[논문]실내환경과 건설현장 온도변수를 고려한 고력볼트 체결력 예측

나환선; 이현주

doi:10.11004/kosacs.2015.6.3.032

실내환경과 건설현장 온도변수를 고려한 고력볼트 체결력 예측
Estimation on Clamping Force of High Strength Bolts Considering Temperature Variable of Both Site conditions and Indoor Environments 원문보기

복합신소재구조학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, v.6 no.3, 2015년, pp.32 - 40

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The torque shear high strength bolt is clamped normally at the break of pin-tail specified. However, the clamping forces on slip critical connections do not often meet the required tension, as it considerably fluctuates due to torque coefficient dependent on lubricant affected temperature. In this study, the clamping tests of torque shear bolts were conducted independently at indoor conditions and at construction site conditions. During last six years, temperature of candidated site conditions was recorded from $-11^{\circ}C$ to $34^{\circ}C$. The indoor temperature condition was ranged from $-10^{\circ}C$ to $50^{\circ}C$ at each $10^{\circ}C$ interval. As for site conditions, the clamping force was reached in the range from 159 to 210 kN and the torque value was from 405 to $556 N{\cdot}m$. The range of torque coefficient at indoor conditions was analyzed from 0.126 to 0.158 while tensions were indicated from 179 to 192 kN. The torque coefficient at site conditions was ranged from 0.118 to 0.152. Based on this test, the variable trends of torque coefficient, tension subjected temperature can be taken by statistic regressive analysis. The variable of torque coefficient under the indoor conditions is $0.13%/^{\circ}C$ while it reaches $2.73%/^{\circ}C$ at actual site conditions. When the indoor trends and site conditions is combined, the modified variable of torque coefficient can be expected as $0.2%/^{\circ}C$. and the modified variable of tension can be determined as $0.18%/^{\circ}C$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 실내 실험실에서 수행된 결과와 다양한 건설현장에서 품질검사로 수행되었던 고력볼트의 축력에 대한 데이터를 취득하여 각각의 결과를 분석하고 또 비교함으로써 다양한 경우에 발생된 고력볼트의 온도변수에 대한 누적데이터를 통해 축력의 최적 예측을 수행하고자 하였다. 또한 국내 건설현장에서 사용되었던 TS고력볼트에 대한 현장 축력을 측정하고 현장 온도조건, 강수량의 영향에 따른 축력 변화의 수준을 분석하고자 하였다.
본 연구는 24개 건설현장에서 체결전 품질검사를 목적으로 토크전단형 고력볼트에 대한 핀테일 파단 시점의 축력에 대해 지난 5년간 측정데이터와 실내 실험결과를 비교분석하고 현장조건을 고려한 실제 고력볼트의 축력을 예측하기 위한 목적으로 수행되었다. 실험대상은 S10T, M20 TS고력볼트였다.
위와 같은 문제점이 실제 건설현장에서 얼마나 대두되는지를 사실 확인하거나 검증한 사례는 거의 없다. 본 연구에서는 실내 실험실에서 수행된 결과와 다양한 건설현장에서 품질검사로 수행되었던 고력볼트의 축력에 대한 데이터를 취득하여 각각의 결과를 분석하고 또 비교함으로써 다양한 경우에 발생된 고력볼트의 온도변수에 대한 누적데이터를 통해 축력의 최적 예측을 수행하고자 하였다. 또한 국내 건설현장에서 사용되었던 TS고력볼트에 대한 현장 축력을 측정하고 현장 온도조건, 강수량의 영향에 따른 축력 변화의 수준을 분석하고자 하였다.

제안 방법

24개 건설현장의 측정일 기준 평균온도분포는 -11∼34℃였으며, 이때의 온도와 토크계수의 관계를 살펴보기 위해 토크의 분포를 확인하였다.
Fig. 4에서 정상 온도조건(10∼30℃)과 비정상 온도조건일때 각각 유사한 현장온도에서 고력볼트 축력을 각각 비교하였다.
앞서 축력의 변동폭에 대해서도 분석하였듯이 실내실험결과와 현장측정결과는 주변 환경적인 복합요인이외에도 고력볼트의 현장저장 조건과 입고 일자 그리고 현장의 품질관리수준에 따라 달라지고 있음을 확인하였다. 따라서 Fig. 13과 같이 실내실험 결과와 현장계측 데이터를 통합하여 토크계수에 대한 현장 신뢰도를 반영한 산술평균과 추세선을 분석하였다. 회귀분석 결과, 토크전단형 고력볼트의 토크계수는 1℃당 0.
따라서 본 연구에서는 실제 측정일자와 시간의 현장온도를 적용하였는데 Table 2와 같이 -11∼34℃의 온도분포를 보였다.
토크전단형 고력볼트의 온도범위는 한국표준규격KS B 2819에 정상온도조건과 비정상온도조건으로 구분되어 있다. 따라서 현장 축력결과도 위 2가지 종류로 구분하여 분석하였다. 정상온도조건 10∼30℃의 경우는 12개소이며, 온도와 축력이 상관관계는 Fig.
DTI는 ASTM F959에서 명시하고 있는 축력확 인방법으로 특수한 와셔를 이용하지만 국내 상용제품이 없어서 국외제품을 적용하였다. 실내실험은 -10, 0, 10, 20, 30, 40, 50℃의 온도조건에서 각각 10개씩의 고력볼트를 선정하였다.
150에 해당하는 것으로 추정할 뿐이다. 이 연구는 시험대상 현장의 고력볼트에 대한 축력과 토크를 결정한 다음 토크계수를 추정하였다. 24개 건설현장의 측정일 기준 평균온도 범위는 -11℃의 경우를 제외하면 0℃이상 조건이었고 최소온도가 3℃이었다.
14와 같이 비교하였다. 이번 연구결과는 토크전단형 고력볼트의 핀테일이 파단되는 시점을 기준으로 축력, 토크, 토크계수를 판별하였다. 국외의 결과는 일반육각머리 고력볼트를 그 연구대상으로 하였고 연구시점도 상당한 차이가 있어서 단순비교는 쉽지 않지만 이번 연구결과, 0.
실내실험 대상 고력볼트는 S10T, 직경 20mm (M20)이었으며 길이는 70mm로 선정하였다. 체결력을 확인하는 방법으로 로드셀, DTI (Direct Tension Indicator), 축력계를 이용하여 도입된 축력을 추정하였다. DTI는 ASTM F959에서 명시하고 있는 축력확 인방법으로 특수한 와셔를 이용하지만 국내 상용제품이 없어서 국외제품을 적용하였다.
시험대상 고력볼트의 수량은 품질검사 목적으로 최소 5개로 선정하고 길이변수는 고려하지 않았으며 현장 온도조건을 검사보고서에 기록하였다. 축력확인방법은 축력계와 DTI를 병행하여 적용하였다.
실험대상은 S10T, M20 TS고력볼트였다. 현장 계측결과와 실내실험결과를 통합하여 도입축력, 토크계수의 상관관계를 고찰하였고 그 결과를 회귀분석하고 온도변화에 따른 체결축력을 수식으로 도출하였다. 실내실험의 경우, -10, 0, 10, 20, 30, 40, 5 0℃조건에서 각각 10개씩 그 대상으로 선정하였다.

대상 데이터

또한 현장계측의 경우, 2008년∼2014년까지 24개 건설현장에서 계측된 고력볼트의 축력, 토크, 토크계수가 그 대상이었다. 고력볼트 종류는 S10T, 직경 20mm(M20)이었으며 길이는 현장특성에 따라 70, 75, 85, 90, 95mm로 다양하였다. 시험대상 고력볼트의 수량은 품질검사 목적으로 최소 5개로 선정하고 길이변수는 고려하지 않았으며 현장 온도조건을 검사보고서에 기록하였다.
대상 건설현장년도는 Table 1과 같이 2008년부터 2014년까지 총 24개소였으며 2012년에는 계측기회가 없었다. 현장은 제주도를 제외한 전국에 골고루 분포되어 있었다.
또한 현장계측의 경우, 2008년∼2014년까지 24개 건설현장에서 계측된 고력볼트의 축력, 토크, 토크계수가 그 대상이었다.
실내실험 대상 고력볼트는 S10T, 직경 20mm (M20)이었으며 길이는 70mm로 선정하였다. 체결력을 확인하는 방법으로 로드셀, DTI (Direct Tension Indicator), 축력계를 이용하여 도입된 축력을 추정하였다.
현장 계측결과와 실내실험결과를 통합하여 도입축력, 토크계수의 상관관계를 고찰하였고 그 결과를 회귀분석하고 온도변화에 따른 체결축력을 수식으로 도출하였다. 실내실험의 경우, -10, 0, 10, 20, 30, 40, 5 0℃조건에서 각각 10개씩 그 대상으로 선정하였다. 반면 현장체결 데이터의 경우, 현장특성상 5개의 고력볼트를 선정하여 그 결과를 분석하였다.
본 연구는 24개 건설현장에서 체결전 품질검사를 목적으로 토크전단형 고력볼트에 대한 핀테일 파단 시점의 축력에 대해 지난 5년간 측정데이터와 실내 실험결과를 비교분석하고 현장조건을 고려한 실제 고력볼트의 축력을 예측하기 위한 목적으로 수행되었다. 실험대상은 S10T, M20 TS고력볼트였다. 현장 계측결과와 실내실험결과를 통합하여 도입축력, 토크계수의 상관관계를 고찰하였고 그 결과를 회귀분석하고 온도변화에 따른 체결축력을 수식으로 도출하였다.
대상 건설현장년도는 Table 1과 같이 2008년부터 2014년까지 총 24개소였으며 2012년에는 계측기회가 없었다. 현장은 제주도를 제외한 전국에 골고루 분포되어 있었다.

성능/효과

이 연구는 시험대상 현장의 고력볼트에 대한 축력과 토크를 결정한 다음 토크계수를 추정하였다. 24개 건설현장의 측정일 기준 평균온도 범위는 -11℃의 경우를 제외하면 0℃이상 조건이었고 최소온도가 3℃이었다. 축력 분포를 종합한 결과는 Fig.
각각 현장의 평균토크범위는 447∼554 N·m을 나 타냈으며 24개 현장 토크 평균은 509 N·m, 24개 현장의 평균 토크계수는 0.13으로 분석되었다.
이처럼 동일한 온도조건에서도 별도의 외형변수 때문에 각각 다른 축력이 나타날 가능성이 있다. 두 번째, 명지(No.5)현장과 신김포 (No.6)현장온도는 5℃, 신파주(No.3)현장온도는 4.6℃로 거의 동일하거나 유사한 경우의 축력을 비교했을 때. 이 현장에서 측정된 고력볼트의 평균축력은 184, 184, 183kN 이었다.
또한, 각 온도조건별 표준편차의 범위는 0.004∼ 0.008로 TS볼트의 표준편차는 규정에 없으나, 일반 육각 고력볼트 토크계수의 표준편차 0.01 기준을 만족하고 있었다.
또한, 이 문헌들에 따르면 토크계수 변동은 온도변수에 대해 선형적인 회귀분석이 가능했으며, -20℃∼40℃온도 범위내에서 온도가 상승함에 따라 토크계수는 감소하였다.
실험결과 중 -10℃, 0℃에서 일부축력이 표준볼트축력 이하의 값을 보였다. 실내실험 결과에 따르면 볼트의 온도가 상승할수록 체결 축력도 점차 증가되는 현상을 보였다. 핀테일 파단시점의 토 크계수는 0.
실내실험의 경우 일정한 온도, 습도조건에서 체결 축력을 분석하였기 때문에 실내실험의 결과는 건설현장의 측정데이터보다 신뢰도가 높았다. 실내실험결과를 바탕으로 온도변수를 고려한 축력의 선형 회귀분석한 결과는 다음 식(1)과 같다.
앞서 축력의 변동폭에 대해서도 분석하였듯이 실내실험결과와 현장측정결과는 주변 환경적인 복합요인이외에도 고력볼트의 현장저장 조건과 입고 일자 그리고 현장의 품질관리수준에 따라 달라지고 있음을 확인하였다. 따라서 Fig.
TS 고력볼트의 핀테일이 파단될 때 주변 온도별 체결축력 평균값의 범위는 179∼192 kN이었다. 이 결과는 건축구조설계기준에서 요구하는 설계볼트장력 162kN과 표준볼트축력 178kN을 모두 만족하는 값이다. 실험결과 중 -10℃, 0℃에서 일부축력이 표준볼트축력 이하의 값을 보였다.
또한 Abdalla의 연구에서는 윤활유의 다양한 조건과 볼트 길이에 따른 토크계수 변동을 분석했다. 이 연구에서는 실험결과와 해석결과를 비교하였는데 대 략 23%의 차이가 발생한다고 발표하였다.(Abdalla et al.
지난 5년간 현장에서 계측한 결과, 각각 현장의 평균토크범위는 447∼554 N·m을 나타냈으며 24개 현장 토크 평균은 509 N·m, 24개 현장의 평균 토 크계수는 0.13으로 분석되었다.
4에서 정상 온도조건(10∼30℃)과 비정상 온도조건일때 각각 유사한 현장온도에서 고력볼트 축력을 각각 비교하였다. 첫번째, 현저(No.16)현장은 온도 11.5℃였으며, 평균축력은 173kN이었으며 노포 (No.13)현장의 경우는 온도 13℃일 때 평균축력이 183kN이었다. 이 결과는 현저현장에서 측정일에 0.
현장측정결과인 토크에 근거한 토크계수 변동폭은 축력과 마찬가지로 실내실험결과와 비교할 때 1℃ 당 2.73%로 상당한 차이를 보였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TS고력볼트의 KS기준은 언제 제정되었는가?	TS고력볼트의 KS기준은 2003년 제정되었으며, KS F10T, S10T에 해당하는 ASTM F2280이 2006년에 제정되었고, KS F10T에 대한 기술시방서를 비롯하여 관련 기술기준이 정립된 건 국내 외를 살펴봐도 최근 10년 내외에 불과하다. TS고력볼트는 일정한 토크에서 핀테일이 파단되도록 유도된 제품이지만 토크관리 법에 근거하고 있다.
	본 연구에서 토크전단형 고력볼트에 대한 온도의존성을 검증하기 위한 실내실험의 결과는 어떠한가?	2) 토크전단형 고력볼트에 대한 온도의존성을 검증하기위해 수행된 실내실험과 현장측정결과를 비교분석하고 통합한 토크계수의 결과는 다음과 같다. 실내실험은 각 온도별로 10개의 시험체로 구성하고 온도구간별 평균 토크계수에 대한 온도구간별 변화 추이는 1℃당 0.13%/℃이었다.
	TS고력볼트의 문제점은 무엇인가?	한국과 일본의 경우에는 2000년대 이후 육각머리 고력볼트보다 핀테일이 파단되는 외형적 특성때문에 토크전단형 고력볼트(이하, TS고력 볼트)를 주로 사용하고 있다. TS고력볼트의 경우, 건 설현장의 작업자는 물론 관리감독자조차 TS고력볼트 의 핀테일이 파단되면 적정축력이 도입될 것으로 오해하고 있지만 실제로는 외부환경조건에 따라 볼트 나사산, 와셔에 도포된 윤활유의 점도변화는 물론 이 물질의 부착여부 등 다양한 현장조건에 따라서 토크 계수가 변하고 설계조건에 필요한 축력이 도입되지 못하거나 과도하게 체결될 경우가 종종 발생한다. 위와 같은 문제점이 실제 건설현장에서 얼마나 대두되는지를 사실 확인하거나 검증한 사례는 거의 없다.

참고문헌 (13)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
Nah, H. S., Lee, H. J., Choi, S. M. and Kim, W. B.(2015), "Analysis on Variation of Torque Co-efficient by Ambient Temperature of High Strength Bolt", Proc. 5th KOSACS Conference, Jeju, Korea, pp.95-96 (in Korean).
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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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