도가 21.86 MPa 만큼 큰 값으로서 32.8%의 피로강도가 증가하였다. 나사형상을 개선함으로써 KS나사형상보다도 신나사형상이 응력집중부에서 응력집중이 감소되었고, 볼트와 너트 체결시 각 피치별로 하중분배가 효과적으로 분배가 되어 피로 수명이 증가되었다고 판단된다.
- KS나사형상은 현재 사용하고 있는 형상의 볼트로서 F8T, F10T 및 F13T 3종류이고, 신나사형상 볼트는 F13T-N볼트로서 FEM해석 및 실험을 통해서 새롭게 제안된 형상의 볼트이다. 신나사형상 볼트는 KS나사형상에 비해 볼트의 유효면적이 5.14%가 증가되었고, 볼트와 너트 체결시에 이격거리도 KS나사형상에 비해 1.6%가 작게 발생하여 작용하중에 따른 하중분배에도 효과적인 형상이다. 또한, 신나사형상 볼트는 피로강도에 영향을 미치는 최대응력집중계수는 26.
- 8%의 피로강도가 증가하였다. 이러한 결과는 나사형상을 개선함으로서 KS나사형상보다도 볼트의 유효면적이 5.14%가 증가하여 고장력볼트의 강도가 증가되었고, 볼트와 너트 체결시 이격거리도 1.6%가 작게 발생하여 작용하중에 따른 하중분배의 효과가 우수한 결과라고 볼 수 있다. 또한 피로강도에 영향을 미치는 최대응력집중계수도 KS나사형상에 비해 신나사형상이 26.
- 또한, 내지연파괴 물성을 개선하기 위해 바나듐(V : Vanadium), 티타늄 (Ti : Titanium) 등의 성분을 첨가하여 탄, 질화물을 석출시켜 강의 강도 향상에 도움을 줄뿐만 아니라 강내 수소이동을 막아 내지연파괴 물성을 향상시켰다. 종래강과 신개발강의미세구조를 살펴보면 종래강은 경계조건을 따라서 필름 카바이드(film-like carbide)가 생성되며, 신개발강은 경계조건을 따라서 아이솔레이트 카바이드(isolated carbide)가 생성 되어 지연파괴에 대해서 우수한 조직을 갖게 되며, 종래강에 비해 우수한 성능을 가지는 것으로 평가되었다.
- 첫째, 신나사형상을 사용하지 않고 KS나사형상의 F8T, F10T 및 F13T볼트만을 사용하는 경우, 최소피로강도인 F13T볼트의 66.60 MPa의 90% 정도인 60 MPa을 적용할 수 있다.
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