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문제 정의
- 본 연구에서는 인장강도 1,300 MPa급의 고장력볼트를 개발하기 위하여 한국산업규격으로 규정된 나사형상 보다도 응력집중이 완화되고 응력이 균일하게 분포하여 볼트의 인장강도 및 피로강도가 향상된 신나사형상을 해석적 제안 및 실험적인 검증을 수행하였다. 해석적연구에서는 기존 나사형상에 대한 특성을 분석하여 나사형상을 개선한 신나사형을 제안하였다.
가설 설정
- 실험은 그림 15와 같이 실험체 변형량 측정은 실험체의 중앙부에 부착한 스트레인게이지와 실험용 지그에 설치한 변위계에 의해 측정하였으며 가력은 볼트가 파단될 때까지 실시하였다.
제안 방법
- 2. N2형상에서 너트의 체결깊이(H1)를 변화시키면서 분석한 결과에 의하면 체결깊이, 응력집중 및 나사의 전단높이를 고려하여 체결깊이가 H1=0.4674H로 하는 N2-4형상을 신나사형상으로 제안하였다. 제안된 신나사형상(N2-4)과 KS형상의 볼트와 너트 체결 후의 구조해석결과에 의하면 신나사형상(N2-4)은 응력집중이 작게 발생하고, 볼트와 너트사이에 이격거리도 작게 발생하여 볼트와 너트사이의 체결력 확보와 하중분배 효과가 우수하다고 평가되었다.
- KS형상과 제안된 N2-4형상이 볼트와 너트가 체결시의 거동에 대해서 FEM해석을 통해서 비교 검토하였다. 볼트와 너트 체결시 최대응력집중계수와 체결부 나사골에서 각각의 응력집중계수 분포와 장력도입으로 인한 볼트와 너트간의 이격거리의 변화에 대해서 검토하였다.
- 4674H로써 응력집중은 다소 증가 되었지만 가장 깊은 체결깊이와 전단높이를 확보하고 있어 가장 안전한 형상이라고 할 수 있다. N2-4형상은 N2형상에 비해 체결깊이는 24.6%, 전단높이 18.7%가 증가되어 고장력볼트의 기계적 성능이 우수하다고 판단되어 N2-4형상을 신나사형상으로 제안하고자 한다.
- 1% 감소하였다. N2와 N3형상의 응력집중계수 및 응력분포는 거의 비슷한 경향을 보이고 있으나, 본 연구에서는 가장 최대응력집중계수가 작고, 볼트 제작시에 가공 용이성을 고려하여 N2형상을 새로운 나사형상으로 결정하였다.
- N2형상을 기준으로 하여 너트 체결깊이(H1)를 변화시키면서 그림 9와 같이 나사형상을 만들었다. 각 모델의 형상과 사이즈는 나사선 기울기와 나사 곡률반경에 따른 상호관계를 계산하여 각각의 형상을 결정하였다. 너트 체결깊이(H1)가 증가하면서 곡률반경 H/6의 높이는 0.
- 고강도 고장력볼트에 효율적인 신나사형상을 개발하기 위하여 유한요소프로그램을 사용하여 각종 나사형상에 대한 정밀구조해석을 수행하였다. 기존 나사형상에 대한 특성분석, 곡률반경에 따른 영향, 너트와의 체결깊이에 따른 영향 및 볼트와 너트 체결시에 따른 영향을 해석하여 신나사형상을 제안하였다.
- 구조해석에 사용된 제원은 표 1과 같이 나사형상별 특성을 고려하여 모델링 및 해석을 수행하였다. 구조해석시 나사선 국부에 집중되는 응력의 크기를 정확하게 산출하기 위하여 그림 2와 같이 요소 한변의 길이를 나사선 곡률반경의 1/10 정도로 정교하게 분할하였다. 구조해석모델은 나사선을 1/2 축대칭 QAX8(axisymmatric solid)요소의 절점 4변형요소를 사용하여 모델링하였다.
- 구조해석에 사용된 제원은 표 1과 같이 나사형상별 특성을 고려하여 모델링 및 해석을 수행하였다. 구조해석시 나사선 국부에 집중되는 응력의 크기를 정확하게 산출하기 위하여 그림 2와 같이 요소 한변의 길이를 나사선 곡률반경의 1/10 정도로 정교하게 분할하였다.
- N2형상은 현재 KS형상보다도 너트와의 체결깊이(H1)가 작기 때문에 새로운 고장력볼트를 개발했을 때 볼트와 너트의 체결시 높은 장력에 의한 풀림, 휨에 의한 너트의 벗겨짐 및 너트 산이 전단파괴가 발생하는 위험성이 있다. 그래서 너트 체결깊이(H1)를 변수로 나사형상을 개선 하여 구조해석을 수행하였다.
- 고강도 고장력볼트에 효율적인 신나사형상을 개발하기 위하여 유한요소프로그램을 사용하여 각종 나사형상에 대한 정밀구조해석을 수행하였다. 기존 나사형상에 대한 특성분석, 곡률반경에 따른 영향, 너트와의 체결깊이에 따른 영향 및 볼트와 너트 체결시에 따른 영향을 해석하여 신나사형상을 제안하였다. 또한, 인장강도 1,300 MPa급의 고장력볼트인 KS형상을 적용한 F13T 볼트와 구조해석적으로 제안된 신나사형상을 적용한 F13T-N 볼트에 대해서 기계적 성능평가를 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 그러나, 나사골 형상을 한 개의 곡률반경으로 규정하는 것 보다는 응력집중이 큰 나사골 심부에서는 곡률반경을 크게 하고 프랭크에 인접한 부분에서는 곡률반경을 작게 하는 것이 응력집중을 완화시킬수 있는 효율적인 형상으로 분석되었다. 따라서, KS형상은 나사골 곡률반경이 H/6이지만, 새로운 N2형상은 나사골에서는 곡률반경 2H/3이고 프랭크의 곡률시작점에서는 곡률반경 H/6으로 구성한 나사형상을 제안하였다. 해석결과에 의하면 N2형상은 KS형상에 비해 응력집중이 감소되고 응력분포가 보다 균등하게 분포하였다.
- 최종적으로는 볼트와 너트 체결시에 응력집중계수 완화효과와 이격거리에 대해서 상호비교분석하였다. 또한, 실험적연구에서는 기존 나사형상(F13T)과 신나사형상(F13T-N)을 적용한 볼트를 제작하고 인장실험을 수행하여 인장강도 및 변형량 등에 대해 평가 및 분석하였다.
- 기존 나사형상에 대한 특성분석, 곡률반경에 따른 영향, 너트와의 체결깊이에 따른 영향 및 볼트와 너트 체결시에 따른 영향을 해석하여 신나사형상을 제안하였다. 또한, 인장강도 1,300 MPa급의 고장력볼트인 KS형상을 적용한 F13T 볼트와 구조해석적으로 제안된 신나사형상을 적용한 F13T-N 볼트에 대해서 기계적 성능평가를 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- KS형상과 제안된 N2-4형상이 볼트와 너트가 체결시의 거동에 대해서 FEM해석을 통해서 비교 검토하였다. 볼트와 너트 체결시 최대응력집중계수와 체결부 나사골에서 각각의 응력집중계수 분포와 장력도입으로 인한 볼트와 너트간의 이격거리의 변화에 대해서 검토하였다. 해석방법은 볼트와 너트사이에 경계조건은 슬라이드라인(slideline)을 사용하였고, 슬라이드라인에서 볼트의 나사선을 주(master)로, 너트의 나사선을 종(slave)으로 규정하였다(LUSAS, 2005).
- 해석적연구에서는 기존 나사형상에 대한 특성을 분석하여 나사형상을 개선한 신나사형을 제안하였다. 신나사형상에 대한 구조해석은 나사의 곡률반경, 나사골의 체결깊이 및 볼트와 너트 체결시의 거동에 대해서 해석하였다. 최종적으로는 볼트와 너트 체결시에 응력집중계수 완화효과와 이격거리에 대해서 상호비교분석하였다.
- 신나사형상은 그림 5에서 곡률반경을 변화 시키면서 그림 6과 같이 3가지 형상을 제안하였다. 나사형상의 기울기, 피치(pitch), 기준산 높이 및 외직경은 동일하다.
- 신나사형상에 대한 구조해석은 나사의 곡률반경, 나사골의 체결깊이 및 볼트와 너트 체결시의 거동에 대해서 해석하였다. 최종적으로는 볼트와 너트 체결시에 응력집중계수 완화효과와 이격거리에 대해서 상호비교분석하였다. 또한, 실험적연구에서는 기존 나사형상(F13T)과 신나사형상(F13T-N)을 적용한 볼트를 제작하고 인장실험을 수행하여 인장강도 및 변형량 등에 대해 평가 및 분석하였다.
- 볼트와 너트 체결시 최대응력집중계수와 체결부 나사골에서 각각의 응력집중계수 분포와 장력도입으로 인한 볼트와 너트간의 이격거리의 변화에 대해서 검토하였다. 해석방법은 볼트와 너트사이에 경계조건은 슬라이드라인(slideline)을 사용하였고, 슬라이드라인에서 볼트의 나사선을 주(master)로, 너트의 나사선을 종(slave)으로 규정하였다(LUSAS, 2005).
대상 데이터
- 구조해석시 나사선 국부에 집중되는 응력의 크기를 정확하게 산출하기 위하여 그림 2와 같이 요소 한변의 길이를 나사선 곡률반경의 1/10 정도로 정교하게 분할하였다. 구조해석모델은 나사선을 1/2 축대칭 QAX8(axisymmatric solid)요소의 절점 4변형요소를 사용하여 모델링하였다. 하중은 볼트상부에 면하중으로 재하하였고, 경계조건은 볼트하단부를 하중재하방향에 대해서 구속하였다(LUSAS, 2005).
- 인장실험은 한국산업규격 KS B 1010 규정에 준하여 실험하였다(한국표준협회, 2004). 실험대상은 1,300 MPa급의 고장력볼트인 KS형상의 F13T 볼트와 신나사형상(N2-4형상)을 적용하여 제작한 F13T-N 볼트에 대해서 볼트의 인장강도 성능과 변형성능의 특성치를 파악하기 표 2와 같이 실험을 수행하였다.
이론/모형
- 도로교설계기준(2010)의 규정에 준하여 설계볼트장력은 F13T 볼트의 항복강도와 유효단면적의 곱에 75%를 사용하였고, 표준볼트장력은 축력감소율을 고려하여 설계볼트장력에 1.1배를 사용하였다.
- 볼트와 너트 체결시에 발생하는 마찰계수는 한국산업규격(2004)에 규정된 B인 0.150~0.190의 값을 사용하였고, 해석시 마다 마찰계수를 0.01씩 증가 시켰다. 해석결과는 각각의 피치에서 발생하는 최대값을 사용하였다.
- 인장실험은 한국산업규격 KS B 1010 규정에 준하여 실험하였다(한국표준협회, 2004). 실험대상은 1,300 MPa급의 고장력볼트인 KS형상의 F13T 볼트와 신나사형상(N2-4형상)을 적용하여 제작한 F13T-N 볼트에 대해서 볼트의 인장강도 성능과 변형성능의 특성치를 파악하기 표 2와 같이 실험을 수행하였다.
성능/효과
- 1. 나사형상에 따른 구조해석결과에 의하면 KS형상의 나사를 포함한 기존 나사에서는 최대응력집중이 나사골에서 발생하였고, 나사골에서 프랭크에 가까워짐에 따라 응력집중은 일정하게 감소하였으며, 나사골의 곡률반경이 클 수록 응력집중 감소 효과가 있음을 알 수 있었다. 그러나, 나사골 형상을 한 개의 곡률반경으로 규정하는 것 보다는 응력집중이 큰 나사골 심부에서는 곡률반경을 크게 하고 프랭크에 인접한 부분에서는 곡률반경을 작게 하는 것이 응력집중을 완화시킬수 있는 효율적인 형상으로 분석되었다.
- 3. 인장강도 1,300 MPa급의 고장력볼트를 대상으로 한국산업규격에서 요구하는 인장실험결과 신나사형상(F13T-N) 볼트는 KS형상(F13T) 볼트에 비해 평균적으로 항복하중은 12.11%, 최대인장하중은 12.02%, 피단하중은 8.96%의 하중증가 개선효과가 있었다. 또한, 볼트의 변형량 및 연신율에 대해서 평균값을 사용하여 분석하면 F13T-N 볼트가 최대인장하중 작용시 변형량(δM)은 1.
- 1 kN)으로 평가되었다. F13T-N 볼트가 항복하중, 최대인장하중 및 파단하중은 F13T 볼트에 비해 평균 12.11%, 12.02% 및 8.96%의 강도 증가 효과가 있었다. 이는 구조해석결과의 인장강도 증가효과보다도 실험결과가 크게 평가되었다.
- N2와 N3형상은 곡률반경 H/6와 큰 곡률반경(2H/3, H/2)이 접하는 경계그림 5. KS규격 나사형상의 특성 부근에서 최대인장응력이 발생하였고, 나사골과 프랭크부근으로 갈수록 일정하게 응력이 감소하였다. 또한, 한 개의 곡률반경으로 제안되어 있는 N1형상보다 N2 및 N3형상이 응력집중 감소와 응력분포를 균일하게 분포하였다.
- N2-4형상과 KS형상에 대해서 상호 비교 검토하면 N2-4형상의 체결깊이는 25.2% 감소되었지만, 나사부의 유효단면적 증가로 인장강도는 5.1%가 증가되고, 최대응력집중계수는 26.7% 감소로 피로강도가 증가되기 때문에 볼트의 안전성에 가장 효율적인 형상이라고 판단된다.
- 5o에서 30o로 각을 크게 규정되어 있기 때문이다. 결과적으로 고장력볼트 나사부에서는 응력집중이 상당히 크게 발생하였고, 나사골 심부에서 최대응력집중이 발생하였다. 나사골에서 곡률반경과 응력집중계수사이의 관계를 고려하면 곡률반경의 크기가 커짐에 따라 응력집중현상이 완화된다는 것을 알 수 있다.
- 나사형상에 따른 구조해석결과에 의하면 KS형상의 나사를 포함한 기존 나사에서는 최대응력집중이 나사골에서 발생하였고, 나사골에서 프랭크에 가까워짐에 따라 응력집중은 일정하게 감소하였으며, 나사골의 곡률반경이 클 수록 응력집중 감소 효과가 있음을 알 수 있었다. 그러나, 나사골 형상을 한 개의 곡률반경으로 규정하는 것 보다는 응력집중이 큰 나사골 심부에서는 곡률반경을 크게 하고 프랭크에 인접한 부분에서는 곡률반경을 작게 하는 것이 응력집중을 완화시킬수 있는 효율적인 형상으로 분석되었다. 따라서, KS형상은 나사골 곡률반경이 H/6이지만, 새로운 N2형상은 나사골에서는 곡률반경 2H/3이고 프랭크의 곡률시작점에서는 곡률반경 H/6으로 구성한 나사형상을 제안하였다.
- 나사형상에 따른 유효응력분포는 그림 3과 같이 나사형상 모두 최대인장응력은 나사선 골의 중앙부에서 발생하였고, 나사선 심부에서 나사선 기울기 상부쪽으로 가면서 응력이 곡률반경을 따라서 일정하게 감소하였다.
- 너트 체결깊이(H1)가 증가하면서 곡률반경 H/6의 높이는 0.144H로 일정하지만, 곡률반경이 시작하는 위치는 나사골로 이동하면서 곡률반경 2H/3의 각(θ)의 값은 작아지고 높이도 0.130H에서 0.091H로 감소하였다.
- 또한, 볼트 판단시 측정된 연신율(δ)은 F13T-N 볼트가 1.89배 우수 하였다.
- 또한, 볼트의 변형량 및 연신율에 대해서 평균값을 사용하여 분석하면 F13T-N 볼트가 최대인장하중 작용시 변형량(δM)은 1.05배, 볼트의 파단시까지의 총 변형량(δB)은 1.30배, 볼트 파단시 측정된 연신율(δ)은 1.89배가 향상된 것으로 평가되었다.
- 제안된 신나사형상(N2-4)과 KS형상의 볼트와 너트 체결 후의 구조해석결과에 의하면 신나사형상(N2-4)은 응력집중이 작게 발생하고, 볼트와 너트사이에 이격거리도 작게 발생하여 볼트와 너트사이의 체결력 확보와 하중분배 효과가 우수하다고 평가되었다. 또한, 신나사형상(N2-4) 볼트는 KS형상의 볼트에 비해 유효단면적 증가로 5.1%의 인장강도 증가와 응력집중계수가 감소로 동일한 볼트의 공칭응력과 구조상세범부를 기준으로 계산한다면 피로강도도 20.8% 개선효과가 있다고 해석적으로 평가되었다.
- KS규격 나사형상의 특성 부근에서 최대인장응력이 발생하였고, 나사골과 프랭크부근으로 갈수록 일정하게 응력이 감소하였다. 또한, 한 개의 곡률반경으로 제안되어 있는 N1형상보다 N2 및 N3형상이 응력집중 감소와 응력분포를 균일하게 분포하였다.
- 이러한 현상은 고장력볼트와 너트 결합에 의해 일체로 거동하는 특성이라고 규정할 수 있다. 볼트와 너트 체결시 N2-4형상은 KS형상에 비해 최대응력집중계수가 3.61에서 3.39로 감소 되어 N2-4형상의 최대응력집중 완화효과는 KS형상에 비해 약 6.09%가 개선되었다.
- 볼트와 너트 체결시에 마찰계수의 영향을 고려한 해석결과에 의하면 마찰계수가 증가하면 응력집중계수도 증가 하였다. 각각의 마찰계수에 따른 최대응력집중은 그림 13과 같다.
- 볼트의 변형량 및 연신율에 대해서 평균값을 사용하여 분석하면 F13T-N 볼트의 최대인장하중 작용시 변형량(δM)은 F13T 볼트에 비해 1.05배가 우수하였고, 볼트의 파단시까지의 총 변형량(δM)은 1.30배의 변형량 차이를 보였다.
- 실험결과 F13T 및 F13T-N 볼트의 파괴는 지그와 결합된 나사부 및 불완전나사부에서 발생되었다. 인장실험결과는 그림 16과 같이 볼트 축력과 변위와의 관계를 표 3과 같이 정리하였다.
- 실험결과 F13T 볼트의 항복하중은 294.9~301.8 kN(평균 298.9 kN), 최대인장하중은 331.4~339.1 kN(평균 336.1 kN), 파단하중은 326.0~334.9 kN(평균 330.5 kN)으로 평가되었다. 또한, F13T-N 볼트의 항복하중은 332.
-
그림 7. 나사형상에 따른 응력분포
응력집중계수는 그림 8과 같이 KS 및 N1형상의 응력집중은 나사골 중심부에서 가장 높고, 프랭크에 근접할 수록 감소하였다
. N2 및 N3형상은 두 개의 곡률반경부근인 나사골중심부에서 나사선 곡률반경을 따라 약 0. - 4674H로 하는 N2-4형상을 신나사형상으로 제안하였다. 제안된 신나사형상(N2-4)과 KS형상의 볼트와 너트 체결 후의 구조해석결과에 의하면 신나사형상(N2-4)은 응력집중이 작게 발생하고, 볼트와 너트사이에 이격거리도 작게 발생하여 볼트와 너트사이의 체결력 확보와 하중분배 효과가 우수하다고 평가되었다. 또한, 신나사형상(N2-4) 볼트는 KS형상의 볼트에 비해 유효단면적 증가로 5.
- 이러한 특징은 볼트와 너트사이에 하중분배가 일정하게 분배되는 효과라고 볼 수 있다. 최대이격거리를 비교하면 N2-4형상이 KS형상에 비해 작게 발생되었을 뿐만 아니라 전체 피치별 이격거리도 작게 발생되었다.
- 6 mm 부근에서 최대인장응력이 발생하였다. 한 개의 곡률반경보다 두 개의 곡률반경으로 구성되어 있는 N2 및 N3형상의 최대응력집중계수는 현재의 KS형상보다도 31.4% 및 31.1% 감소하였다. N2와 N3형상의 응력집중계수 및 응력분포는 거의 비슷한 경향을 보이고 있으나, 본 연구에서는 가장 최대응력집중계수가 작고, 볼트 제작시에 가공 용이성을 고려하여 N2형상을 새로운 나사형상으로 결정하였다.
- 여기서, 응력집중계수는 최대응력을 공칭응력으로 나눈 값이고, 공칭응력은 볼트 축방향력을 볼트의 유효단면적으로 나눈 값이다. 해석결과 각 나사부에서의 응력집중은 나사골 중심부에서 가장 높고 나사산 사면에 근접함에 따라 조금씩 감소하였다.
- 따라서, KS형상은 나사골 곡률반경이 H/6이지만, 새로운 N2형상은 나사골에서는 곡률반경 2H/3이고 프랭크의 곡률시작점에서는 곡률반경 H/6으로 구성한 나사형상을 제안하였다. 해석결과에 의하면 N2형상은 KS형상에 비해 응력집중이 감소되고 응력분포가 보다 균등하게 분포하였다.
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