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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 대직경 고장력볼트 마찰 이음부의 안전성 및 경제성을 검토할 목적으로 F10T- M30 대직경 고장력볼트를 사용한 시험편을 대상으로 정적 인장시험을 실시하여 미끄러짐 특성을 평가하였다. 또한 기존 설계된 7경간 연속 2거더교를 대상 교량으로 선정하여 유한요소해석을 실시하고 볼트의 강도등급 및 직경에 따른 소요볼트 개수를 산정하여 대직경 고장력볼트의 적용에 따른 경제성 분석을 실시하였다
- 여기서 DL하중을 재하한 것은 DB하중과 DL 하중에 대한 해석결과 DL하중에서 더 큰 응력이 발생하고 있으므로 도로교설계기준에 따라 더 불리한 응력이 발생하는 DL하중에 대해서 검토하였다. 여기서, W는 12.
제안 방법
- 또한 기존 설계된 7경간 연속 2거더교를 대상 교량으로 선정하여 유한요소해석을 실시하고 볼트의 강도등급 및 직경에 따른 소요볼트 개수를 산정하여 대직경 고장력볼트의 적용에 따른 경제성 분석을 실시하였다
- 한편 고장력볼트의 체결은 토크제어법을 적용하였으며, 예비체결과 본체결로 나누어 예비체결에서는 도입축력의 60%를 체결하고, 본체결에서 표준도입축력까지 체결하였다. 도입축력은 M22 고장력볼트의 경우 도로교표준시방서 (한국도로교통협회, 2005) 상의 설계볼트축력인 200kN에 10% 할증한 220kN 으로 하였으며, M30 고장력볼트의 경우 일본의 上 部構造建設基準 (本州四國連絡橋公団, 1989)의 설계 볼트 축력인 379kN에 10% 할증한 417kN 으로 하였다.
- 2와 같이 1,000kN 용량의 유압식 만능시험기 (일본 Shimadzu사)를 사용하였다. 인장시험시에는 Fig. 3과 같이 시험편에 2개의 변위변환기를 부착하여 모재와 이음판의 상대변위를 즉정하였으며, 이로부터 미끄러짐 발생시의 하중을 구하고 미끄러짐 계수를 평가하였다.
- 대직경 고장력볼트 적용에 따른 경제성 분석을 위하여 본 연구에서는 기존 설계된 7경간 연속 2 거 더 교를 대상교량으로 선정하여 검토를 실시하였다(한국도로공사, 2000). 대상교량의 거더는 SM570 TMCP 강재, 가로보는 SM490 강재, 바닥판은 횡방향 프레스 트레스를 도입한 설계기준강도 40MPa의 PSC 바닥판을 사용하였다.
- 대상교량의 지점부 가로보는 충복식이며, 중간 가로 보는 일반적인【형 단면을 사용하였다. 바닥판은 거더 2(이하 G2로 표기)쪽의 캔틸레버부의 길이가 더 긴 것은 난간 및 차량 방호 울타리의 설치에 의한 것이다.
- 고장력볼트에 의한 경제성 분석을 위해 적용된 교량의 대상구간에 대한 구조해석을 실시하여 대상 구간에서의 단면력을 산정하였다. 구조해석은 범용구조해석 프로그램인 MIDAS 2006을 사용하였다.
- 구조해석에서 각 지점부의 구속 조건은 Fig. 8과같이 실제 교량의 구속조건과 동일하게 하였으며, 각각의 Case에 대하여 동일한 조건에서 구조해석을 수행하였다. 여기서, X방향은 교축방향, Y방향은 교축직각방향, Z방향은 연직방향을 나타낸다.
- 하중재하는 Table 8과 같이 합성전은 바닥판, 거더 및 가로보의 자중을 재하하였고, 합성후는 포장 하중 및 활하중으로 DL하중에 대해 검토하였다. 여기서 DL하중을 재하한 것은 DB하중과 DL 하중에 대한 해석결과 DL하중에서 더 큰 응력이 발생하고 있으므로 도로교설계기준에 따라 더 불리한 응력이 발생하는 DL하중에 대해서 검토하였다.
- 대직경 고장력볼트 이음부의 안전성 및 경제성 검토를 목적으로 M30 대직경 고장력볼트를 적용한 시험편을 대상으로 정적 인장시험을 실시하여 미끄러짐 특성을 파악하고, 대직경 고장력볼트의 경제성 분석을 실시하여 얻어진 결과를 정리하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 시험편의 모재와 이음판은 모두 SM490B 강재이며, 화학성분 및 역학적 성질은 Table 1과 같다.
- 본 연구에서 사용된 시험편은 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 기존의 고장력볼트 마찰이음의 표준시험편의 형상(日本土木學會, 2006)을 적용하였으며, 각 시험편 종류별 제원을 Table 2에 나타내었다.
- Fig. 1 및 Table 2에서와 같이 시험편은 최소연단 거리 40mm, 볼트 중심간 거리(피치) 75iml로 하여 도로교 설계기준 (한국도로교통협회, 2005)을 만족하도록 제작하였다. 그리고 볼트 구멍의 직경은 M22 고장력볼트의 볼트 공칭직경 22mm에 2mm의 여유를 두어 24mm로 하였다(표준공은 24.
- 1 및 Table 2에서와 같이 시험편은 최소연단 거리 40mm, 볼트 중심간 거리(피치) 75iml로 하여 도로교 설계기준 (한국도로교통협회, 2005)을 만족하도록 제작하였다. 그리고 볼트 구멍의 직경은 M22 고장력볼트의 볼트 공칭직경 22mm에 2mm의 여유를 두어 24mm로 하였다(표준공은 24.5mm로 규정되어 있으나 시험편 제작시 볼트구멍 천공작업의 편리성을 위하여 24mm로 하였음).
- 기존 연구 (西村 등, 2001)에 의하면 #인 이음에서는 미끄러짐 내력이 20% 정도 저하하는것으로 보고되어 있다. 본 연구에서는 시험편 Type A에서 M30 고장력볼트 시험편이 항복선행 시험편이다.
- 미끄러짐 하중의 측정을 위한 정적 인장시험eFig. 2와 같이 1,000kN 용량의 유압식 만능시험기 (일본 Shimadzu사)를 사용하였다. 인장시험시에는 Fig.
- 2000). 대상교량의 거더는 SM570 TMCP 강재, 가로보는 SM490 강재, 바닥판은 횡방향 프레스 트레스를 도입한 설계기준강도 40MPa의 PSC 바닥판을 사용하였다. Table 6 및 Table 7에 대상 교량의 일반제원 및 단면제원, Fig.
데이터처리
- 단면력을 산정하였다. 구조해석은 범용구조해석 프로그램인 MIDAS 2006을 사용하였다. 대상 교량의 구조해석 모델 형상을 Fig.
이론/모형
- 체결하였다. 도입축력은 M22 고장력볼트의 경우 도로교표준시방서 (한국도로교통협회, 2005) 상의 설계볼트축력인 200kN에 10% 할증한 220kN 으로 하였으며, M30 고장력볼트의 경우 일본의 上 部構造建設基準 (本州四國連絡橋公団, 1989)의 설계 볼트 축력인 379kN에 10% 할증한 417kN 으로 하였다.
성능/효과
- 판두께 50 이상의 후판 강재의 현장이음시 M22 고장력볼트를 사용하면 볼트 개수가 증가하고, 이음판의 중량이 증가하는 문제점이 발생하기 때문에 현장용접이 적용되나, 현장 용접의 경우에도 용접결함의 발생가능성이 커진다. 따라서 이러한 개소에 M30과 같은 대직경 고장력볼트를 적용하면 기존의 M22 고장력볼트에 비하여 볼트 열수 및 연결판 중량의 측면에서 합리적으로 볼트 연결의 효율성을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 한편 南邦明 등(2006)은 일반 플레이트거더교, 박스거더, 소수거더 및 폭이 좁은 박스거더교와 같은 다양한 교량형식을 대상으로 대직경 고장력볼트의 적용성을 검토한 결과, 극후판을 사용하는 소수거더교및 폭이 좁은 박스거더교의 경우가 볼트개수와 연결판 중량의 저감효과를 나타내어 설계측면에서의 대직경 고장력볼트의 적용성이 높은 교량형식임을 확인하였다. 또한 이들 교량을 대상으로 제작성 등을 포함한 경제성 검토 결과, 소수거더교가 가장 경쟁력이 있는 교량형식임을 확인하였다.
- M22 고장력볼트의 경우 방청처리와 무처리 모두 미끄러짐 하중이 명확하게 나타남을 알 수 있으며, 반면에 M30 고장력볼트의 경우에는 미끄러짐 하중이 명확히 나타나지 않고 미소 미끄러짐이 수회 발생하면서 지압상태에 이르는 것을 알 수 있다. 또한 방청 처리한 경우와 무처리한 경우 모두 미끄러짐 하중은 M30 고장력볼트가 시험편의 단면적 증가 등의 영향으로 M22 고장력볼트 보다 크게 증가하는 것을 알 수 있다.
- Table 5로부터 모재 두께 20mm인 경우의 평균 미끄러짐 하중을 비교하면 무처리볼트의 경우 M22는 399kN, M30은 621kN으로 M30 고장력볼트의 미끄러짐 하중이 약 56% 증가하며, 방청볼트의 경우에는 M22는 461kN, M30은 696kN으로 M30 고장력볼트의 미끄러짐 하중이 약 51% 증가하는 것을 알 수 있다. 또한 후판 강재의 모재 두께 50 mm인 시험편에 대해서도 M30 고장력볼트는 M22 고장력볼트에 비해 무처리와 방청처리 볼트 모두 미끄러짐 하중이 각각 59% 및 54% 증가하는 것을 알 수 있다.
- 알 수 있다. 또한 후판 강재의 모재 두께 50 mm인 시험편에 대해서도 M30 고장력볼트는 M22 고장력볼트에 비해 무처리와 방청처리 볼트 모두 미끄러짐 하중이 각각 59% 및 54% 증가하는 것을 알 수 있다. 이로부터 M30 고장력볼트는 M22 고장력볼트에 비해 볼트 1개당 허용 미끄러짐 내력이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 또한 후판 강재의 모재 두께 50 mm인 시험편에 대해서도 M30 고장력볼트는 M22 고장력볼트에 비해 무처리와 방청처리 볼트 모두 미끄러짐 하중이 각각 59% 및 54% 증가하는 것을 알 수 있다. 이로부터 M30 고장력볼트는 M22 고장력볼트에 비해 볼트 1개당 허용 미끄러짐 내력이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있다.
- 46으로 항복선행시험편 특성으로 다른 시험편에 비하여 미끄러짐계수가 약간 저하하는 경향을 나타내고 있다. 또한 모재 두께 50 mm인 경우에도 M30 고장력볼트 시험편의 미끄러짐 계수는 무처리와 방청처리 볼트 모두 각각 0.44 및 0.48로 나타나, M30 고장력볼트는 도로교 설계기준의 기준인 0.4를 초과하는 미끄러짐 계수를 확보하는 것을 확인할 수 있다. 또한 M30 대직경 고장력볼트에 대한 기존 연구(성택룡 등, 2007)에 의하면 본 연구와 유사한 2열 시험편의 평균 미끄러짐 계수는 모재 두께 70mm인 경우 0.
- 4를 초과하는 것으로 보고하고 있다. 따라서 M30 대직경 고장력볼트를 사용한 마찰이음의 미끄러짐 성능은 M22 고장력볼트와 대등한 것을 확인할 수 있다.
- 소요볼트 개수는 동일 직경인 M22의 경우 F13T 고장력볼트 적용시 21% 감소하며, M30의 F 10T 의 경우 46% 감소하는 것으로 나타나 고장력볼트의 대직경화에 따른 경제성을 확인할 수 있었다. 이러한 연구 경향은 소수거더교에서의 대구경볼트 적용에 따른 경제성 검토의 결과에서 기존에 보고(南邦明 등, 2006)된 47%와 유사한 결과를 나타내고 있어 연구 결과의 타당성을 검증할 수 있었다.
- (1) M30 대직경 고장력볼트를 사용한 경우 미끄러짐 하중은 M22 고장력볼트를 사용한 경우와 비교하여 모재 두께 20mm인 경우에는 무처리와 방청처리 볼트 모두 각각 56% 및 51% 증가하며, 모재 두께 50mm인 경우에도 각각 59% 및 54% 증가하는 것을 알 수 있었다. 이로부터 M30 고장력볼트는 M 22 고장력볼트에 비해 볼트 1개당 허용 미끄러짐 내력이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다
- 알 수 있었다. 이로부터 M30 고장력볼트는 M 22 고장력볼트에 비해 볼트 1개당 허용 미끄러짐 내력이 크게 증가하는 것을 확인할 수 있었다
- (2) M30 고장력볼트의 평균 미끄러짐 계수는 도로교 설계기준의 기준인 0.4를 초과하며, M22 고장력볼트와 동등한 미끄러짐 성능을 확보하는 것으로 나타나 최근 강구조물의 대형화 및 합리화 추세를감안하면 M30 대직경 고장력볼트는 충분한 사용성 및 안전성을 확보하는 것으로 판단된다.
- (3) 고장력볼트의 강도등급 및 직경에 따른 경제성 분석을 실시한 결과, F10T-M22 고장력볼트를 기준으로 하여 F13T-M22 고장력볼트를 적용하면 소요 볼트 개수가 21% 감소하며, F10T-M30 고장력볼트를 적용하면 46% 감소하는 것으로 나타나 고장력볼트의 대직경화에 따른 경제성을 확인할 수 있었다.
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