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문제 정의
- 따라서 이러한 문제를 보완할 수 있는 대체기술에 대한 연구개발과 검증실험이 필요한 실정으로, 본 연구에서 제안하고자 하는 방법은 현장에서 토크쉬어볼트 핀테일 파단 시 축력을 측정할 수 있는 검사기 개발을 위하여 고력 볼트 접합에 사용되는 토크쉬어볼트 전용체결기와 결합하여 전동렌치 전류량 및 누적에너지와 축력과의 상관관계를 분석하고, 축력을 측정하는 회귀식과 검사기를 개발하여 통계적으로 검증함으로써 측정데이터의 신뢰도를 높이고자 한다.
- 토크쉬어볼트에 대한 체결 후 축력검사방법은 현재 핀테일 파단 및 너트회전량을 육안으로 검사하는 방법이 사용되고 있지만, 실제 현장에서는 토크계수 변동에 따른 축력저하의 문제점을 인식하지 못하고 핀테일 파단만을 검사하고 있다. 본 연구에서 이러한 문제점을 해결하고자 토크쉬어볼트 전용체결기와 결합하고 전동렌치 전류량 및 누적에너지와 축력과의 상관관계를 분석하여 축력을 측정하는 회귀식을 도출하고 통계적인 검증을 통하여 현장에서 토크쉬어볼트 핀테일 파단 즉시 축력을 측정할 수 있는 검사기를 개발하였다.
제안 방법
- 1차 회귀식 분석결과 축력측정 신뢰도가 43.5%로 낮아 신뢰도가 높은 회귀식을 도출하기 위해 전류값과 축력의 상관도가 높아지도록 전류값의 보정을 실시하였다. 각 조건별로 구해진 축력의 평균값을 실험조건에 따라 3개의 그룹으로 나누어 보면 평균 축력이 191kN, 170kN, 156kN으로 나누어진다.
- 단계적 회귀분석에서 도출된 최적조건의 회귀식을 반영하여 제작될 축력검사기에서 측정된 축력값과 축력계에서 측정된 각각의 값들의 신뢰도를 평가하였다.
- 본 실험에서는 2장에서 기술한 토크쉬어볼트의 체결특성에 따른 문제점인 토크계수가 온도변화와 현장관리에 따라 민감하게 반응하여 체결축력이 저하되기 때문에 현장조사에서 도출된 시공품질관리의 문제점을 실험조건에 반영하여 토크계수 변동에 따른 도입축력에 대한 전류량의 변화를 측정하기 위해 상온정상조건, 수분침수 1초, 수분침수 30분 조건으로 실험변수를 계획하여 핀테일 파단 시 체결축력과 전류량을 측정하였다. 평가대상 고력볼트는 KS B 2819에 규정된 토크쉬어볼트 M20, 길이 85㎜ 이며, 실험변수별 실험체 수량은 Table 2와 같다.
- 1과 같은 전동렌치 작동과정에서 소모되는 전류량을 분석하면 축력을 예측할 수 있다. 실험에서 측정된 데이터는 축력계 측정값과 전류값이며, 전류값은 전동렌치의 기동 전류값부터 볼트 체결이 완료된 시점까지의 전류값과 전류 센서를 이용하여 전동렌치의 구동 시에 사용된 실 전류값을 측정하였다. 데이터는 초당 10,000회의 샘플링으로 오실로스코프를 이용하여 측정하였다.
- 전류센서에서 측정된 볼트 체결 시 실 사용된 전류값이축력으로 변환될 때 영향을 미치는 주요인자는 이원분산 결과 Fig. 4(a)와 같이 p값이 0.05이하로 핀테일 파단 시점 이전의 시간과 최대전류값 대비 비율이 잠재인자로 유의한 것으로 나타났으며, 이를 기준으로 데이터 처리를 하기 위해 기동 전류값을 제외한 최대 전류값으로부터 Fig. 1과 같이 역으로 1.5초, 2.0초, 2.5초 3.0초 동안의 값을 16진법으로 초당 10,000개의 비율로 디지털화한 후, 계산된 15,000개의 데이터 중 최대값 대비 10%~90%까지 10% 단위의 비율 이상 값을 합산하여 회귀식 도출을 위한 전류값으로 사용하였다.
- 축력 검증실험은 Fig. 14와 같이 개발된 축력검사기에 전원을 연결하고 전동렌치를 축력검사기에 연결한 후에 유압식 축력계에 토크쉬어볼트를 가체결하고 축력검사기의 전류값 샘플링 시작스위치를 누른 후 전동렌치로 핀테일을 파단 시킨다. 핀테일 파단이 완료되면 종료 버튼을 누르면 2초정도 후에 축력검사기에 축력값이 표시된다.
- 축력실험은 유압식 축력계(SKIDMORE MS-102, U.S.A)에 토크쉬어볼트를 설치하고 전동렌치(TONE GH-242HRZ/9rpm, 일본)로 핀테일이 파단 될 때까지 체결하였다. 이 실험방법의 기본 원리는 볼트 체결 시 전동렌치의 전력량 변화와 축력의 상관관계를 통해 축력을 산정하는 것으로서, 전력량은 전압과 전류량의 곱으로 이루어지며 이때 교류 전압을 사용하는 전동렌치의 전력량의 시간별 변화량은 전류 값에 의존하기 때문에 Fig.
- 통계적으로 회귀모형에 대한 설명력이 높은 회귀식을 적용하여 시작품으로 제작한 축력검사기에 대하여 실제 현장조건을 적용하여 축력을 측정 시 신뢰성이 있는지 검증하기 위해 현장 적용성 평가를 실시하였다. 실험에 사용된 고력볼트 및 실험조건은 Table 5와 같으며, 각 조건 별로 고력볼트 체결과 동시에 축력계값과 시작품인 축력 검사기에서 구해진 계산 알고리즘에 의한 고력볼트의 축력값을 비교하여 검증하였다.
대상 데이터
- 실험에서 측정된 데이터는 축력계 측정값과 전류값이며, 전류값은 전동렌치의 기동 전류값부터 볼트 체결이 완료된 시점까지의 전류값과 전류 센서를 이용하여 전동렌치의 구동 시에 사용된 실 전류값을 측정하였다. 데이터는 초당 10,000회의 샘플링으로 오실로스코프를 이용하여 측정하였다. 실험장비 구성도는 Fig.
- 실험에 사용된 토크쉬어볼트는 현장에서 실제 사용되는 포장 보관상태의 M20×85mm 이며, A 현장은 축력검사기 개발 실험에 사용된 전동렌치 사용하고, B 현장은 현장에서 체결에 사용되는 전동렌치를 사용하였으며, 실험결과는 Table 7과 같다.
- 본 실험에서는 2장에서 기술한 토크쉬어볼트의 체결특성에 따른 문제점인 토크계수가 온도변화와 현장관리에 따라 민감하게 반응하여 체결축력이 저하되기 때문에 현장조사에서 도출된 시공품질관리의 문제점을 실험조건에 반영하여 토크계수 변동에 따른 도입축력에 대한 전류량의 변화를 측정하기 위해 상온정상조건, 수분침수 1초, 수분침수 30분 조건으로 실험변수를 계획하여 핀테일 파단 시 체결축력과 전류량을 측정하였다. 평가대상 고력볼트는 KS B 2819에 규정된 토크쉬어볼트 M20, 길이 85㎜ 이며, 실험변수별 실험체 수량은 Table 2와 같다.
데이터처리
- 기존 축력검사 기기인 유압식 축력계에서 측정된 축력 값(kN)과 선정된 회귀식에 보정전류값을 적용한 축력값(kN)을 비교하여 실제 측정값과 어느 정도 오차를 보이는지, 또한 신뢰할 만한 값인지를 확인하기 위한 통계적 검증 방법이다. 본 통계학적 접근을 위한 소프트웨어는 Minitab(ver.15)15)를 이용하였으며, 통계학적 검정은 모집단이 2개 있는 모평균을 비교하는 검추정 문제이며, 유압식 축력계에서 얻은 데이터와 선정된 회귀식에서 얻은 데이터가 1:1 대응관계를 형성하기 때문에, 쌍체 t검정을 실시하였다.
- 실험 조건별로 유압식 축력계에 표시된 축력값과 축력 검사기에 표시된 축력값은 Table 6과 같으며, Minitab을 이용하여 쌍체 t검정을 실시하였다.
- 통계적으로 회귀모형에 대한 설명력이 높은 회귀식을 적용하여 시작품으로 제작한 축력검사기에 대하여 실제 현장조건을 적용하여 축력을 측정 시 신뢰성이 있는지 검증하기 위해 현장 적용성 평가를 실시하였다. 실험에 사용된 고력볼트 및 실험조건은 Table 5와 같으며, 각 조건 별로 고력볼트 체결과 동시에 축력계값과 시작품인 축력 검사기에서 구해진 계산 알고리즘에 의한 고력볼트의 축력값을 비교하여 검증하였다.
- 토크쉬어볼트(M20×85)를 이용하여 전동렌치가 고력 볼트 체결에 사용되는 전류량(누적에너지)과 축력과의 상관관계를 분석한 결과, 전동렌치의 전류량 값 중 기동 전류를 제외한 최대값은 핀테일 파단 직전에 나타나며, 최대값으로 부터 역으로 전류량 값을 합산하여 특정 수위 이상의 전류값 힙산과 축력과의 관계를 통계 프로그램(Minitab)과 계산 프로그램(Matlab14), C++)을 사용하여 핀테일 파단직전 3초까지의 데이터중 전류 최대값 대비 0% 이상의 값들의 합산이 축력계에 의한 축력값과 가장 회귀모형에 대한 설명도가 높은 회귀식(R-제곱값 74.5%)을 도출하였다.
성능/효과
- 1차 회귀식에 사용된 전류값(핀테일 파단직전 이전 적산 시간 3.0초와 전류값의 적산 비율 0%~60%)에 Table 4의 가중치를 적용하여 회귀식을 분석한 결과 R제곱값이 61.6%~74.5%로, 보정전 전류값과 비교하여 신뢰도가 171% 향상되었다.
- 5%로 낮아 신뢰도가 높은 회귀식을 도출하기 위해 전류값과 축력의 상관도가 높아지도록 전류값의 보정을 실시하였다. 각 조건별로 구해진 축력의 평균값을 실험조건에 따라 3개의 그룹으로 나누어 보면 평균 축력이 191kN, 170kN, 156kN으로 나누어진다. 전류값과 축력이 일차 함수관계가 되도록 하기위해 평균축력이 170kN(전류값 5108A·s)에서 191kN(전류값 5210A·s)으로 증가시 축력은 11% 증가되었지만 전류값의 변화는 2%만 증가되었기 때문에 축력 상승분을 고려하여 가중치 1.
- 도출된 회귀식을 적용하여 축력검사기의 시제품을 제작하여 측정된 축력에 대한 검증실험 및 철골 조립현장에서 실제 사용되는 토크쉬어볼트에 대한 축력실험 결과를 쌍체 t검정으로 분석한 결과 P값이 0.05이상으로 95% 신뢰구간에서 측정된 축력계(정밀도 ±3%)와 축력검사기에 대한 축력의 차이가 없는 것으로 나타났다.
- 또한, 현장의 볼트 보관상태나 당일 체결 여부에 따라 습기, 녹 등의 원인으로 윤활유의 상태가 변하게 되어 Table 1과 같이 상온의 정상조건 토크계수와 비교하여 조건에 따라 12%~38% 증가되어 일본건축학회 발행 고력볼트 접합설계시공 가이드북10)에서 권장하고 있는 토크계수의 범위 0.110~0.170을 만족하지 못하는 것을 볼 수 있으며, 핀테일 파단 시 체결축력은 표준볼트장력(178kN)과 비교하여 10%~27% 감소함으로서 KS B28196)에서 정한 M20의 체결축력 측정값의 평균값 범위인 172kN~207kN를 벗어난 것을 알 수 있다.
- 선정된 회귀식을 적용하여 추출된 데이터는 핀테일이 파단되기 3.0초전부터 파단점까지의 누적 전류량을 기준으로 하였으며, 최대 전류값 대비 0% 이상의 전류값 적산 결과를 회귀 분석한 축력값 데이터 표본은 90개였으며, 쌍체 t검정 결과는 Fig. 10과 같이 P 값이 0.568로 0.05보다 크므로 귀무가설(H0)을 채택한다. 즉, 유압식 축력계에서 얻은 데이터와 시작품에서 얻은 데이터는 95%의 신뢰도 수준에서 두 축력의 차이가 없는 것으로 판단된다.
- 실험에 사용된 총 90개의 볼트에 대한 축력계값을 기준으로 측정한 전류값과의 관계에서 회귀분석을 실시한 결과 Table 3과 같이 핀테일 파단직전 이전 적산 시간 3.0초와 전류값의 적산 비율 0% ~ 60%까지를 분석한결과 95% 신뢰구간에서 도출된 회귀식의 R-제곱값은 36.6%~43.5%로 신뢰도가 다소 낮게 나타났다. 그중에 30% 전류값 합산이 43.
- 전류값에 대한 적산 시간 및 비율에 대한 최적조건의 회귀식을 도출하기 위해 Fig. 6과 같이 단계적 회귀분석 결과 적산 시간 3.0초와 적산 비율 0%(최대값이 1.2일때 0% 이상인 0 이상의 값들을 적분한 값)의 R-제곱값이 74.5%로 회귀모형에 대한 설명정도가 높은 편이며, F값은 257.56으로 높고 P값은 95% 신뢰수준에서 0.05이하로서 회귀곡선이 매우 유의한 것으로 분석되었다. 통계분석프로그램에서 도출된 회귀식은 아래와 같다.
- 축력검사 결과 A 현장의 경우 축력검사기 축력의 평균 값은 178.82kN으로 축력계에 의한 평균값 184.2kN 보다 3.0% 적게 나타났고, B 현장의 경우도 2.81% 적게 나타났다. 측정된 축력값의 개별값 비교를 위한 쌍체 t검정결과 P값이 0.
- 회귀식의 선정은 R-제곱값이 79.98로 가장 높은 회귀식을 배제하고 계산의 편리성과 프로그램 속도를 고려하여 선정하였으며, 선정된 회귀식에 대한 공선성 분석결과 Fig. 7과 같이 VIF=1.0으로 회귀계수는 의미가 있는 것으로 확인되었으며, 적합선 그림 및 잔차 그림은 Fig. 8 및 Fig. 9와 같다.
후속연구
- 개발된 축력검사기는 시제품으로, 특정규격인 M20×85mm의 토크쉬어볼트에 국한하여 실험된 자료를 바탕으로 회귀식을 도출하였기 때문에 실용화를 위해서는 토크쉬어볼트의 직경별, 길이별로 전류량 측정실험을 실시하여 회귀식을 도출하기 위한 추가실험이 필요하다.
- 축력검사기가 실용화가 되면 철골구조물의 토크쉬어볼트에 대한 축력검사에 활용하여 고력볼트에 도입된 축력을 확인하고 불합격된 볼트는 교환이나 추가체결을 실시하여 한국건축구조 설계기준에서 요구하는 체결축력에 대한 시공품질 향상에 기여할 수 있을 것으로 판단된다.
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