미끄럼 표면 도막두께변수에 따른 고력볼트 장기축력 예측 Estimation of Long Term Clamping Force of High Strength Bolts By Coating Thickness Parameters of Slip Faying Surfaces원문보기
고력볼트의 초기 체결력은 미끄럼표면조건에 따라, 일정시간이 경과될 때까지, 축력저하가 발생한다. 이 연구는 미끄럼접합부 표면에 도장이 되어있는 경우, 도장의 크리프현상에 따른 축력저하에 관한 예측 모델을 찾는 것이다. 이 실험연구 범위는 무기질 아연프라이머로 도포된 볼트접합부의 장기축력저하에 한정한다. 실험에 적용된 볼트종류는 다크로 도포된 토크쉬어 볼트이다. 대상 표면의 도막 두께는 각각 96, 168, $226{\mu}m$ 이었다. 도막두께가 증가될수록, 초기 체결이후 축력이완율은 도막의 크리프 때문에 10%에서 18%로 증가되었다. 장기축력예측을 위한 정량적인 모델은 도막두께에 따른 크리프 스트레인과 경과된 시간사이에 회귀분석 결과로 얻어진다. 이 실험연구를 통해 미끄럼표면 도막의 크리프 거동특성을 알 수 있다면, 일정시간 경과후 고력볼트 체결력은 초기 체결력으로부터 구할 수 있다. 본 실험결과를 근거로 각 도막두께에 대한 장기축력이완이후의 고력볼트 체결력에 관한 정량적인 수식을 제안하였다.
고력볼트의 초기 체결력은 미끄럼표면조건에 따라, 일정시간이 경과될 때까지, 축력저하가 발생한다. 이 연구는 미끄럼접합부 표면에 도장이 되어있는 경우, 도장의 크리프현상에 따른 축력저하에 관한 예측 모델을 찾는 것이다. 이 실험연구 범위는 무기질 아연 프라이머로 도포된 볼트접합부의 장기축력저하에 한정한다. 실험에 적용된 볼트종류는 다크로 도포된 토크쉬어 볼트이다. 대상 표면의 도막 두께는 각각 96, 168, $226{\mu}m$ 이었다. 도막두께가 증가될수록, 초기 체결이후 축력이완율은 도막의 크리프 때문에 10%에서 18%로 증가되었다. 장기축력예측을 위한 정량적인 모델은 도막두께에 따른 크리프 스트레인과 경과된 시간사이에 회귀분석 결과로 얻어진다. 이 실험연구를 통해 미끄럼표면 도막의 크리프 거동특성을 알 수 있다면, 일정시간 경과후 고력볼트 체결력은 초기 체결력으로부터 구할 수 있다. 본 실험결과를 근거로 각 도막두께에 대한 장기축력이완이후의 고력볼트 체결력에 관한 정량적인 수식을 제안하였다.
The initial clamping forces of high strength bolts depending on different faying surface conditions drop within 1,000 hours regardless of loading, any other external force or loosening of the nut. This study is focused on an expectation model for relaxation of high strength bolt, which is confined t...
The initial clamping forces of high strength bolts depending on different faying surface conditions drop within 1,000 hours regardless of loading, any other external force or loosening of the nut. This study is focused on an expectation model for relaxation of high strength bolt, which is confined to creep on coated faying surfaces after initial clamping. The range of this experiment is limited to estimate the relaxation of bolted joints coated by inorganic zinc primer. The candidate bolts were dacro-coated tension control bolts. The parameters of coated thickness for the faying surface were 96, 168,and $226{\mu}m$ respectively. From experiments, it exhibited that the logarithmic function for creep strain was derived due to the parameter of coating thickness. By using the creep strain, subsequently the quantitative model for estimating long term relaxation of high strength bolt can be taken with the elapsed time. The experimental results showed that the relaxation after the initial clamping of high strength bolt rose to a much higher range from 10% to 18% due to creep of the coating as the coating thickness was increased. This study showed that the clamping force reflecting relaxation after the elapse of constant time can be calculated from the initial clamping force of high strength bolt.
The initial clamping forces of high strength bolts depending on different faying surface conditions drop within 1,000 hours regardless of loading, any other external force or loosening of the nut. This study is focused on an expectation model for relaxation of high strength bolt, which is confined to creep on coated faying surfaces after initial clamping. The range of this experiment is limited to estimate the relaxation of bolted joints coated by inorganic zinc primer. The candidate bolts were dacro-coated tension control bolts. The parameters of coated thickness for the faying surface were 96, 168,and $226{\mu}m$ respectively. From experiments, it exhibited that the logarithmic function for creep strain was derived due to the parameter of coating thickness. By using the creep strain, subsequently the quantitative model for estimating long term relaxation of high strength bolt can be taken with the elapsed time. The experimental results showed that the relaxation after the initial clamping of high strength bolt rose to a much higher range from 10% to 18% due to creep of the coating as the coating thickness was increased. This study showed that the clamping force reflecting relaxation after the elapse of constant time can be calculated from the initial clamping force of high strength bolt.
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문제 정의
,2010). 따라서, 본 연구에서는 고력볼트의 축력이완을 확인하는 과정에서, 고력볼트를 체결하는 미끄럼 접합부의 도장두께별로 고력볼트 축력이완에 어느정도 영향을 미치며, 축력이완 이후 고력볼트에 도입된 축력확인이 가능한지를 평가할 목적으로 수행되었다.
한국건축공사 표준시방서에 따르면, 강구조물에 적용되는 무기질아연도막의 적용두께는 75㎛ 이다. 본 실험연구에서는 표준도막두께를 상회한 경우에 어떤현상이 발생되는지에 초점을 맞추었다. 따라서 실험에 적용된 고력볼트 2면 전단 이음부 표면에 최초 계획된 도장두께는 120, 180, 240 ㎛으로 구성하였으나 실제 측정된 도장두께는 96, 168, 226㎛이었으며, 아래 Table１과 같다.
이런 이유로 수학적 모델을 제시하기 위한 전제조건에서 무시한다. 이 수학적 모델은 시간 경과 중에 발생되는 도장 층의 크리프 현상에 의한 축력이완으로 제한하여 제시하고자 한다(Yang, 1999).
이 실험연구는 강구조물의 접합부에 설치된 고력볼트, 특히 미끄럼접합부에 도장이 되어있을 경우에 대한 고력볼트의 기 체결 축력을 확인하는 방법에 관한 것이다. 본 실험연구를 위한 시험체 조건은 무기질 아연도장 표면이었으며, 시험에 적용된 볼트는 다크로 피막 TS볼트, 볼트직경은 M20 F10T이었다.
데이터취득은 도쿄소키에서 제작된 데이터로거를 이용했다. 회귀분석법에 의해 도출하여 장기축력 예측식을 제안하고자 하였다. 본 연구에서 도출된 장기축력이완에 대한 수학적 모델의 기준 시험체는 무기질 아연도막 두께 변화를 변수로 설정 하였다.
제안 방법
최초 고력볼트에 도입된 체결축력은직경 20㎜에 적합한 표준볼트축력인 178kN을 도입했다. 고력볼트 이음부 표면에 적용된 도막의 크리프 현상에 따라 일정시간 경과 후(744시간) 고력볼트의 체결력을 측정하였다. 측정시간은 1,000 시간이후까지 계획되었지만, 후속 실험일정을 고려하여 체결이후 31일간 실제 측정되었다.
고력볼트 축력 측정값의 신뢰도를 위해 고력볼트 세트에 로드 셀을 와셔와 함께 삽입하여 시험대상 고력 볼트 표준축력을 측정하였다. 고력볼트에 적용된 축력은 표준볼트축력인 178kN으로 설정하였다.
고력볼트의 체결력 측정은 로드셀을 이용하여 축력 측정의 시험오차를 최소화 하고자 하였다. Table２는 도장 두께별 시간경과에 따른 축력이완율을 분석한 결과이다.
무기질 아연도장 두께 평균 168 ㎛ 고력볼트 이음부에 대한 크리프 분석은 다음과 같다. 무기질 아연도장 두께 평균 96 ㎛에 대한 크리프 산정방법과 동일한 방법으로 무기질 아연도장 평균 168 ㎛ 고력볼트 이음부에 대한 시간-크리프에 대한 경향을 분석하였다. 무기질 아연도장의 크리프를 산정하기 위한 식(3)에 상응하는 실험결과의 곡선 회귀분석에 따른 결과는 식(10) 과 같다.
무기질 아연도장두께 평균 96 ㎛ 고력볼트 이음부와 같은 방법과 마찬가지로, 무기질 아연도장 평균 226㎛으로 계측된 고력볼트 이음부에 대한 시간-크리프에 대한 경향을 동일한 방법으로 크리프계수를 산정하고, 실험결과 회귀분석을 통해 장기축력이완에 따른 축력 예측식을 제안하였다.
회귀분석법에 의해 도출하여 장기축력 예측식을 제안하고자 하였다. 본 연구에서 도출된 장기축력이완에 대한 수학적 모델의 기준 시험체는 무기질 아연도막 두께 변화를 변수로 설정 하였다.
본 연구에서는 무기질 아연도장의 탄성계수, 크리프,고력볼트 초기 체결축력을 알고 있다면, 축력이완이 진행되는 1,000시간까지의 예상축력을 실험결과를 회귀분석을 통하여, 고력볼트에 도입된 축력을 정량적으로 확인할 수 있다. 이때의 장기축력이완을 고려한 축력예측결과를 수식으로 제안하였다.
본 연구에서는 무기질 아연도장의 탄성계수, 크리프,고력볼트 초기 체결축력을 알고 있다면, 축력이완이 진행되는 1,000시간까지의 예상축력을 실험결과를 회귀분석을 통하여, 고력볼트에 도입된 축력을 정량적으로 확인할 수 있다. 이때의 장기축력이완을 고려한 축력예측결과를 수식으로 제안하였다.
고력볼트에 적용된 축력은 표준볼트축력인 178kN으로 설정하였다. 체결이후도막의 크리프에 따른 축력이완이 진행된 시간은 744시간까지 측정하였다. 실험결과, 장기축력이완율은 도막두께가 증가함에 따라, 그 장기축력이완율이 10%에서 18%까지 증가되었다.
대상 데이터
적용된 고력볼트 종류는 다크로TS 볼트로써, KS B2809에 적합한 F10T M20 이었다. 대상볼트의 물성은 인장강도가 1,000~1,200 N/mm2 항복강도는 900 N/mm2으로 미국의 ASTM F 2280 (2006)에 적합한 TS볼트와 거의 유사하다. 최초 고력볼트에 도입된 체결축력은직경 20㎜에 적합한 표준볼트축력인 178kN을 도입했다.
345 mV/V, 저항치는 350 Ω±1%이었다. 데이터취득은 도쿄소키에서 제작된 데이터로거를 이용했다. 회귀분석법에 의해 도출하여 장기축력 예측식을 제안하고자 하였다.
본 실험연구에서는 표준도막두께를 상회한 경우에 어떤현상이 발생되는지에 초점을 맞추었다. 따라서 실험에 적용된 고력볼트 2면 전단 이음부 표면에 최초 계획된 도장두께는 120, 180, 240 ㎛으로 구성하였으나 실제 측정된 도장두께는 96, 168, 226㎛이었으며, 아래 Table１과 같다.
이 실험연구는 강구조물의 접합부에 설치된 고력볼트, 특히 미끄럼접합부에 도장이 되어있을 경우에 대한 고력볼트의 기 체결 축력을 확인하는 방법에 관한 것이다. 본 실험연구를 위한 시험체 조건은 무기질 아연도장 표면이었으며, 시험에 적용된 볼트는 다크로 피막 TS볼트, 볼트직경은 M20 F10T이었다. 고력볼트 미끄럼 이음부의 표면에 도포된 무기질 아연도장의 측정 도막두께는 각각 96 ㎛, 168 ㎛, 226 ㎛이었다.
사용된 로드셀의 민감도는 1.345 mV/V, 저항치는 350 Ω±1%이었다.
적용된 고력볼트 종류는 다크로TS 볼트로써, KS B2809에 적합한 F10T M20 이었다. 대상볼트의 물성은 인장강도가 1,000~1,200 N/mm2 항복강도는 900 N/mm2으로 미국의 ASTM F 2280 (2006)에 적합한 TS볼트와 거의 유사하다.
데이터처리
본 시험으로부터 얻어진 무기질 아연도막의 크리프를 시간과 스트레인 관계로 회귀분석 곡선은 Ｆig. 2와 같고, 로그함수로 치환한 곡선은 Ｆig.
이론/모형
그러나, 본 연구에서는 시험체의 형상이 Dj〉 3db, 그리고 T≤8db 에 해당하기 때문에, 아래와 같은 응력 면적 산정 식(6) (Bickford, 1990)을 적용한다.
무기질 아연도장 두께 평균 96 ㎛를 나타낸 고력볼트 이음부에 대한 시간-크리프에 대한 경향을 분석하기위해, 공학 통계학적인 접근을 수행하였으며, 일원분산분석과 회귀모형수립에 필요한 도구는 Minitab(Ver.15)(이승훈, 2008)를 사용하였다.
본 연구에서는 도장의 탄성계수와 크리프의 관계를 결정하기 위한 시험체를 Fig. 1과 같이 구성하고, 고력볼트 이음부 크기 및 형상은 한국강구조학회 고력볼트 표준접합 설계편람(2009)를 참고하고, 일본건축학회 고력볼트 접합 설계시공 가이드북(2003)기준을 따랐다.
성능/효과
Table２는 도장 두께별 시간경과에 따른 축력이완율을 분석한 결과이다. 168시간 경과후의 축력이완율은 10%를 상회하였고, 744시간 경과 후 최소 10.1%에서 최대 18.3%까지 나타났다. 측정기간 전체 대비 초기 1주일의 축력 감소율은 91%로 분석되었다.
체결이후도막의 크리프에 따른 축력이완이 진행된 시간은 744시간까지 측정하였다. 실험결과, 장기축력이완율은 도막두께가 증가함에 따라, 그 장기축력이완율이 10%에서 18%까지 증가되었다. 또한, 체결직후 1주일 동안의 초기축력이완율이 전 측정구간의 90%를 상회하였다.
3%까지 나타났다. 측정기간 전체 대비 초기 1주일의 축력 감소율은 91%로 분석되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고력볼트의 초기 체결력의 특징?
고력볼트의 초기 체결력은 미끄럼표면조건에 따라, 일정시간이 경과될 때까지, 축력저하가 발생한다. 이 연구는 미끄럼접합부 표면에 도장이 되어있는 경우, 도장의 크리프현상에 따른 축력저하에 관한 예측 모델을 찾는 것이다.
볼트축력이 시간경과와 함께 감소하는 현상을 무엇이라 하는가?
,, 2003; 일본건축학회, 2003). 위와 같이 볼트축력이 시간경과와 함께 감소하는 현상을 축력이완이라고 한다. 고력볼트에 도입된 축력은 체결작업 직후부터 3∼7일까지 약간 감소하는 경향을 나타내다가 500시간 정도 경과 후에는 축력저하 현상이 멈추어 일정축력을 유지한다.
고력볼트 접합부의 볼트축력이 시간경과와 함께 감소하는 현상이 발생하는 주된 원인?
고력볼트 접합부의 축력이완이 발생하는 주된 원인은 볼트 체결직후 체결공구를 제거한 직후 탄성회복현상이 크다. 추가적으로 나사면, 좌면, 접합재 등에서의 접촉면 조도 표면 불균등, 형상오차에 기인하는 국부적인 소성변형이나 좌면함몰, 볼트 몸체의 크리프 현상 등을 들 수 있다. 따라서 축력저하에 관계하는 접합부 요소로는 접합재의 표면처리, 와셔의 유무, 볼트 구멍의 클리어런스, 체결축력의 크기 등이다(김진호 외, 2003).
참고문헌 (14)
김진호, 우해성, 최성모(2003) 고력볼트 마찰접합부의 설계기준 및 내력에 관한 연구, 대한건축학회논문집, 제19권 4호, pp.27-35.
이승훈(2008) Minitab을 이용한 공학통계 자료분석, 이레테크, 경기도군포, pp. 179-195
한국강구조학회(2009) 고력볼트표준접합 설계편람, 도서출판 구미서관, 서울, pp. 19-25
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