본 논문은 플레이트 거더 상세부 설계에서 가장 주요요소가 되는 볼트 이음부에 관한 구조거동을 해석적으로 검토하였다. 또한, 비선형 유한요소프로그램인 ABAQUS의 Connector요소를 사용하여 간단하게 볼트의 거동을 표현하는 수치해석방법을 제안하고, 선행 연구의 실험을 토대로 수치해석을 실시하여 해석방법의 타당성을 검토하였다. 이음부의 위치에 따라 달라지는 작용력의 영향을 검토하기 위하여, 서로 다른 위치의 모델을 3가지로 선정하고, 각각의 모델에 대하여 다양한 설계변수(이음판의 단면적, 이음판의 강종, 볼트의 강종)에 따른 거동을 비교 분석하였다. 설계 변수에 대한 구조물의 모멘트-변위 관계를 도출하여, 각 설계 변수가 구조물의 극한 거동에 미치는 영향을 파악하고, 힘의 크기에 따른 영향을 비교하였다.
본 논문은 플레이트 거더 상세부 설계에서 가장 주요요소가 되는 볼트 이음부에 관한 구조거동을 해석적으로 검토하였다. 또한, 비선형 유한요소프로그램인 ABAQUS의 Connector요소를 사용하여 간단하게 볼트의 거동을 표현하는 수치해석방법을 제안하고, 선행 연구의 실험을 토대로 수치해석을 실시하여 해석방법의 타당성을 검토하였다. 이음부의 위치에 따라 달라지는 작용력의 영향을 검토하기 위하여, 서로 다른 위치의 모델을 3가지로 선정하고, 각각의 모델에 대하여 다양한 설계변수(이음판의 단면적, 이음판의 강종, 볼트의 강종)에 따른 거동을 비교 분석하였다. 설계 변수에 대한 구조물의 모멘트-변위 관계를 도출하여, 각 설계 변수가 구조물의 극한 거동에 미치는 영향을 파악하고, 힘의 크기에 따른 영향을 비교하였다.
In this study, structural behavior of bolted joints which were important elements in plate girder design was analyzed using commercial FE analysis program. Also, the numerical analysis method that simply showed behavior of bolts was proposed using the connector element of ABAQUS, nonlinear FE progra...
In this study, structural behavior of bolted joints which were important elements in plate girder design was analyzed using commercial FE analysis program. Also, the numerical analysis method that simply showed behavior of bolts was proposed using the connector element of ABAQUS, nonlinear FE program. Numerical analysis was conducted to verify the proposed numerical analysis method on the basis of the experiment of previous study. In order to investigate effects of action force which was changed by locations of the bolted joints, the three different models were developed by the locations of the bolted joints and behavior for the each model was compared and analyzed by various design parameters (area of splice plates, stiffness of splice plates, and stiffness of bolts). The moment-displacement relations of structures for the various design parameters were investigated to analyze effects of each parameter in ultimate behavior of the structures. Also, the effects of each parameter were compared by force.
In this study, structural behavior of bolted joints which were important elements in plate girder design was analyzed using commercial FE analysis program. Also, the numerical analysis method that simply showed behavior of bolts was proposed using the connector element of ABAQUS, nonlinear FE program. Numerical analysis was conducted to verify the proposed numerical analysis method on the basis of the experiment of previous study. In order to investigate effects of action force which was changed by locations of the bolted joints, the three different models were developed by the locations of the bolted joints and behavior for the each model was compared and analyzed by various design parameters (area of splice plates, stiffness of splice plates, and stiffness of bolts). The moment-displacement relations of structures for the various design parameters were investigated to analyze effects of each parameter in ultimate behavior of the structures. Also, the effects of each parameter were compared by force.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 볼트이음부의 거동에 관한 상세 검토를 위하여 상용 유한요소해석프로그램 ABAQUS에서의 Connector 요소를 사용하여 볼트이음부의 해석방법을 제안하고, 선행논문의 실험결과와의 비교를 통하여 타당성을 검토하였다.
본 연구에서는 강교량의 볼트 이음부에 관한 구조거동을 해석적으로 검토하였다.기존의 볼트 해석방법보다 간단하게 볼트의 거동을 표현할 수 있는 Conector요소를 사용한 수치해석 기법을 제시하였고,해석방법의 타당성을 검토하였다.
제안 방법
(1)볼트가 위치하고 있는 절점과 절점간의 연결을 통하여 볼트의 거동을 구현하는 Connector요소를 사용한 해석 방법을 제안하였다.또한 선행논문에서 실시한 휨을 받는 고장력볼트 이음부의 실험과 유한요소해석에서 산출된 모멘트-변위 곡선을 비교한 결과 초기 탄성 거동의 기울기와 항복이 발생하는 변위 및 모멘트가 거의 유사 함으로써 제안한 Connector요소를 사용한 볼트의 구현 방법의 타당성을 확인하였다.
1.5고장력 볼트의 강종에 따른 구조물의 거동을 파악하기 위하여 볼트를 F13T,F10T,F8T로 변화시켜 해석을 수행하였다.이때의 볼트는 F13TM20을 기준으로 설계를 하였다.
기존의 볼트 해석방법보다 간단하게 볼트의 거동을 표현할 수 있는 Conector요소를 사용한 수치해석 기법을 제시하였고,해석방법의 타당성을 검토하였다.그리고 제시한 해석방법을 사용하여 휨응력과 전단력이 작용하는 고장력 볼트 이음부에 대한 설계변수(이음판의 단면적, 이 음판의 강종,볼트의 강종)의 영향을 파악하였다. 또한 이음부의 작용력에 따른 설계변수의 영향을 비교·분석하기 위하여 이음부의 위치를 변화시켜 총 3개의 모델에 관한 해석을 진행하였으며, 이를 통해 도출한 결론은 다음과 같다.
본 연구에서는 강교량의 볼트 이음부에 관한 구조거동을 해석적으로 검토하였다.기존의 볼트 해석방법보다 간단하게 볼트의 거동을 표현할 수 있는 Conector요소를 사용한 수치해석 기법을 제시하였고,해석방법의 타당성을 검토하였다.그리고 제시한 해석방법을 사용하여 휨응력과 전단력이 작용하는 고장력 볼트 이음부에 대한 설계변수(이음판의 단면적, 이 음판의 강종,볼트의 강종)의 영향을 파악하였다.
4를 적용한다. 다만 볼트 헤드부와 이음판 사이의 마찰은 따로 설정할 수 없으므로, Connector요소 내에 Friction거동의 사용하여 마찰 접합을 표현할 수 있도록 하였다.
따라서 본 연구에서는 유한요소해석프로그램 ABAQUS내에서 실제 볼트를 모델링하지 않고, 절점간의 간단한 연결로 볼트의 거동을 표현하는 Connector요소를 사용하였다.
또한 본 연구에서는 제안한 해석기법을 사용하여 휨과 전단력을 받는 고장력볼트 이음부의 설계변수에 대한 영향을 분석하였다.(As)req는 이음판의 필요단면적으로 표 2의 응력을 기준으로 도로교 설계기준에 준거하여 계산하였으며, 설계 변수는 표 3과 같다.
또한 이음부의 작용력에 따른 설계변수의 영향을 비교·분석하기 위하여 이음부의 위치를 변화시켜 총 3개의 모델에 관한 해석을 진행하였으며, 이를 통해 도출한 결론은 다음과 같다.
또한 향후 합리적인 이음부 설계법의 제안을 위하여 휨 모멘트와 전단력이 동시에 작용하는 3종류의 해석 모델에 대한 볼트이음부의 주요 설계 변수가 되는 이음판의 단면적과 강종 그리고 볼트 강종에 따른 영향을 검토하였다.
볼트의 미끄러짐 거동에 관한 검토는 선행논문인 이창원( 2003)가 실시한 인장실험과 동일한 단면의 해석모델을 만들어 비교하였다. 그림 4는 선행논문에서 실시한 인장실험의 모델이며, 그림 5는 해석모델의 형상이다.
연구에 사용된 강재는 SM490Y이고,고장력 볼트는 F10T M20을 사용하였다. 부재의 대칭성을 고려하여 전체모델의 1/2만 모델링 하였다.그림 8은 본 해석모델의 이해를 돕기 위한 그림이며,변위와 하중의 측정 지점을 보여준다.
본 연구에서 사용될 휨 거동에 대한 타당성 검토는 선행 논문인 秋山寿行(1996)가 실시한 실험의 결과와 비교하였다. 실험체의 단면제원과 동일하게 해석모델을 만들고, 재료시험을 통해 얻은 결과를 사용하여 강재의 재료특성을 입력하였다. 실험과 해석의 결과는 그림 7에 나타내었다.
이를 통해 ABAQUS 내에서 Connector요소의 적용 형상을 알 수 있다. 이와 같이 Connector요소를 이용한 해석 모델 외에도, 볼트를 실제 모델링한 솔리드 모델도 제작하여 해석적 타당성 검증에 이용하였다. 해석과 실험의 결과는 그림 6에 나타내었다.
이음판의 강종이 이음부 거동에 미치는 영향을 파악하기 위하여 모재의 강종을 SM490Y, 이음판의 단면적비를 As/(As)req =1.0으로 하고, 이음판의 강종만을 변화시켰다.
이음판의 단면적이 구조물의 거동에 미치는 영향을 파악하기 위하여 이음판의 단면적을 변화시키며 해석하였고, 그 결과를 그림 11,그림 12및 그림 13과 같다. y축은 각 모델의 해석 시 발생한 최대 모멘트와 이론식에 의한 항복모멘트비 M/My이며,이때 해석모델의 항복모멘트는 이론적으로 계산된 297kn.
A점에서 하중을 받으며, 점 B에서 거더의 변위를 측정하고,점 C는 거더의 지점을 나타낸다. 해석 모델은 휨과 전단력이 이음 부의 강도에 미치는 영향을 파악하기 위하여 그림 9와 같이 동일한 거더에 이음부의 위치가 다른 3개의 모델을 만들었다. 이를 해석상에 구현한 모습은 그림 10과 같으며, 이를 통해 모델마다 다른 이음부의 위치를 한눈에 확인할 수 있다.
대상 데이터
연구에 사용된 강재는 SM490Y이고,고장력 볼트는 F10T M20을 사용하였다. 부재의 대칭성을 고려하여 전체모델의 1/2만 모델링 하였다.
데이터처리
Connector요소를 사용한 해석방법의 타당성을 검토하기 위하여 선행논문에서 실시한 실험을 기준으로 해석을 실시하여 결과를 비교하였다.
본 연구에서 사용될 휨 거동에 대한 타당성 검토는 선행 논문인 秋山寿行(1996)가 실시한 실험의 결과와 비교하였다. 실험체의 단면제원과 동일하게 해석모델을 만들고, 재료시험을 통해 얻은 결과를 사용하여 강재의 재료특성을 입력하였다.
성능/효과
(3)이음판의 강종이 미치는 영향은 Model 1, Model 2, Model 3의 순으로 크다는 것을 확인하였다.또한 이음 판의 강종의 변화는 허용응력의 비로 표현될 수 있음을 확인하였다.
(4)볼트 강종의 경우,이음부의 위치는 구조물의 거동에 큰영향을 미치지 않았으며,작용력 대비 설계된 볼트의 총허용력이 가장 큰 변수인 것으로 확인되었다.
그림 7을 살펴보면, 본 연구에서 제안한 해석방법과 실험의 탄성부분은 기울기가 거의 일치하며, 항복하는 지점의 변위도 일치하는 형상을 보였다. 실험 및 해석에서 나온 항복모멘트 (My)의 값은 표 1과 같으며, 이들의 오차는 2.
(1)볼트가 위치하고 있는 절점과 절점간의 연결을 통하여 볼트의 거동을 구현하는 Connector요소를 사용한 해석 방법을 제안하였다.또한 선행논문에서 실시한 휨을 받는 고장력볼트 이음부의 실험과 유한요소해석에서 산출된 모멘트-변위 곡선을 비교한 결과 초기 탄성 거동의 기울기와 항복이 발생하는 변위 및 모멘트가 거의 유사 함으로써 제안한 Connector요소를 사용한 볼트의 구현 방법의 타당성을 확인하였다.
(3)이음판의 강종이 미치는 영향은 Model 1, Model 2, Model 3의 순으로 크다는 것을 확인하였다.또한 이음 판의 강종의 변화는 허용응력의 비로 표현될 수 있음을 확인하였다. 따라서 이음판의 설계 시 강종의 규제 없이 허용응력에 맞춰 설계하도록 규정된 현행 설계 기준은 타당하다고 생각된다.
후속연구
이는 Connector요소를 이용할 경우 볼트 구멍이 없으므로, 유효 단면적이 늘어나기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 Connector요소는 볼트의 미끄러짐 거동을 표현할 수는 있으나, 극한거동을 보여줘야 하는 인장 실험 등에 적용되기 위해서는 향후 연구가 필요할 것으로 판단된다.
지금까지의 연구를 통하여 이음판에 작용하는 힘의 종류에 상관없이 동일한 방법으로 설계하고 있는 현행 설계법이 합리적이지 않다고 판단된다. 보다 합리적인 설계로 개선하기 위해서는 이음판에 작용하는 힘의 종류에 따라 설계시 주요 부분에 대한 비중을 달리하여야 한다고 생각하며,향후 이에 대한 연구가 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
주로 사용되는 강구조물 부재의 연결 방법은?
최근 산업화의 진전과 더불어 사회기반시설 구조물이 거대화,장대화 되는 추세에 있으며, 이에 따라 콘크리트 구조물과 비교하여 상대적으로 자중이 작고 강성이 큰 강구조물이 많이 건설되고 있다.이러한 강구조물은 콘크리트와 달리 부재와 부재간의 연결에 의해 이루어지며,부재의 연결의 방법 으로는 크게 용접에 의한 연결과 볼트를 이용하는 방법이 주로 사용되고 있다.
유한요 소해석을 통한 고장력 볼트 이음부의 연구 방법의 야기되는 문제점은?
또한,기존의 유한요 소해석을 통한 고장력 볼트 이음부의 연구(장동일,1997; 김동조,2002;김동현 외,2005;한진희,2007))들은 볼트를 제원대로 모델링하여 볼트의 거동을 구현 하였다.그러나 이러한 수치해석방법은 볼트 갯수가 적은 비교적 간단한 이음부에서는 적용이 용이하나,플레이트 거더교의 이음부와 같이 다수의 볼트로 구성되어 있는 경우에는 많은 시간이 소요 되고,해석의 수렴성이 낮아지는 등의 문제점이 야기된다.
용접에 의한 연결은 어떻게 나눌 수 있는가?
용접에 의한 연결은 공장용접과 현장용접으로 나눌 수 있으며,전자는 용접설비의 자동화와 작업조건 등의 평균화를 통해 품질에 대한 신뢰성이 확보되나,후자의 경우 기능공의 숙련도,용접조건,용접설비 등에 따라 연결부의 품질에 대한 신뢰성이 상대적으로 떨어지므로 공장용접의 약 90% 수준만을 인정하고 있다(건설교통부,2005).이런 이유로 용접이음 보다는 볼트이음을 주로 사용하고 있으며,볼트 연결의 경우 품질관리가 비교적 용이한 고장력 볼트의 연결이 주로 사용 되어 지고 있다.
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