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문제 정의
- 또한 아직까지 볼트의 체결길이와 이음의 전단면 개수가 체결력 감소율에 미치는 영향에 대해 연구된 결과가 없다. 따라서 본 연구에서는 F13T 볼트를 대상으로 체결길이와 전단면의 개수를 달리한 경우에 대해 볼트축력의 감소율에 대한 연구를 수행하였다.
- 본 연구에서는 F13T 볼트의 시간 경과에 따른 체결력의 변화를 시험을 통하여 측정하고, 그 결과를 분석하였다. 볼트의 종류에 따른 비교를 위해 F10T 볼트를 사용한 경우, 그리고 볼트 이음면의 수와 체결길이 등이 체결력 감소율에 미치는 영향을 검토하기 위해 2면 전단이음 형태로 겹쳐 놓은 판을 관통하여 볼트를 체결한 시험체(이하 이음판시험체), 하나의 블록을 관통하여 볼트를 체결한 시험체(이하 블록시험체), 체결 길이가 서로 다른 경우 등에 대해 시험을 수행하였다.
제안 방법
- 측정한 감소율과 추정모델을 이용하여 계산한 값의 비교를 통하여 추정 모델의 유효성을 검토하였다. 또한 추정 모델을 이용하여 체결력 감소에 영향이 미치는 주요 요소와 볼트 이음부의 설계 및 시공시 주의가 필요한 경우를 제시하였다.
- 볼트의 체결력은 몸체부에서 측정한 변형률을 이용하여 높은 신뢰도로 추정할 수 있는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 시험체의 볼트 체결력 값으로 볼트의 몸체부에서 측정한 변형률과 위의 관계식을 이용하여 산출한 값을 사용하였다.
- 본 실험에서는 이음판 시험체의 경우 50일 이후에도 손실률이 약간 증가하는 경향을 보이고 있으나 실험실의 사정으로 인하여 볼트 축력 이완 실험을 계속할 수 없었다. 본 연구에서는 편의상 추세선을 1년까지 연장시켜서 표 6과 같은 볼트축력 손실률의 실험값을 구했으며, 이 값들을 사용하여 볼트 축력의 이완에 대한 비교, 분석을 수행하였다.
- 볼트 체결 직후부터 1개월 이상 시간의 경과에 따른 볼트의 축력을 측정하였다. 시험체는 온도와 습도의 영향을 받지 않도록 시험시작 1일 전부터 전 시험기간 동안 항온항습실에 보관하였다.
- 볼트 축력손실률 추정모델은 본 논문에서 독창적으로 제안하고, 유효성을 검증하기 위해 실험결과와 비교하였다. 아직까지 국내외에서 볼트 축력의 손실률 계산식이 제시된 것이 없는데, 그 이유는 다음과 같을 것으로 추정된다.
- 볼트의 종류, 볼트 표면처리, 시험체의 종류, 볼트 체결길이 등이 서로 다른 시험체에 대하여 시간 경과에 따른 볼트체결력의 변화를 시험을 통하여 측정하고, 그 결과를 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 F13T 볼트의 시간 경과에 따른 체결력의 변화를 시험을 통하여 측정하고, 그 결과를 분석하였다. 볼트의 종류에 따른 비교를 위해 F10T 볼트를 사용한 경우, 그리고 볼트 이음면의 수와 체결길이 등이 체결력 감소율에 미치는 영향을 검토하기 위해 2면 전단이음 형태로 겹쳐 놓은 판을 관통하여 볼트를 체결한 시험체(이하 이음판시험체), 하나의 블록을 관통하여 볼트를 체결한 시험체(이하 블록시험체), 체결 길이가 서로 다른 경우 등에 대해 시험을 수행하였다. 시험 결과를 분석하기 위해 체결력 감소율을 추정하는 모델을 제시하였고, 시험 결과를 이용하여 추정모델의 미지수 값을 추정하였다.
- 볼트의 종류에 따른 비교를 위해 F10T 볼트를 사용한 경우, 그리고 볼트 이음면의 수와 체결길이 등이 체결력 감소율에 미치는 영향을 검토하기 위해 2면 전단이음 형태로 겹쳐 놓은 판을 관통하여 볼트를 체결한 시험체(이하 이음판시험체), 하나의 블록을 관통하여 볼트를 체결한 시험체(이하 블록시험체), 체결 길이가 서로 다른 경우 등에 대해 시험을 수행하였다. 시험 결과를 분석하기 위해 체결력 감소율을 추정하는 모델을 제시하였고, 시험 결과를 이용하여 추정모델의 미지수 값을 추정하였다. 측정한 감소율과 추정모델을 이용하여 계산한 값의 비교를 통하여 추정 모델의 유효성을 검토하였다.
- 체결력 검증을 위해 F10T-M22 다크로 볼트 4개, F13TM22 일반볼트 4개, F13T-M22 다크로 볼트 4개에 대해 볼트 축력 측정시험을 수행하였다. 볼트 축력의 도입은 토크 제어법으로 실시하였으며, 표준볼트도입축력은 F10T는 220kN, F13T는 286 kN으로 설정하였다.
- 시험 결과를 분석하기 위해 체결력 감소율을 추정하는 모델을 제시하였고, 시험 결과를 이용하여 추정모델의 미지수 값을 추정하였다. 측정한 감소율과 추정모델을 이용하여 계산한 값의 비교를 통하여 추정 모델의 유효성을 검토하였다. 또한 추정 모델을 이용하여 체결력 감소에 영향이 미치는 주요 요소와 볼트 이음부의 설계 및 시공시 주의가 필요한 경우를 제시하였다.
대상 데이터
- 볼트의 체결력 이완은 강종과는 관계가 없을 것으로 예상 되므로 본 실험에서는 쉽게 구할 수 있는 SM490 강재를 시험체 제작에 사용하였다. F13T와 상대적인 비교를 하기위한 시험용 볼트로 F10T는 M22 육각볼트를 선정하였고, F13T 볼트는 M22, TS(torque-shear)볼트를 사용하였다. TS 볼트의 기계적 성능은 육각볼트에 대한 규격과 동일한 기준을 적용하고 있고, 설계기준(도로교설계기준, 2005)에서도 TS볼트와 육각볼트를 동일하게 취급하고 있으므로 TS볼트에 대한 실험결과는 육각볼트의 경우에도 동일하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 볼트의 체결력 이완은 강종과는 관계가 없을 것으로 예상 되므로 본 실험에서는 쉽게 구할 수 있는 SM490 강재를 시험체 제작에 사용하였다. F13T와 상대적인 비교를 하기위한 시험용 볼트로 F10T는 M22 육각볼트를 선정하였고, F13T 볼트는 M22, TS(torque-shear)볼트를 사용하였다.
- TS 볼트의 기계적 성능은 육각볼트에 대한 규격과 동일한 기준을 적용하고 있고, 설계기준(도로교설계기준, 2005)에서도 TS볼트와 육각볼트를 동일하게 취급하고 있으므로 TS볼트에 대한 실험결과는 육각볼트의 경우에도 동일하게 적용될 수 있을 것으로 판단된다. 실험에 사용된 볼트는 표면처리를 하지 않은 흑볼트와 현재 거의 모든 교량용 볼트에 적용하고 있는 다크로 볼트를 사용하였다. 실험에 사용된 볼트의 토크 계수 값은 F10T의 경우 0.
이론/모형
- 체결력 검증을 위해 F10T-M22 다크로 볼트 4개, F13TM22 일반볼트 4개, F13T-M22 다크로 볼트 4개에 대해 볼트 축력 측정시험을 수행하였다. 볼트 축력의 도입은 토크 제어법으로 실시하였으며, 표준볼트도입축력은 F10T는 220kN, F13T는 286 kN으로 설정하였다. 볼트 몸체부에는 대칭이 되도록 2개의 변형률 게이지를 부착하였고, 하중계에 볼트의 축력이 걸리도록 볼트를 설치하고 너트에 토크를 가하여 볼트를 조였다(그림 2.
성능/효과
- (1) 지금까지 볼트이음은 주로 체결길이가 30 mm~60 mm이고, 2면 전단이음에 사용되었으므로 모든 경우에 공통적으로 체결력 10%를 고려하여 사용하는데 큰 문제점이 없었다.
- (3) 접합면의 표면처리가 손실률에 큰 영향을 미치는데, 동일한 표면처리 조건으로 체결길이와 전단면의 수를 달리한 시험을 수행하려면 동시에 시험을 수행하여야 할 시험체 개수가 많아지고, 시험기간이 오래 걸리며, 항온항습 공간이 필요하므로 어려움이 있다.
- 1. 실험에서 측정한 손실률은 모든 경우에 10% 미만인 것으로 나타났다.
- 2. 제시한 손실률 추정모델에 의한 계산값은 실험에서 측정한 손실률 값과 잘 일치하고 있어 적용 타당성이 있는 것으로 평가된다.
- 3. 볼트 종류(F13T, F10T)에 따른 체결력 손실률의 차이는 거의 없는 것으로 나타났다.
- 4. 일반볼트는 다크로 처리한 볼트의 경우보다 손실률의 평균값이 약 30% 작은 것으로 나타났다.
- 5. 블록시험체의 체결력 손실률은 이음판시험체의 경우보다 작으며 볼트의 체결길이에 따른 손실률의 변화도 매우 작은 것으로 나타났다.
- 6. 이음판시험체는 볼트의 체결 길이가 작아질수록 손실률이 급격히 증가하는 경향을 보이고 있다.
- 7. 손실률 추정 모델로 검토한 결과 2면 전단이음의 경우와 2면 전단이음에 채움판 1개를 삽입한 경우에 볼트의 체결 길이가 각각 35 mm 이하, 52 mm 이하이면 손실률이 10%를 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 채움판 등을 사용하여 이음부에서 판의 개수가 많고 볼트의 체결길이가 짧은 경우에는 설계와 시공 단계에서 볼트 체결력의 손실에 대해 사전에 검토하고 품질관리에 주의할 필요가 있을 것으로 판단된다.
- 하중계에 전달된 볼트축력과 볼트 몸체부에 부착한 변형률 게이지의 값을 회귀분석하면 다음 표 5와 같다. 볼트의 체결력은 몸체부에서 측정한 변형률을 이용하여 높은 신뢰도로 추정할 수 있는 것으로 나타났다. 본 연구에서는 시험체의 볼트 체결력 값으로 볼트의 몸체부에서 측정한 변형률과 위의 관계식을 이용하여 산출한 값을 사용하였다.
- 실험에서 측정한 손실률 값과 추정모델에 의한 계산값이 잘 일치하고 있음을 볼 수 있다. 블록시험체의 체결력 손실률은 이음판시험체의 경우보다 작으며 볼트의 체결길이에 따른 손실률의 차이도 매우 작은 것으로 나타났다. 그러나 전단면의 수가 2개인 이음판시험체의 경우에는 볼트의 체결 길이가 작아질수록 손실률이 급격히 증가하는 경향을 보이고 있다.
- 그림 4(c)는 볼트 표면을 다크로 처리한 경우와 별도의 표면처리를 하지 않은 일반 볼트의 경우를 구분하여 나타낸 것이다. 손실률의 평균값을 비교하면 일반볼트는 다크로 처리한 볼트의 경우보다 약 30% 작은 것으로 나타났다.
- 값을 시험체 종류별로 구분하여 그래프로 나타내면 그림 5와 같다. 실험에서 측정한 손실률 값과 추정모델에 의한 계산값이 잘 일치하고 있음을 볼 수 있다. 블록시험체의 체결력 손실률은 이음판시험체의 경우보다 작으며 볼트의 체결길이에 따른 손실률의 차이도 매우 작은 것으로 나타났다.
- 위의 결과에서 볼 수 있는 바와 같이 3개의 판을 겹쳐놓은 형태로 제작한 이음판시험체에 비하여 하나의 블록에 볼트를 체결한 블록시험체의 경우에 축력감소가 상대적으로 작게 나타났다. 이것은 이음판시험체의 경우 접촉면의 불균일한 높이와 도막의 크리프 등으로 시간 경과에 따른 축력 감소가 더 크게 나타난 것으로 판단된다.
- 그러나 전단면의 수가 2개인 이음판시험체의 경우에는 볼트의 체결 길이가 작아질수록 손실률이 급격히 증가하는 경향을 보이고 있다. 이와 같은 추정 모델을 사용하여 2면 전단이음의 경우와 채움판 1개를 사용한 2면 전단이음의 경우에 대해 각각 체결력 손실률을 계산하면 볼트의 체결길이가 각각 35 mm 이하, 52 mm 이하인 경우에는 손실률이 10%를 초과하는 것으로 나타났다. 이음판 접촉면의 표면처리 상태에 따라 손실률이 달라지지만, 특히 채움판 등을 사용하여 전단면의 수가 많고 볼트의 체결길이가 짧은 경우에는 설계와 시공 단계에서 볼트 체결력의 손실에 대해 사전에 검토하고 주의할 필요가 있을 것으로 사료된다.
- 4 kN이다. 인장시험결과 각각 평균 332.2 kN, 418.8 kN 표준편차 1.7과 4.7로써 모두 KS B1010의 규정을 만족하는 것으로 나타났다.
- )를 볼트의 체결길이와 시험체의 형태(이음판시험체 또는 블록시험체)에 따라 구분하여 나타내면 그림 4(a)와 같다. 전체적으로 Rexp/Rcal 값은 체결길이와 시험체의 형태에 관계없이 평균 1.0을 중심으로 일정한 범위에 분포되어 있어 제4.1절에서 제안한 체결력 손실률 추정모델의 적용 타당성이 있는 것으로 평가된다. 볼트의 종류에 따른 손실률의 차이를 검토하기 위해 Rexp/Rcal 값을 F10T와 F13T의 경우로 각각 구분하여 나타내면 그림 4(b)와 같다.
후속연구
- 3에 기술된 경우와 유사한 볼트 이음부에 대해서는 적용 가능하지만 범용으로 사용하기는 어려울 것으로 판단된다. 그러나 다양한 경우에 대한 시험자료가 쌓인다면 통계적으로 분석하여, 규정된 품질관리요건를 만족한 경우에 범용으로 사용할 수 있는 손실률 계산식을 만드는 것도 가능할 것으로 예상된다.
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