KR20090126340A - 토크-전단형 고력볼트의 축력 추정 방법 - Google Patents
토크-전단형 고력볼트의 축력 추정 방법 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20090126340A KR20090126340A KR1020080052370A KR20080052370A KR20090126340A KR 20090126340 A KR20090126340 A KR 20090126340A KR 1020080052370 A KR1020080052370 A KR 1020080052370A KR 20080052370 A KR20080052370 A KR 20080052370A KR 20090126340 A KR20090126340 A KR 20090126340A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- torque
- axial force
- bolt
- strength bolt
- shear
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
- G01L5/24—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for determining value of torque or twisting moment for tightening a nut or other member which is similarly stressed
-
- G—PHYSICS
- G06—COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
- G06F—ELECTRIC DIGITAL DATA PROCESSING
- G06F17/00—Digital computing or data processing equipment or methods, specially adapted for specific functions
- G06F17/10—Complex mathematical operations
- G06F17/18—Complex mathematical operations for evaluating statistical data, e.g. average values, frequency distributions, probability functions, regression analysis
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Data Mining & Analysis (AREA)
- Mathematical Physics (AREA)
- Pure & Applied Mathematics (AREA)
- Computational Mathematics (AREA)
- Theoretical Computer Science (AREA)
- Mathematical Optimization (AREA)
- Mathematical Analysis (AREA)
- Evolutionary Biology (AREA)
- Operations Research (AREA)
- Probability & Statistics with Applications (AREA)
- Bioinformatics & Computational Biology (AREA)
- Algebra (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Databases & Information Systems (AREA)
- Software Systems (AREA)
- General Engineering & Computer Science (AREA)
- Bioinformatics & Cheminformatics (AREA)
- Testing Of Devices, Machine Parts, Or Other Structures Thereof (AREA)
- Force Measurement Appropriate To Specific Purposes (AREA)
Abstract
본 발명은 토크-전단형 고력 볼트의 축력 추정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 온도인자와 길이인자에 관한 상관관계를 통해 산출된 수식을 이용하여 철골 구조용 토크-전단형 고력 볼트의 축력을 이론적으로 추정할 수 있는 고력 볼트의 축력 방법에 관한 것이다.
토크-전단형 고력 볼트, 축력, 추정방법, 마찰접합, 강 구조물
Description
본 발명은 토크-전단형 고력 볼트 축력 추정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 온도인자와 길이인자에 관한 상관관계를 통해 산출된 수식을 이용하여 철골 구조용 토크-전단형 고력 볼트의 축력을 이론적으로 추정할 수 있는 고력 볼트의 축력 추정 방법에 관한 것이다.
토크-전단형 고력볼트는 도 1과 같이 기본적으로 토크관리법에 의해 체결되는 볼트를 말한다. 따라서 1차, 2차에 걸쳐 체결작업이 필요하며, 1차 체결은 KS규준에 따라 토크값으로 체결하는 것을 표준으로 하고 1차 체결 후의 금매김 등의 작업도 육각형 고력볼트와 동일한 요령으로 실시한다.
토크-전단형 볼트의 본 체결은 전용의 체결기기를 이용하게 되며 핀테일이 파단될 때까지 체결한다. 체결기기는 너트를 회전시키는 외부소켓과 핀테일을 회전시키는 내부소켓으로 구성되어 있다.
그러나, 상기 체결기기의 외부소켓이 주변의 부재와 접촉되거나 볼트 머리부 좌면의 마찰저항이 너트 좌면측의 마찰저항보다 작아지면 핀테일을 물고 있는 내부소켓이 회전하여 공회전 현상이 발생할 수 있다.
이러한 상태에서 핀테일이 파단된 경우 외견상 정상적인 체결작업이 진행된 것처럼 보이지만 볼트세트의 토크계수가 변동되어 실제 설치된 볼트에 도입 축력 값은 규정값에 훨씬 못 미치는 결과를 나타내곤 한다.
즉, 고력 볼트의 체결축력은 상기에서 설명한 바와 같이, 토크계수의 변동과 체결축력의 범위에 따라 실제 토크도 크게 달라진다. 바꾸어 말하면, 축력을 일정하게 도입하더라도 변수인 토크계수에 의해 토크치가 바꾸어질 수 있다는 점이다.
일반적으로 고력 볼트의 체결축력은 다음과 같은 산출식에 의해 결정된다.
T= k·d·N
여기서, T는 토크치(kgㆍm) k는 토크계수, d는 볼트직경(mm), N은 축력(kN)으로 표시된다.
예를 들어, S10T M20 토크계수(k=0.11)를 가진 고력 볼트로 설계, 또는 시공될 때 T=0.11× 0.02 ×18,200 =40.04(kgㆍm) 토크치로 설계되거나 도입 체결력을 얻게 된다. 그러나, 토크계수(k=0.17)인 고력 볼트를 체결하게 되면 N=T/ kㆍ D =11,776(kgf)이 되고 도입 축력이 낮아지게 되어 설계 볼트 장력을 확보할 수 없다. 이를 도식화한 사례는 도 2와 같다.
즉, 축력은 18,200~11,776(kgf)로 일정한 축력이 도입되지 못할 가능성이 항상 존재하고 있다는 점이 고력 볼트 토크관리방법에 의한 시공상의 큰 문제점이 다.
종래의 KS규격에서는 마찰접합용 6각 고력 볼트와는 달리, 토크계수에 대한 규정은 없으며, 볼트의 사용온도 범위를 0℃~60℃로 제한하고 있다. 단지 볼트세트에 대한 체결축력 시험을 상온(10℃~30℃)과 상온 이외의 온도(0℃~10℃, 30℃~60℃)에 대해 실시하도록 하고 있으며 이때의 축력 평균값 범위를 규정하고 있을 뿐이다.
그러나, 강 구조물의 볼트접합부에 사용되는 기존 KS B1010 6각 고력 볼트를 대신한 토크-전단형 고력 볼트를 체결한 경우, 소성영역에서 핀테일이 파단되었다고 하더라도, 온도변화에 따라 토크계수가 변동되어 실제 도입된 축력이 크게 달라지는 문제가 있었다.
또한, 종래 현장 시공시 토크-전단형 고력볼트의 핀테일이 파단되면 축력이 정상적으로 도입되었다고 보기 때문에 일단 핀테일이 소성파단 되고나면 후속 체결은 하지 않을 뿐더러 도입축력을 확인하는 과정이나 검사도 하지 않는 실정이다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써 본 발명의 목적은 소성역 체결범위에 이르기까지 고력 볼트의 체결환경조건인 온도와 제품의 물리적 조건인 길이 변화에 따른 축력변화추이를 실험적으로 규명하고 고력 볼트의 온도변수 와 길이변수의 상관관계식을 도출하여 고력 볼트의 축력을 보다 정확하게 추정할 수 있는 토크-전단형 고력 볼트 축력 추정 방법을 제공하는 데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 토크-전단형 고력볼트의 축력 추정 방법은 고력볼트의 온도변수 및 길이변수의 상관관계로부터 토크-전단형 고력볼트의 체결 축력을 추정하는 것을 특징으로 한다.
상기 토크-전단형 고력볼트의 축력은 하기의 수학식에 의해 축력을 추정하는 것을 특징으로 한다.
<수학식>
N = 172.333 + 0.699T - 1.053L - 0.004T2 +0.007L2
여기서, N은 볼트 축력(kN), T는 온도(℃), L은 볼트길이(mm)이다.
그리고, 상기 수학식은 온도변수 -10 ~ 50 ℃ 범위에서 축력을 측정하고, 길이변수 60 ~ 140mm 범위에서 측정된 축력의 상관관계의 회귀분석으로부터 도출된 것을 특징으로 한다.
현재까지 체결된 토크-전단형 고력 볼트의 도입축력은 핀테일 파단에 의해 결정되었을 뿐, 도입 축력을 정량적으로 확인할 측정기기는 현존하지 않았지만, 본 발명에 따른 고력볼트의 축력 추정방법을 통해 이론적으로 도입축력을 추정할 수 있는 탁월한 효과가 발생한다.
본 발명에 해당되는 대상 목적물은 강 구조물 볼트접합부이며, 보다 구체적으로는 KS B 2819 구조물용 토크-전단형 고력 볼트 세트이며, 보다 구체적으로는 M20(직경20㎜) 고력 볼트에 도입된 축력추정의 기법에 관한 것이다. 이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 아래와 같은 설명 및 첨부도면과 같이 많은 특정 상세들이 본 발명에 대한 전반적인 이해를 제공하기 위해 나타나 있으나, 이들 특정 상세들은 본 발명의 설명을 위해 예시한 것으로 본 발명이 그들에 한정됨을 의미하는 것은 아니다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세설명은 생략한다.
본 발명에 따른 체결 고력 볼트의 축력 추정 방법에 대해 도 3을 참조하여 설명하기로 한다.
먼저, 현장에서 많이 사용되는 고력 볼트(M20)를 선정한다. 그리고, 도 4와 같이 토크시험기를 이용하여 외부 환경조건 중 온도변수(-10 ~ 50℃)에 따른 축력을 측정한다. 이때 토크치, 토크계수도 함께 측정한다.
다음으로 길이변수(60~140㎜)에 따른 축력을 측정한다. 마찬가지로 토크치, 토크계수도 함께 측정한다.
이어서, 실험계획법의 한 종류인 반응표면분석법 (Response Surface Method -ology, 이하 RSM)에 따라 독립변수를 온도, 길이로 하고, 종속변수를 축력으로 하여 각 변수간의 함수관계를 데이터로부터 추정하여 온도, 길이 값의 변화에 따라 축력이 어떻게 변화하는지를 예측한다.
그리고 온도와 길이에 관한 22 요인배치법에 따라 온도변수, 길이변수에 의한 시험순서를 결정하고 정한 순서에 따라 축력측정을 수행한다. 온도변수, 길이변수들의 어떠한 값에서 측정된 축력데이터들이 최적화될 것인지를 찾아내어 상관관계의 회귀분석 식을 수립한다. 본 발명기법에 적용된 축력은 핀테일이 파단되었을 때를 기준으로 토크치, 토크계수와의 관계를 설정한다.
온도가 저온에서 고온으로 변화함에 따라 핀테일이 파단되었을 때 볼트에 도입된 축력분포도 점증적으로 향상된다. 도 5는 온도변화에 따른 축력변화를 도시한 실험결과이다. 도 6 내지 도 12는 각 온도변화에 따른 토크계수의 분포를 분석한 그래프이다.
최저온도인 -10℃부터 최고온도인 50℃까지 각각의 그래프에서 보는 바와 같이, 핀테일이 파단되었을 때 도 14를 통해 알 수 있듯이 토크계수의 분포는 0.126~0.158 이내에서 존재함을 알 수 있다.
따라서, 핀테일 파단시의 토크계수 범위는 KS B 2819에서 권장하고 있는 0.11~0.17의 범위 내에 존재하기 때문에 본 발명에 적용된 회귀분석식에 적용된 토크계수는 유효한 값이다.
온도변수에 따른 축력 확인방법과 마찬가지로 볼트의 길이변화에 따른 축력분석을 시도하였다. 도 13은 길이변화에 따른 측력변화를 도시한 실험결과이고, 도 14 내지 17은 각 길이 변화에 따른 토크계수의 분포를 분석한 그래프이다.
길이변수는 60㎜~140㎜이었으며, 도 18을 통해 알 수 있듯이 각각의 길이변수에 대한 토크계수의 분포는 0.122~0.155로 확인되어, 이 값 역시 KS B 2819에서 권장하고 있는 0.11~0.17의 범위내에 존재하였기 때문에 본 발명에 적용된 회귀분석식에 적용된 토크계수는 유효한 값이다.
위와 같은 실험결과를 회귀 분석한 결과에 관한 온도와 길이의 상관관계를 도식화한 등고선도는 도 19와 같고, 이를 수식으로 표시한 토크전단형 고력 볼트 축력추정 상관관계식은 다음과 같다.
N = 172.333 + 0.699T - 1.053L - 0.004T2 + 0.007L2
여기서, N은 볼트 축력, 단위는 kN, T는 온도(℃) , L은 볼트 길이, 길이단위는 ㎜이다.
예를 들어, 온도(T) 20℃에 볼트길이(L) 120㎜인 경우의 축력은 다음과 같이 산정할 수 있다.
N = 172.333 + 0.699×20 - 1.053×120 - 0.004×202 + 0.007×1202
= 158.15 kN이 된다.
이상에서 설명한 본 발명의 상세한 설명에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명의 보호범위는 상기 실시예에 한정되는 것이 아니며, 해당 기술분야의 통상의 지식을 갖는 자라면 본 발명의 사상 및 기술영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 구조물용 토크-전단형 고력 볼트 형상 및 제원을 도시한 것이다.
도 2는 축력과 토크의 상관관계를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 토크-전단형 고력 볼트 축력 추정 방법의 개발 절차를 도시한 순서도이다.
도 4은 고력볼트의 토크 시험기를 도시한 것이다.
도 5는 토크-전단형 고력볼트의 온도변화에 따른 체결 축력 값 분포를 도시한 그래프이다.
도 6는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 -10℃ TS볼트 핀 테일 파단시 토크계수 분포도이고,
도 7은 0℃ TS볼트 핀 테일 파단시 토크계수 분포도이고,
도 8은 10℃ TS볼트 핀 테일 파단시 토크계수 분포도이고,
도 9는 20℃ TS볼트 핀 테일 파단시 토크계수 분포도이고,
도 10은 30℃ TS볼트 핀 테일 파단시 토크계수 분포도이고,
도 11은 40℃ TS볼트 핀 테일 파단시 토크계수 분포도이고,
도 12는 50℃ TS볼트 핀 테일 파단시 토크계수 분포도이다.
도 13은 고력볼트의 길이변화에 따른 체결 축력 값 분포를 도시한 그래프이다.
도 14는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 TS볼트(길이 60mm)의 핀 테일 파단시 토크계수 분포도이고,
도 15는 TS볼트(길이 80mm)의 핀 테일 파단시 토크계수 분포도이고,
도 16은 TS볼트(길이 100mm)의 핀 테일 파단시 토크계수 분포도이고,
도 17은 TS볼트(길이 120mm)의 핀 테일 파단시 토크계수 분포도이고,
도 18은 TS볼트(길이 140mm)의 핀 테일 파단시 토크계수 분포도이다.
도 19는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 토크-전단형 고력 볼트 축력, 온도, 길이변수의 등고선도 그래프이다.
Claims (3)
- 토크-전단형 고력볼트의 온도변수 및 길이변수의 상관관계로부터 상기 토크-전단형 고력볼트의 체결 축력을 추정하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 축력 추정 방법.
- 제 1항에 있어서,상기 토크-전단형 고력볼트의 축력은하기의 수학식에 의해 축력을 추정하는 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 축력 추정 방법.<수학식 1>N = 172.333 + 0.699T - 1.053L - 0.004T2 +0.007L2여기서, N은 볼트 축력(kN), T는 온도(℃), L은 볼트길이(mm)이다.
- 제 2항에 있어서,상기 수학식은온도변수 -10 ~ 50 ℃ 범위에서 축력을 측정하고, 길이변수 60 ~ 140mm 범위 에서 측정된 축력의 상관관계의 회귀분석으로부터 도출된 것을 특징으로 하는 토크-전단형 고력볼트의 축력 추정 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080052370A KR100975138B1 (ko) | 2008-06-04 | 2008-06-04 | 토크-전단형 고력볼트의 축력 추정 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020080052370A KR100975138B1 (ko) | 2008-06-04 | 2008-06-04 | 토크-전단형 고력볼트의 축력 추정 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20090126340A true KR20090126340A (ko) | 2009-12-09 |
| KR100975138B1 KR100975138B1 (ko) | 2010-08-11 |
Family
ID=41687469
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020080052370A KR100975138B1 (ko) | 2008-06-04 | 2008-06-04 | 토크-전단형 고력볼트의 축력 추정 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR100975138B1 (ko) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011159022A2 (ko) * | 2010-06-14 | 2011-12-22 | 한국전력공사 | 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치 및 방법 |
| CN116296887A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-06-23 | 邯郸正发科技有限公司 | 一种扭剪螺栓的扭断扭矩检测装置 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP4810876B2 (ja) | 2005-04-27 | 2011-11-09 | トヨタ自動車株式会社 | ボルト軸力測定装置 |
| JP2008071231A (ja) * | 2006-09-15 | 2008-03-27 | Meidensha Corp | プログラマブルロジックコントローラデータの収集方法 |
| KR20090015359A (ko) * | 2007-08-08 | 2009-02-12 | 한국전력공사 | 볼트 축력 예측 방법 |
-
2008
- 2008-06-04 KR KR1020080052370A patent/KR100975138B1/ko active IP Right Grant
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2011159022A2 (ko) * | 2010-06-14 | 2011-12-22 | 한국전력공사 | 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치 및 방법 |
| WO2011159022A3 (ko) * | 2010-06-14 | 2012-03-15 | 한국전력공사 | 토크-전단형 고력볼트의 디지털 축력 측정 장치 및 방법 |
| US9261420B2 (en) | 2010-06-14 | 2016-02-16 | Korea Electric Power Corporation | Digital device and method for measuring the axial load of a torque-shear-type high strength bolt |
| CN116296887A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-06-23 | 邯郸正发科技有限公司 | 一种扭剪螺栓的扭断扭矩检测装置 |
| CN116296887B (zh) * | 2023-05-12 | 2023-11-14 | 邯郸正发科技有限公司 | 一种扭剪螺栓的扭断扭矩检测装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR100975138B1 (ko) | 2010-08-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| D'Aniello et al. | Monotonic and cyclic inelastic tensile response of European preloadable gr10. 9 bolt assemblies | |
| Sønstabø et al. | Macroscopic strength and failure properties of flow-drill screw connections | |
| Ding et al. | Simple parameters to predict effect of surface damage on fretting fatigue | |
| McCann et al. | Elevated temperature material properties of cold-formed steel hollow sections | |
| Wang et al. | Fatigue behaviour of stainless steel bolts in tension and shear under constant-amplitude loading | |
| Yan et al. | Screwed connections of thin sheet steels at elevated temperatures–Part I: Steady state tests | |
| Jonas et al. | The critical strain for dynamic transformation in hot deformed austenite | |
| KR20090015359A (ko) | 볼트 축력 예측 방법 | |
| Felder et al. | Identification of the work of plastic deformation and the friction shear stress in wire drawing | |
| Meshii et al. | Extended investigation of the test specimen thickness (TST) effect on the fracture toughness (Jc) of a material in the ductile-to-brittle transition temperature region as a difference in the crack tip constraint− What is the loss of constraint in the TST effects on Jc? | |
| KR100975138B1 (ko) | 토크-전단형 고력볼트의 축력 추정 방법 | |
| Annan et al. | Characterization of slip resistance of high strength bolted connections with zinc-based metallized faying surfaces | |
| Walker et al. | Closure measurement and analysis for small cracks from natural discontinuities in an aluminium alloy | |
| Gao et al. | Fire resistance behavior of T-stub joint components under transient heat transfer conditions | |
| CN104931175A (zh) | 一种通过螺栓轴向应变测量螺栓轴向紧固力的方法 | |
| Yan et al. | Screwed connections of thin sheet steels at elevated temperatures–Part II: Transient state tests | |
| Park et al. | Fracture toughness measurements using two single-edge notched bend test methods in a single specimen | |
| Yang et al. | Mathematical model for relaxation in high-strength bolted connections | |
| Zhang et al. | A primary relationship between critical strain energy density and fracture toughness of mild steel | |
| Lin et al. | Net section tension capacity of high strength steel single shear bolted connections | |
| Hu et al. | Hysteretic energy dissipation capacity of dual-steel welded-plate preloaded bolted T-stubs | |
| US20120296578A1 (en) | System, apparatus and method for in situ fastener preload measurement | |
| Zhang et al. | Steel shear behaviour on bearing strength and failure modes of single-bolt connections | |
| Main et al. | Safety assessment of parallel wire suspension bridge cables under thermal effects | |
| Susmel et al. | Non-propagating cracks and high-cycle fatigue failures in sharply notched specimens under in-phase Mode I and II loading |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A201 | Request for examination | ||
| E902 | Notification of reason for refusal | ||
| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
| GRNT | Written decision to grant | ||
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20130801 Year of fee payment: 4 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20150803 Year of fee payment: 6 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20160801 Year of fee payment: 7 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20170801 Year of fee payment: 8 |
|
| FPAY | Annual fee payment |
Payment date: 20180726 Year of fee payment: 9 |