[논문]토크전단형 고력볼트의 토크계수 변동에 따른 체결축력 확보방안에 관한 연구

이현주; 나환선; 최성모

doi:10.11004/kosacs.2014.5.3.008

토크전단형 고력볼트의 토크계수 변동에 따른 체결축력 확보방안에 관한 연구
A Study on the Secure Plan of Clamping Force according to the Variation of Torque-Coefficient in Torque-Shear High Strength Bolts 원문보기

복합신소재구조학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, v.5 no.3, 2014년, pp.8 - 16

이현주 (한국전력공사 전력연구원) , 나환선 (한국전력공사 전력연구원) , 최성모 (서울시립대학교 건축학부)

Abstract ▼ AI-Helper

Torque control method and turn of nut method are specified as clamping method of high strength bolts in the steel construction specifications. Quality control of torque coefficient is essential activity because torque control method, which is presently adopted as clamping method in domestic construction sites, is affected by variation of torque coefficient. The clamping of torque shear bolt is based on KS B 2819. It was misunderstood that the tension force of the TS bolt was induced generally at the break of pin-tail specified. However, the clamping forces on slip critical connections do not often meet the intended tension, as it considerably varies due to torque coefficient dependent on the environmental factors and temperature variables despite the break of the pin tail.This study was focused to evaluate the effect of environmental factors and errors of installing bolts during tightening high strength bolts. The environmental parameters were composed of 'wet' condition, 'rust' condition, 'only exposure to air' condition. And the manufacture of trial product was planned to identify the induced force into the bolts. The algorithm for a trial product was composed of the relation between electricity energy taken from torque shear wrench and tension force from hydraulic tension meter.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

고력볼트의 각 시공 단계별로 발생할 수 있는 품질관리 절차의 문제점을 실험에 반영하여 고력볼트 축력에 영향을 미치는지 실험을 통해 규명하였다. 실험에 반영된 요인은 현장에서 절차 생략으로 발생할 수 있는 대기 중 노출상태와 대기노출에 따라 비를 맞는 경우, 볼트보관 불량으로 인한 볼트의 침적상태, 침적에 따른 녹 발생 상태를 가정하여 실험 조건을 계획하였다.
고력볼트의 현장반입에서 시공, 체결 후 검사단계인 너트회전량 확인까지 시공현장의 각 단계별 작업에서 발생할 수 있는 현장 환경조건 및 시공관리 절차상의 문제점을 조사하여 고력볼트가 노출되는 환경과 기간을 조사하여 고력볼트 체결성능평가의 실험조건으로 반영하고자 하였다.
본 연구에서는 고력볼트 체결공법의 장단점을 분석하고, 국내현장에서 주로 사용되고 있는 토크관리법을 적용한 TS 고력볼트에 대해 보관에서 체결, 검사에 이르는 전체 과정에서 발생할 수 있는 문제점을 실험요인으로 도출 및 반영하여, 이로 인한 TS 고력볼트의 축력저하 현상을 실험적으로 규명 하고 현실적으로 가능한 체결방법 및 과학적인 축력 검사방법 개발의 필요성을 검토하고 기술개발 기반을 마련하고자 하였다.

제안 방법

고력볼트 체결특성 실험결과에 대한 상관관계 분석결과 축력과 너트회전각이 상관계수가 높게 나타났다. 따라서 고력볼트를 체결하는 전동렌치에 사용 되는 전류의 누적량과 너트회전량, 즉 축력과 상관관계를 실험적으로 규명하기 위해 전동렌치에서 사용되었던 누적전류량을 측정하기 위한 예비실험을 실시하였다.
육각 고력볼트의 체결은 1차체결 완료 후에 금매 김을 실시하고 1차체결을 기점으로 120°(M12는 60°) 회전하여 체결을 실시한다. 본체결은 Fig 6의 너트회전각 제어형 전동렌치를 이용하여 너트회전 법에 의한 너트회전량을 도입한다. 너트회전법은 소성영역에서 체결되기 때문에 과체결의 우려가 있으며, 정해진 회전각으로 체결하기 때문에 볼트 제품의 로트에 따라 축력이 달라질 수가 있다.
고력볼트의 각 시공 단계별로 발생할 수 있는 품질관리 절차의 문제점을 실험에 반영하여 고력볼트 축력에 영향을 미치는지 실험을 통해 규명하였다. 실험에 반영된 요인은 현장에서 절차 생략으로 발생할 수 있는 대기 중 노출상태와 대기노출에 따라 비를 맞는 경우, 볼트보관 불량으로 인한 볼트의 침적상태, 침적에 따른 녹 발생 상태를 가정하여 실험 조건을 계획하였다.
실험은 축력시험기를 사용하였으며, 고력볼트에 대한 체결과정에서 나타나는 특성을 평가하기 위하여 볼트에 도입되는 축력, 너트회전각, 토크, 토크계수를 측정하였다. 실험에 사용된 볼트는 F10T M20×140 TS 고력볼트이며, 실험계획은 Table 1과 같다.
A)에 TS 고력볼트를 설치하고 전동렌치(TONE GH-242HRZ / 9rpm, 일본)로 핀테일이 파단 될 때까지 체결하였다. 이 과정에서 축력계로 기준이 되는 축력값을 측정하였고, 전력품질분석기로 초당 10회의 전압과 전류의 RMS값을 계측하였다. 실험에 사용된 볼트는 F10T M20×85 TS 고력볼트이며, 실험계획은 Table 4와 같다.
TS 고력볼트는 KS B2819 「구조물용 토크-전 단형 고력볼트ㆍ6각너트ㆍ평와셔의 세트」에 규정된 볼트로서 체결토크가 핀데일의 파단토크와 같아지면 핀테일이 파단되도록 만들어진 볼트로서, 비교적 체결토크의 정밀도가 양호한 편이나 토크계수의 변동이 생기면 체결토크의 정밀도가 양호하다고 해도 도입되는 축력에는 변동이 생긴다. 이러한 이유로 체결 전에 축력계에 볼트 5세트에 대한 축력검사를 실시한 후 규정된 범위 내에서 핀테일이 파단될 때 현장체결을 실시한다. 체결방법은 Fig 4의 TS 고력볼트를 Fig 5의 토크전단형 전동렌치를 이용하여 고력볼트의 핀테일이 파단될 때까지 체결한다.
철골구조물의 고력볼트 접합부에 사용되는 고력 볼트의 체결공법에 따른 장단점을 분석함으로서 품질관리 주요 인자를 도출하고, 국내 시공현장의 시공실태를 조사하여 품질관리에 따른 문제점을 도출, 반영하여 체결특성 실험을 실시하였으며 실험결과에 대한 각 요인별 상관관계를 분석하여 전동렌치 전류량 측정 예비실험을 실시하였다.
육각 고력볼트의 토크관리법 체결방법은 Fig 1 고력볼트를 Fig 2의 토크제어형 전동렌치를 이용하여 체결한다. 체결토크를 결정하기 위해서는 체결 당일 축력계에 볼트 5개에 대한 토크검사를 실시한후 체결토크를 결정하고 전동렌치의 토크를 설정하여 체결을 실시한다.
축력과 누적전류량 측정 실험결과에 대한 분석에서 누적전류량은 전동렌치가 초기 기동된 후 너트가 회전하기 시작하는 시점(최소 전류값)에서 핀테일이 파단 되는 시점(최대 전류값)까지의 누적전류 량으로 계산하였다. Table 5에는 기준이 되는 축력계 축력값은 측정 축력으로, 누적전류량을 Fig.
축력과 누적전류량 측정실험은 유압식 축력계(SKIDMORE MS-102, U.S.A)에 TS 고력볼트를 설치하고 전동렌치(TONE GH-242HRZ / 9rpm, 일본)로 핀테일이 파단 될 때까지 체결하였다. 이 과정에서 축력계로 기준이 되는 축력값을 측정하였고, 전력품질분석기로 초당 10회의 전압과 전류의 RMS값을 계측하였다.

대상 데이터

실험에 사용된 볼트는 F10T M20×140 TS 고력볼트이며, 실험계획은 Table 1과 같다.
실험에 사용된 볼트는 F10T M20×85 TS 고력볼트이며, 실험계획은 Table 4와 같다.

데이터처리

고력볼트 축력변동에 영향을 미치는 중요인자를 분석하기 위해 시공현장 조건을 반영한 고력볼트 체결특성 실험결과를 분석하여 각 요인별 상관관계를 공학통계 전용 Minitab 프로그램(Ver. 17.1.0)을 이용하여 분석하였다.

성능/효과

(1) 현장 환경조건을 반영한 핀테일 파단 시 축력 실험결과 상온 정상조건 축력(평균 182.5)과 비교하여 1초 침적조건 24%, 30분 침적조건 23%, 외기노출 30일 조건 12%, 녹 발생 30일 조건에서 28%의 축력이 감소되었으며 표준편차도 크게 나타났다.
(2) 고력볼트 체결특성 실험결과에 대한 상관관계 분석결과, 축력-토크계수(상관계수 -0.994, P값0.001), 축력-너트회전각(상관계수 0.920, P값 0.027), 토크계수-너트회전각(상관계수 -0.944, P값 0.016)으로 분석되었다.
(3) TS 고력볼트(M20×85)를 전동렌치로 체결할 때 사용되는 전류량(누적에너지)과 축력의 상관관계 예비실험에서 측정 축력과 회귀분석반영 축력에 대한 표준편차를 산출한 결과 0.354∼11.314로 분석 었으며, 회귀분석 결과 95% 신뢰구간에서 R-제곱값은 67.5%로 분석되었다.
Fig. 15는 축력과 누적전류량의 회귀분석결과 및 적합선 그림이며, 회귀분석결과 95% 신뢰구간에서 R-제곱값은 67.5%로 분석되었으며, 예비실험 결과서 의미가 있는 것으로 판단되며, 본실험을 통해 좀 더 정량적인 많은 실험데이터를 확보함으로서 신뢰도를 향상시킬 수 있을 것이라고 판단된다.
고력볼트 체결특성 실험결과에 대한 상관관계 분석결과 축력과 너트회전각이 상관계수가 높게 나타났다. 따라서 고력볼트를 체결하는 전동렌치에 사용 되는 전류의 누적량과 너트회전량, 즉 축력과 상관관계를 실험적으로 규명하기 위해 전동렌치에서 사용되었던 누적전류량을 측정하기 위한 예비실험을 실시하였다.
상관관계 분석결과는 Table 3과 같이 상관관계가 있는 요인은(유의수준 0.05이하) 축력-토크계수(상관 계수 -0.994, P값 0.001), 축력-너트회전각(상관계수 0.920, P값 0.027), 토크계수-너트회전각(상관계수 -0.944, P값 0.016)으로 분석되었다. 특히 그 중에 축력-토크계수가 강한 상관관계를 보였으며, 상관계수가 (-)로 나타난 것은 식 (1)과 같이 토크계수가 축력 및 너트회전각과 반비례 관계이기 때문이다.
토크는 축력과 토크계수, 너트회전각과 관계가 없는 것으로 나타났다. 이는 핀테일의 파단토크는 축력과 관계없이 일정하게 파단 되는 볼트의 특성으로 분석된다.
핀테일 파단 시 축력은 Fig 9와 같이 정상조건 축력(평균 182.5kN)과 비교하여 1초 침적 조건 24%, 30분 침적 조건 23%, 외기노출 30일 조건 12%, 녹발생 30일 조건에서 28%의 축력이 감소되었으며 표준편차도 크게 나타났다. 축력이 감소한 이유는 식 (1)에서 수분 침적 등으로 토크계수가 증가되어 축력은 감소되었기 때문이다.
핀테일 파단 시 토크계수는 Fig 8과 같이 상온의 정상조건 토크계수(평균 0.146)와 비교하여 1초 침적 조건에서 31%, 30분 침적 조건에서 30%, 녹 발생 30일 조건에서 38% 증가하여 일본강구조협회규격 JSS Ⅱ09에서 권장하고 있는 토크계수의 범위 0.110 ∼0.170 을 만족하지 못하였다.

후속연구

TS 고력볼트는 현장 환경에 따라 토크계수가 변동되어 핀테일이 파단 되어도 적정축력을 도입되지 못하는 경우를 실험결과를 통해 규명됨에 따라 개량된 체결공법과 과학화된 검사방법에 대한 개발 필요성이 도출되었다. 향후 직접인장 확인법이 적용된 스마트와셔 및 자동화된 축력 검사방법에 대한 개발이 지속적으로 필요할 것으로 판단되며, 전류량 분석 예비실험결과를 바탕으로 본실험에서 더 발전된 결과가 도출될 것으로 기대하고 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구조물용 토크-전단형 고력볼트는 무엇으로 체결을 실시하는가?	국내 철골조립현장에 주로 사용되고 있는 구조물용 토크-전단형 고력볼트(이하, TS 고력볼트)는 토크관리법으로 체결을 실시하는 볼트이기 때문에 마찰접합용 고력육각볼트(이하, 육각 고력볼트)를 조일 경우와 동일하게 1차체결 → 금매김 → 본체결 순서로 실시하여야 하며, 토크계수 관리를 철저 하게 하여야 한다. 그러나 현장에서는 이러한 문제점을 인식하지 못하고 핀테일이 파단 되면 체결이 완료되는 것으로 오인하는 경우가 있다.
	고력볼트 접합부의 구조성능은 무엇에 좌우되는가?	그러나 현장에서는 이러한 문제점을 인식하지 못하고 핀테일이 파단 되면 체결이 완료되는 것으로 오인하는 경우가 있다. 고력볼트 접합부의 구조성능은 볼트에 도입되는 축력과 접합면의 표면처리 상태에 좌우된다. 특히 볼트에 도입 되는 축력은 모든 볼트에 대해 일정한 크기로 도입되기 어려우며 작업환경 및 기기 여건 등에 따라 약간의 편차가 존재한다.
	현장에서 구조물용 토크-전단형 고력볼트를 사용할 때 어떤 문제가 있는가?	국내 철골조립현장에 주로 사용되고 있는 구조물용 토크-전단형 고력볼트(이하, TS 고력볼트)는 토크관리법으로 체결을 실시하는 볼트이기 때문에 마찰접합용 고력육각볼트(이하, 육각 고력볼트)를 조일 경우와 동일하게 1차체결 → 금매김 → 본체결 순서로 실시하여야 하며, 토크계수 관리를 철저 하게 하여야 한다. 그러나 현장에서는 이러한 문제점을 인식하지 못하고 핀테일이 파단 되면 체결이 완료되는 것으로 오인하는 경우가 있다. 고력볼트 접합부의 구조성능은 볼트에 도입되는 축력과 접합면의 표면처리 상태에 좌우된다.

참고문헌 (12)

ASTM F 2280-06 (2006), Twist Off Type Tension Control Structural Bolt/Nut/Washer Assemblies, Steel, Heat Treated, 150ksi Minimum Tensile Strength, ASTM International, Philadelphia, PA, USA.
ASTM F959M, Standard Specification for Compressible-Washer-Type Direct Tension Indicators for use with Structural Fasteners, ASTM International, Philadelphia, PA, USA.
Kim, J. H. (2001). An Experimental Study on the Structural Behavior in Friction Type Bolted Joints Clamping by F13T Grade High Strength Bolt, Journal of Architectural Institute of Korea, Vol. 17, No. 2, pp. 53-61.
Lee, H. J., Nah, H. S., Kim, K. S., Kim, j. h., and Kim, J. M. (2008). "Experimental Study on the Torque Coefficient and Clamping Force of High Strength Bolts Subjected to Environmental Parameters", Journal of Korean Steel Structure, KSSC, Vol. 20, No. 1, pp. 43-53.
Nah, H. S., Lee, H. J., and Choi, S. M. (2014), "Evaluating long-term relaxation of high strength bolts considering coating on slip faying surface", Steel and Composite Structures, Vol. 16, No. 6, pp. 703-718.

상세보기
Nah, H. S., Lee, H. J., Ryoo, J. Y., and Choi, S. M. (2012), "Estimation of Long Term Clamping Force of High Strength Bolts By Coating Thickness Parameters of Slip Faying Surfaces", J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Vol. 3, No. 1, pp.8-15.

원문보기 상세보기
Nah, H. S., and Lee, H. J. (2012), "Evaluation on Clamping Force of High Strength Bolts by Coating Parameters of Faying Surfaces", Corrosion science and technology. Vol. 11, No. 2, pp.48-56.

원문보기 상세보기
Nah, H. S., Lee, H. J., Kim, K. S., Kim, J. H., and Kim, W. B. (2010), "Evaluating Relaxation of High-strength Bolts by Parameters on Slip Faying Surfaces of Bolted Connections", International Journal of Steel Structures, Vol. 10, No. 3, pp. 295-303.

상세보기
Nah, H. S., Lee, H. J., Kim, K. S., Kim, J. H., and Kim, W. B. (2009a), "Method for Estimating the Clamping Force of High Strength Bolts Subjected to Temperature Variation", International Journal of Steel Structures, Vol. 9, No. 2, pp. 123-130.

상세보기
Nah, H. S., Lee, H. J., Kim, K. S., Kim, J. H., and Kim, W. B. (2009b), "Evaluation of Slip Coefficient of Slip Critical Joints with High Strength Bolts", Structural Engineers & Mechanics, Vol. 32, No. 4, pp. 477-488.

상세보기
Nah, H. S., et al. (2007), "Development a Technology of Improving Performance on Bolted Connection of Steel Structure", Research Report, Korea Electric Power Research Institute
RCSC Committee (2004), Specification for Structural Joints Using ASTM A325 or A490 Bolts, AISC Inc., Chicago, Illinois, USA.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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