[논문]2개의 볼트를 갖는 고강도 알루미늄 합금 일면전단 볼트접합부의 내력

강현식; 김태수

doi:10.7781/kjoss.2018.30.2.087

2개의 볼트를 갖는 고강도 알루미늄 합금 일면전단 볼트접합부의 내력
Strength of High Strength Aluminum Alloys Single Shear Bolted Connections with Two Bolts 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.30 no.2, 2018년, pp.87 - 96

강현식 (경남과학기술대학교, 건축공학과) , 김태수 (한밭대학교, 건축공학과)

초록
AI-Helper

본 연구는 유한요소해석을 적용하여 고강도 알루미늄 합금(7075-T6)의 2개 볼트로 구성된 일면전단 볼트접합부의 구조거동과 면외변형에 의한 최대내력에 미치는 영향을 조사하는 것을 연구목적으로 한다. 볼트접합부의 구조거동을 예측하는데 있어 기존실험결과와 해석결과의 비교를 통해 유한요소해석의 타당성을 검증하였다. 면외변형 발생으로 볼트접합부의 내력저하정도를 정량적으로 평가하였다. 연단거리에 대한 추가적인 변수해석이 수행되었고 하중방향연단거리와 하중직각방향연단거리에 따른 면외변형 발생조건을 제시하였다. 최종적으로 알루미늄 합금 7075-T6 볼트접합부에 대한 면외변형의 영향을 고려한 수정내력식을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study is aiming at investigating the ultimate behaviors and curling influence on the ultimate strength in high strength aluminum alloys (7075-T6) single shear two-bolted connections using finite element analysis. The validation of finite element analysis for predicting the ultimate behaviors was verified through the comparison between previous test results and analysis predictions. Strength reduction due to curling occurrence was estimated quantitatively. Parametric analyses with extended variables were conducted and the conditions of curling occurrence according to end distance and edge distance were suggested. Finally, modified equation was suggested considering curling influence on the ultimate strength of aluminum alloys 7075-T6 bolted connections.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

유한요소해석 법의 타당성을 토대로 하중직각방향 및 하중방향연단거리에 추가적인 변수해석을 통해 볼트접합부의 최대내력 및 구조적 거동을 분석하고, 면외변형의 발생이 최대내력에 미치는 영향을 조사한다. 또한 해석결과 내력과 현행설계기준식에 의한 예측내력을 비교하여 면외변형의 영향을 고려한 2행 1열 고강도 알루미늄 합금(7075-T6)의 일면전단 볼트접합부에 관한 수정내력식을 제안하는 것을 연구목적으로 한다.
본 연구는 고강도 알루미늄 합금 7075-T6로 제작된 2행 1열 일면전단 볼트접합부(공칭평판두께 2.0mm, 볼트직경 12mm, 피치와 게이지 36mm)의 기존실험연구결과를 토대로 유한 요소해석모델을 구축하고 해석의 타당성을 검증하였다. 하중방향연단거리와 하중직각방향연단거리를 추가변수로 하여 해석을 수행하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.
본 연구는 국내 알루미늄합금의 구조재료지정과 설계기준을 위한 알루미늄합금의 구조거동에 관한 기초연구의 일환으로 수행되었다. 구조용으로 가장 많이 사용되고 있는 알루미늄 합금인 6061-T6(Al-Mg-Si 합금)으로 제작된 일면전단 볼트접합부의 구조적 거동에 관한 실험적 및 해석적 연구로 하중직각방향으로 발생되는 볼트의 지압에 의한 판의 국부 좌굴 일종인 면외변형(Curling)의 영향을 조사하였다^[1],[4] .
본 연구에서는 Cho and Kim^[4]에 의해 수행된 유한요소해석을 이용한 6061-T6의 일면전단 볼트접합부의 최대내력 평가에 관한 연구에서와 같이 고강도 알루미늄 합금 7075-T6 볼트접합부에서 내력에 미치는 면외변형의 영향을 조사하기 위해 Kim and Cho^[6]에 의해서 수행된 알루미늄 합금(7075-T6)의 볼트접합부 중 2행 1열의 볼트배열에 대한 실험결과를 바탕으로 유한요소해석을 실시하고자 한다. 유한요소해석 법의 타당성을 토대로 하중직각방향 및 하중방향연단거리에 추가적인 변수해석을 통해 볼트접합부의 최대내력 및 구조적 거동을 분석하고, 면외변형의 발생이 최대내력에 미치는 영향을 조사한다.
Table 1의 실험체에서 주요변수인 하중방향연단거리(e)를 24mm에서 60mm까지 변화시켜 제작하였고, 하중직각 향연단거리(b)는 60mm로 고정하였다. 본 절에서는 하중 방향연단거리뿐만 아니라 하중직각방향연단거리의 변화에 따른 7075-T6의 일면전단 볼트접합부의 면외변형 발생여부, 파단형태, 최대내력에 미치는 영향을 조사하기 위해 30mm, 36mm, 48mm의 하중직각방향연단거리를 추가하여 유한요소해석을 실시하였다. 또한, 면외변형의 발생에 의한 최대 내력 저하정도를 정량적으로 평가하기 위해 Fig.

가설 설정

볼트의 전단파단에 대해서는 고려하지 않는 것으로 하여 강체요소(Rigid cylindrical body)로 한다. 너트와 와셔에 의한 볼트구멍 주위의 두께방향 변위 구속효과를 고려하여 볼트구멍 벽을 판두께방향 변위(U₃)를고정하였다. 평판의 메쉬는 볼트구멍 주변의 30mm 영역을판 두께(t)를 기준으로 두께방향에 대해서는 3등분하고, 표면에 대해서는 1.
현행설계기준에서 블록전단파단(BS)은 볼트간 인장파단과 하중방향 전단파단의 조합으로 정의되고 있으며, 볼트간 인장 파단과 볼트지압에 의해 하중방향으로 전단파단선을 따라 응력이 집중되었지만, 하중방향으로의 전단파단의 발생하지 않고 평판두께방향으로 면외변형이 발생하였다. 현행기준 식에서는 이러한 파단형태가 규정되어 있지 않고 볼트간 인장파단과 하중방향 전단응력집중이라는 개념을 토대로 Table 1에서 실험종료시점에서 파단형태를 블록전단파단(BS)으로 가정하였다. Fig.

제안 방법

추가적으로, 3.4절에서 제시된 면외변형에 의한 내력저하조건인 하중직각방향연단거리 30mm 이상 하중방향 연단 거리 36mm 이상인 해석모델은 최대내력시점에서 파단형태가 볼트지압에 의한 면외변형이 발생하여 최대내력이 결정되었기 때문에 두 기준(AISI, AAA)에서 제시한 지압파단(Bearing fracture)식에 의한 예측내력과 비교하였다.
(2) 하중직각방향 연단거리(b)를 기존실험의 60mm이외에 30mm, 36mm, 48mm를 추가하여 변수해석을 실시하였고 면외변형에 의한 내력저하조건을 제시하였다(하중방향 연단거리가 36~60mm의 범위와 하중직각방향연단거리가 30~60mm의 범위를 만족하는 경우). 볼트지압에 의한 평판의 면외변형에 의한 내력저하는 4~21%로 나타났고, 연단거리가 증가함에도 불구하고 내력상승효과는 없었다.
3.1절과 3.2절의 절차에 따라 유한요소해석을 실시하였고 그 결과를 Table 3에 2장의 기존 실험결과와 해석결과의 최대내력(Pue, Pua), 파단형태(FM), 면외변형 발생여부, 최대내력비(Pua / Pue)를 정리하였다.
에 의한 연구결과, 일면전단과 이면전단 볼트접합부의 전단접합 형태에 따른 구조거동을 비교하였을 때 면외변형 발생으로 일면전단 볼트접합부의 내력이 4~30% 저하되었다^[5] . 6061-T6에 비해 고가이고 용접성은 좋지 않으나, 항복강도와 인장강도가 약 2배 높은 고강도 알루미늄 합금인 7075-T6(Al-Zn-Mg-Cu 합금)을 사용한 일면전단 볼트접합부의 구조거동과 알루미늄 합금의 기계적 성질에 따른 거동 차이를 조사하기 위해 기존의 6061-T6 일면전단 볼트접합부의 실험결과와 비교하였다^[6] . 알루미늄 합금 6061-T6 볼트접합부는 면외변형 발생후 내력이 저하되고 볼트간 인장파단이 발생하여 실험이 종료되었으나 고강도이고 연신율이 낮은 알루미늄 합금 7075-T6의 볼트접합부는 면외변형 발생·진전과 함께 볼트간 인장파단이 거의 동시에 발생해서 최대내력이 결정되는 결과가 나타났다.
본 연구는 국내 알루미늄합금의 구조재료지정과 설계기준을 위한 알루미늄합금의 구조거동에 관한 기초연구의 일환으로 수행되었다. 구조용으로 가장 많이 사용되고 있는 알루미늄 합금인 6061-T6(Al-Mg-Si 합금)으로 제작된 일면전단 볼트접합부의 구조적 거동에 관한 실험적 및 해석적 연구로 하중직각방향으로 발생되는 볼트의 지압에 의한 판의 국부 좌굴 일종인 면외변형(Curling)의 영향을 조사하였다^[1],[4] . Cho et al.
면외변형이 접합부의 최대내력에 미치는 영향을 조사하기 위하여 연단에서 두께방향의 변위(U3)를 구속시킨 모델(면외변형이 발생하지 않는 모델)을 대상으로 추가적인 해석을 수행하였다. 두께방향 변위를 구속한 최대내력(P_uaR)에 대한 면외변형이 구속되지 않은 해석모델의 최대내력비(P_ua/P_uaR)를 Table 4에 정리하였다.
본 연구에서는 2장의 기존 실험결과를 바탕으로 비선형 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS로 다음과 같이 해석모델을 구축하여 해석을 진행하였다.
볼트접합부 해석모델은 해석 단계에서 면외변형과 같은 기하비선형을 고려하기 위해 대변형기능을 설정하였다. 적용 요소(Element) 전단잠김현상을 방지하고 휨에 대한 해석에 적합한 8개의 절점을 가진 비적합모드(Incompatible mode) 요소인 C3D8I를 사용하였다.
볼트접합부에서 볼트의 전단파단이 아닌 접합평판의 블록전단파단(Block Shear fracture, BS)을 유도하기 위하여 하중직각방향연단거리(b=60)를 충분히 길게 계획하였고, 하중방향연단거리(e)를 24~60mm(2.0d, 2.5d, 3.0d, 4.0d, 5.0d)의 범위로 설정하였다. 평판두께(t)는 2.
에 의해서 수행된 알루미늄 합금(7075-T6)의 볼트접합부 중 2행 1열의 볼트배열에 대한 실험결과를 바탕으로 유한요소해석을 실시하고자 한다. 유한요소해석 법의 타당성을 토대로 하중직각방향 및 하중방향연단거리에 추가적인 변수해석을 통해 볼트접합부의 최대내력 및 구조적 거동을 분석하고, 면외변형의 발생이 최대내력에 미치는 영향을 조사한다. 또한 해석결과 내력과 현행설계기준식에 의한 예측내력을 비교하여 면외변형의 영향을 고려한 2행 1열 고강도 알루미늄 합금(7075-T6)의 일면전단 볼트접합부에 관한 수정내력식을 제안하는 것을 연구목적으로 한다.
너트와 와셔에 의한 볼트구멍 주위의 두께방향 변위 구속효과를 고려하여 볼트구멍 벽을 판두께방향 변위(U₃)를고정하였다. 평판의 메쉬는 볼트구멍 주변의 30mm 영역을판 두께(t)를 기준으로 두께방향에 대해서는 3등분하고, 표면에 대해서는 1.0mm 메쉬크기로 분할하였다.
0mm, 볼트직경 12mm, 피치와 게이지 36mm)의 기존실험연구결과를 토대로 유한 요소해석모델을 구축하고 해석의 타당성을 검증하였다. 하중방향연단거리와 하중직각방향연단거리를 추가변수로 하여 해석을 수행하였고 다음과 같은 결과를 얻었다.

대상 데이터

기존의 7075-T6의 재료시험결과^[6]중에 Table 2에 정리한 ALZ-2를 대상으로 다음과 같이 재료모델을 입력하였다. Fig.
볼트접합부 해석모델은 해석 단계에서 면외변형과 같은 기하비선형을 고려하기 위해 대변형기능을 설정하였다. 적용 요소(Element) 전단잠김현상을 방지하고 휨에 대한 해석에 적합한 8개의 절점을 가진 비적합모드(Incompatible mode) 요소인 C3D8I를 사용하였다.

이론/모형

5의 알루미늄합금(7075-T6)에 대한 응력도-변형도 곡선으로부터 알 수 있듯이 탄소강과 달리 뚜렷한 항복구간이 존재하지 않고 탄성영역을 지나 소성영역에서 재료의 비선형이 나타나고 있다. 이러한 재료의 비선형성을 해석모델에 반영하기 위해 von Mises 항복기준 및 등방경화법칙(Isotropic hardening rule)이 적용되는 탄소성재료모델을 채택 하였다^[4],[7]. 해석모델의 재료데이터는 Fig.

성능/효과

(1) 유한요소해석결과 실험결과에서 관찰된 판두께방향(하중직각방향)의 면외변형이 발생하였고 면외변형에 의한 내력저하도 발생하는 것으로 나타났다.
(3) 면외변형에 의한 내력저하가 발생된 접합부에 대해 미국철강협회(AISI)와 미국알루미늄협회(AAA)기준식에 의해 예측한 블록전단파단내력은 평균 55%, 64% 과대평가하였고, 지압파단내력은 평균 53%, 2% 과대평가하였다.
(4) 전형적인 블록전단파단식에 의해 내력을 평가할 수 없으며, 볼트의 지압에 의한 평판의 면외변형(일종의 국부좌굴)과 볼트간 인장파단에 의해 최대내력이 결정되었으므로 볼트의 지압개념과 기존의 지압파단식을 활용하여 지압계수를 제안(C=1.85)했으며, 예측정도가 개선되었다.
2는 실험결과로부터 얻은 하중-변위곡선이며 하중방향연단거리가 짧은 실험체에서는 최대내력시 점전후에서 면외변형이 발생하였고(Fig. 3(a)), 하중방향연 단거리가 긴 실험체에서는 면외변형 발생으로 일시적인 내력과 강성저하가 관찰되었고 다시 내력이 상승되었다(Fig. 3(b)).
또한 면외변형에 의한 접합부의 최대내력이 저하된 것으로 판단된 해석모델에 대해서 최대내력의 비교결과를 Table 6에 정리하였다. AISI와 AAA기준식의 최대내력비(P_ut/P_ua)의 평균값은 각각 1.55, 1.64로 면외변형에 의한 내력저하가 발생한 접합부에 대해 현행기준식 AISI와 AAA는 각각 55%, 64% 과대평가하는 것으로 나타났다. 현행기준식의 블록전단 파단식(식 (6), (7), (10), (11))에서 하중방향연단거리(e)가 증가함(즉, 전단저항순단면적: A_nv, 전단저항총단면적: A_gv가증가함)에 따라 최대내력이 증가하는 것으로 예측할 수 있지만, 해석결과에서는 면외변형에 따른 내력저하로 하중방향연 단거리가 증가함에도 불구하고 최대내력이 증가하지 않았기 때문에 현행 두 기준식에 의해 접합부의 최대내력이 과대평가된 것으로 사료된다.
0 이며, 현행기준의 지압파단식은 면외변형에 의해 내력저하된 접합부의 내력을 과대평가하는 경향을 보였다. 두 기준에서 제시하는 지압계수는 모두 면내에서 발생되는 지압파단 에서 유추한 것으로 본 연구에서 관찰된 볼트지압에 의한 판의 면외변형의 양상을 충분히 고려하지 못해 과대평가되는 것으로 볼 수 있다.
(2) 하중직각방향 연단거리(b)를 기존실험의 60mm이외에 30mm, 36mm, 48mm를 추가하여 변수해석을 실시하였고 면외변형에 의한 내력저하조건을 제시하였다(하중방향 연단거리가 36~60mm의 범위와 하중직각방향연단거리가 30~60mm의 범위를 만족하는 경우). 볼트지압에 의한 평판의 면외변형에 의한 내력저하는 4~21%로 나타났고, 연단거리가 증가함에도 불구하고 내력상승효과는 없었다.
12kN의 범위를 나타냈다. 블록전단파단된 접합부에서는 하중직각방향연단거리는 최대내력의 증가에 큰 영향을 주지 못하는 것으로 나타났고, 하중방향연단거리가 30mm에서 48mm로 증가한 경우에는 내력이 증가하는 경향을 나타낸 반면 60mm인 접합부는 48mm인 접합부보다 0.14~ 0.44kN의 범위로 오히려 감소하는 경향을 보였다.
6(b)의 응력분포와 같이 하중직각방 향의 볼트간 인장영역에서 응력집중이 관찰되었고 면외변형도 발생하였다. 실험최대내력에 대한 해석최대내력의 내력비 ( P_ua / P_ue)는 평균 0.97과 변동계수 0.053로 비교적 양호한 대응을 보였다.
알루미늄 합금 6061-T6 볼트접합부는 면외변형 발생후 내력이 저하되고 볼트간 인장파단이 발생하여 실험이 종료되었으나 고강도이고 연신율이 낮은 알루미늄 합금 7075-T6의 볼트접합부는 면외변형 발생·진전과 함께 볼트간 인장파단이 거의 동시에 발생해서 최대내력이 결정되는 결과가 나타났다.
종합하면, 7075-T6 일면전단 볼트접합부에 대한 해석결과와 실험결과와 유사한 파단형태와 면외변형이 발생하였고 상기 제시된 유한요소해석모델로 최대내력을 예측할 수 있을 것으로 판단된다. 3.
두께방향 변위를 구속한 최대내력(P_uaR)에 대한 면외변형이 구속되지 않은 해석모델의 최대내력비(P_ua/P_uaR)를 Table 4에 정리하였다. 최대내력비(P_ua/P_uaR)는 0.79~1.00범위로 나타났고 하중방향연단거리(e)가 증가할수록 내력저하가 상승하였다. 하중방향연단거리가 24mm, 30mm인 AL2TE24시리즈와 AL2TE30시리즈의 최대내력비(P_ua/P_uaR)는 1.
7). 최대내력의 경우, Table 4에서 종전단파단된 AL2TE24 시리즈는 하중직각방향연단거리가 증가해도 최대내력에는 큰 변화가 없었고, 하중방향연단거리가 AL2TE24 시리즈보다 6mm 증가한 AL2TE30 시리즈의 접합부에서는 3.85~4.17kN 내력이 증가하는 경향을 보였다. 그러나 하중방향연단거리가 30mm 이상인 접합부에서는 면외변형의 영향으로 하중방향연단거리가 60mm까지 증가해도 큰 내력상승은 없거나 오히려 내력이 작아지는 사례도 관찰되었다.
00범위로 나타났고 하중방향연단거리(e)가 증가할수록 내력저하가 상승하였다. 하중방향연단거리가 24mm, 30mm인 AL2TE24시리즈와 AL2TE30시리즈의 최대내력비(P_ua/P_uaR)는 1.00으로 면외변형에 의한 내력저하가 없는것으로 나타났다(Fig. 8(a), (b)).
현행설계기준식은 면외변형의 영향을 고려하지 않고 있기 때문에 볼트지압에 의해 판의 면외변형이 발생한 것으로 판단하여 면외변형이 내력저하에 영향을 미치는 해석모델의 최대내력과 AISI와 AAA기준식에 의한 평균 지압파단 최대 내력비(P_ut/P_ua)는 각각 1.53, 1.02로 나타났다. AISI기준식 (5)과 AAA기준식 (9)에서 지압계수(C)는 각각 3.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	알루미늄 합금은 처음에 무엇으로 사용되었는가?	알루미늄 합금(Aluminum alloys)은 처음에는 건축용 구조부재 중 외장재로 사용되기 시작했다. 1960년대에 알루미늄 합금의 압출성형기술의 발전과 건축물에 커튼월이 도입됨에 따라 알루미늄합금 시장은 급속한 성장을 해왔다[1] .
	알루미늄의 구조설계기준이 마련된 국가는 어디가 있는가?	또한 가공성, 내식성이 우수하여 생애기간 동안 건물의 유지관리비용(LCC)을 줄일 수 있다. 미국, 유럽, 일본 등에서는 알루미늄 합금을 건축구조용 재료로 인정하여 그에 따른 구조설계기준이 마련되어 다양한 분야에서 적용되고 있고 국내에서도 커튼월의 지지구조, 대공간 구조물의 지붕구조시스템 등에 사용되고 있다. 그러나, 한국건축구조기준(KBC)[2]에 알루미늄 합금이 구조용 재료로 지정 되어 있지 않아서 국내 알루미늄합금의 구조설계 기준은 대부분 미국알루미늄협회(AAA)[3]의 설계기준은 준용하고 있다.
	국내 알루미늄합금의 구조재료지정과 설계기준은 무엇을 이용하고 있는가?	미국, 유럽, 일본 등에서는 알루미늄 합금을 건축구조용 재료로 인정하여 그에 따른 구조설계기준이 마련되어 다양한 분야에서 적용되고 있고 국내에서도 커튼월의 지지구조, 대공간 구조물의 지붕구조시스템 등에 사용되고 있다. 그러나, 한국건축구조기준(KBC)[2]에 알루미늄 합금이 구조용 재료로 지정 되어 있지 않아서 국내 알루미늄합금의 구조설계 기준은 대부분 미국알루미늄협회(AAA)[3]의 설계기준은 준용하고 있다.

참고문헌 (12)

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상세보기
조용현, 최윤철, 김태수(2013) 알루미늄 합금(6061-T6) 전단접합 방법에 따른 볼트접합부의 구조거동의 비교, 대한건축학회 구조계논문집, 대한건축학회, 제29권, 제11호, pp.13-20.(Cho, Y.H., Choi, Y.C., and Kim T.S. (2013) A Comparison on the Ultimate Behavior of Bolted Connections with Aluminum Alloys (6061-T6) according to Bolt Shear Loading, Architectural Institute of Korea, Vol.29, No.11, pp. 13-20 (in Korean).)
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상세보기
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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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