KR20110033687A - 도장표면의 크리프 현상에 따른 축력손실량을 고려한 기 체결된 고력볼트 장기축력산정 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 강구조물의 볼트접합, 특히 마찰력에 의해 접합부재가 연결되는 고력볼트의 접합에 관한 것이다. 고력볼트는 접합부재 표면의 상태에 따라 체결이후에 장기출력 손실량이 결정된다. 이 때, 접합부재에 도장이 도포되어 있을 경우 도장의 크리프현상 대문에 장기축력 손실량이 발생된다. 또한, 도장두께에 따른 장기축력 손실량 차이가 발생한다.

Description

도장표면의 크리프 현상에 따른 축력손실량을 고려한 기 체결된 고력볼트 장기축력산정 방법{Method to estimate the clamping force of as-built high strength bolt subjected to slip resistant connection considering creep of coating on faying surfaces}
본 발명은 도장표면의 크리프 현상에 따른 축력손실량을 고려한 기 체결된 고력볼트 장기축력산정 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 강구조물의 마찰접합에 적용된 고력볼트의 설계내력이 적정한지 판단하는 도장표면의 크리프 현상에 따른 축력손실량을 고려한 기 체결된 고력볼트 장기축력산정 방법에 관한 것이다.
일반적으로 강구조물의 볼트접합, 특히 마찰력에 의해 접합부재가 연결되는 고력볼트의 경우 체결력 손실량을 예측하는 것이 필요하다. 고력볼트의 체결력 손실량이 많은 경우 강구조물의 안전성이 떨어지는 문제점이 있었다.
그러나 종래에는 고력볼트의 설계시 상기의 내용들이 반영되지 않아 고력볼트를 효과적으로 설계하지 못하였다. 따라서 고력볼트의 상태를 정확하게 예측하지 못하여 강구조물의 안전점검 및 진단, 보수보강, 내력산정에 어려움이 있었다.
본 발명은 고력볼트의 설계내력이 적정한지 정확하게 판단하는 도장표면의 크리프 현상에 따른 축력손실량을 고려한 기 체결된 고력볼트 장기축력산정 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은, 고력볼트의 마찰접합부의 체결이후 소정시간 경과후 상기 고력복트의 크리프 응력은 식
Figure 112009059176854-PAT00001
(a,b : 상수, t : 시간)에 의하여 계산되는 도장표면의 크리프 현상에 따른 축력손실량을 고려한 기 체결된 고력볼트 장기축력산정 방법을 제공한다.
본 발명은 강구조물의 마찰접합에 적용된 고력볼트의 경우, 설계내력이 적정한지 여부를 확인하기 어려운 점을 감안할 때, 강구조물의 안전점검 및 진단, 보수보강, 내력산정의 기준을 산정하는데 효과가 있다.
도 1은 고력볼트 마찰접합부의 시험을 위한 시험체(100)를 보여주는 단면도이다.
도 1을 참고하면, 강구조물의 고력볼트(130)는 일반볼트와 그 성질이 크게 다르다. 일반볼트는 항복강도가 400 N/㎜2 인 재료이며, 본 발명에서 언급하는 고 력볼트(130)의 항복강도는 일반볼트보다 최소 2 배 이상 되는 800 N/㎜2, 1,000 N/㎜2, 1,300 N/㎜2 에 해당되는 구조재료에 관한 것이다. 이 발명에서 언급하는 마찰접합 설계방법은 2 개 이상의 접합부재 체결방법도 접합부재간의 마찰력에 의해 체결하는 방법으로, 일반 고력볼트(130)의 체결방법인 볼트의 전단력에 저항하는 내력으로 체결되는 과정과는 설계방법자체가 다르다. 접합부에 사용된 강판 재질은 SM490A를 사용하였다.
마찰접합에 의해 체결된 고력볼트(130)는 체결과정에서 고력볼트(130)에 도입된 축력은 체결작업이 완료된 직후에 도장되지 않는 접합부 표면의 경우, 평균 3～5% 정도, 도장된 접합부 표면은 도장종류와 두께에 따라 축력저하가 더 심하게 발생되며, 접합부에 외력이 작용하지 않아도 너트의 풀림현상이 없어도 시간경과와 함께 아주 약간씩 감소하게 된다. 이렇게 볼트축력이 시간경과와 함께 감소하는 현상을 축력이완(relaxation)이라고 한다. 볼트에 도입된 축력은 체결작업 직후부터 3～7일까지 약간 감소하는 경향을 나타내다가 500시간 정도 경과 후에는 축력저하 현상이 멈추어 일정축력을 유지함을 알 수 있다.
축력이완이 발생하는 주된 원인은 볼트 체결직후 체결공구를 제거한 직후 탄성회복현상이 크다. 그리고 추가적으로 나사면, 좌면, 접합재 등에서의 접촉면 조도 표면 불균등, 형상오차에 기인하는 국부적인 소성변형이나 좌면함몰, 볼트 몸체의 크리프 현상 등이 있을 수 있다. 따라서 축력저하에 관계하는 접합부 요소로는 접합재의 표면처리, 와셔의 유무, 볼트구멍의 클리어런스, 체결축력의 크기 등이 있다.
이러한 복합요인에 의해 발생된 고력볼트(130)의 축력저하원인을 일일이 규명할 수 없지만, 와셔, 볼트 구멍의 클리어런스, 체결축력을 동일하게 할 경우, 표면처리 상태에 따른 장기축력이완을 계측을 통해 예측가능하게 된다. 또한 접합표면에 도장이 도포되었을 경우에는 다른 외적 요인보다 훨씬 빠르게 도장 크리프가 진행된다. 또한 도장의 두께가 두꺼워질수록 크리프의 현상은 더욱 크며 크리프 현상이 클수록 체결된 고력볼트(130)의 축력은 손실량이 비례적으로 크다.
이를 구현하기 위해, 접합부 표면에 각각 도장 두께가 다른 시험체(100)를 제작한 다음 장기축력이완을 발생시킨 다음, 1,000시간경과후 까지의 고력볼트(130)의 스트레인 변화를 계측한 다음, 고력볼트(130)의 스트레인 변화량은 도장의 크리프 발생량과 동일하므로 도장에 관한 크리프 정도를 산출하고, 도장 두께별, 초기 체결력의 변화에 상관없이 체결이후의 고력볼트(130)의 축력산정이 가능하다.
위와 같은 과정을 실험적으로 규명하면, 도장 크리프에 관한 예측 수학식을 발명하고 이를 힘의 방정식에 대입하는 과정을 거치면 체결된 접합부재의 고력볼트(130)의 실제 체결력을 확인할 수 있다.
도장의 크리프현상을 위해 강판에 도포된 도장시스템은 무기질 아연도장을 기준으로 수행하였다.
고력볼트(130) 이음부에 사용된 볼트는 다크로 피막 TS볼트를 사용하였으며, 실제 측정된 도장두께는 96 ㎛, 168 ㎛, 226 ㎛이었다. 이때의 표준편차는 각각 18~20㎛이었다.
각각의 고력볼트(130) 이음부 시험체(100)에서 고력볼트(130)에 스트레인을 확인할 수 있도록 볼트 몸체에 2개의 소성 스트레인게이지를 각각 부착한 다음, 고력볼트(130) 체결직후부터 각각의 고력볼트(130) 스트레인 변화량을 계측한다. 그리고 계측된 2개의 스트레인 평균값으로부터 접합부 표면에 도포된 무기 아연도장의 크리프 수식을 Minitab 프로그램을 이용하여 곡선회귀분석 모형을 설정하면, [식 1]과 같은 형태의 일반적인 수식을 도출 할 수 있다.
크리프 수식을 추론한 다음엔, [식 1]을 힘의 기능을 이용한 방정식을 응용하면 [식2]와 같은 고력볼트(130)의 장기축력예측식이 도출된다. 이 과정은 실시 예를 통해 그 과정을 다시 추적해보기로 하고, 고력볼트(130)의 장기축력 평가를 위한 기본형은 실험과 회귀분석방법을 통해 아래와 같이 제시될 수 있다.
Figure 112009059176854-PAT00002
[식 1]
상기 [식1]에서 a,b는 상수이다. 장기축력이완 10 %내외의 기준이 되는 무기질 아연도장 두께 96㎛를 기준으로 1.75
배, 2.3배되는 장기축력이완에 관한 시간경과 예측식의 기본형은 [식 1], [식 2] 과 같고, 무기질 아연도장 크리프 상수 a 와 b 는 [표 1]과 같이 실험 결과에 따른 크리프상수를 정리할 수 있다.
[표 1]
고력볼트 미끄럼 이음부(㎛) a(×10^-4) b(×10^-5) 비고
무기질 아연도장 96 1.0 3.0
무기질 아연도장 168 2.0 4.0
무기질 아연도장 226 3.0 4.5
Figure 112009059176854-PAT00003
[식 2]
도 2는 도 1에 도시된 고력볼트(130)에 무기 아연도장 96㎛를 도포한 접합부 시험체(100)의 도장 크리프를 보여주는 그래프이다. 도 3은 도 1에 도시된 고력볼트(130)에 무기 아연도장 96㎛를 도포한 접합부 시험체(100)의 곡석 회귀분석을 통해 정량화된 수식에 의한 그래프이다. 도 4는 도 1에 도시된 고력볼트(130)에 무기 아연도장 96㎛를 도포한 접합부 시험체(100)의 도장 크리프를 반영한 장기축력예측 수식과 실험결과를 비교한 그래프이다. 도 5는 도 1에 도시된 고력볼트(130)에 무기 아연도장 96㎛, 168㎛, 226㎛를 도포한 접합부 시험체(100)의 도장 크리프를 반영한 장기축력예측을 보여주는 그래프이다.
도 2 내지 도 5를 참고하면, 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 시험 사례를 설명한다.
고력볼트(130) 접합부 미끄럼 표면에 무기질 아연도장 96 ㎛(표준편차 19 ㎛)이 적용되었을 경우를 고려한 고력볼트(130) 이음부의 장기축력이완에 따른 무기질 아연도장표면의 크리프와 축력 이완 식은 아래와 같다. 1,000시간까지 무기질 아연도장으로 도포된 고력볼트(130) 이음부에 적용된 실험결과, 도장의 크리프 곡선은 도 2와 같고, 도장의 크리프에 관한 회귀분석 수식은 [식 3]으로 결정되며, 이 때의 그래프는 도 3와 같다.
Creep Strain(96) = 1.0×10^-4 + 3.0×10^-5×log(t) [식 3]
위와 같은 도장에 관한 크리프 수식[식 3]을 [식 2]에 적용하면, 접합부에 체결된 이후 장기축력손실분을 고려한 고력볼트(130)의 실제 축력예측이 가능하다. 이 때, [식 2]의 α값은 1.0×10^-4이 된다.
[식 2]에서 F(t)는 확인하려고 하는 고력볼트(130)의 체결력(kN), Fo 는 초기 고력볼트(130)에 도입된 체결력 (kN), Cf 는 고력볼트(130)의 스프링상수, Ho는 접합부재에 도포된 도장두께, Ac는 접합부에 영향을 미치는 도장면적, t 는 시간이다.
측정된 도장두께는 96 ㎛과 같은 경로로 168㎛, 226㎛ 일 때의 도장의 크리프 수식을 결정하고 장기축력손실량을 고려한 축력예측식은 각각 아래와 같다.
둘째, 고력볼트(130) 미끄럼 접합부에 무기질 아연도장 168㎛(표준편차 18 ㎛)이 적용되었을 경우를 고려한 고력볼트(130) 이음부의 장기축력이완에 따른 축력이완 예측은 무기질 아연도장 표면의 크리프예측 식으로부터 아래와 같이 산정할 수 있다.
Creep Strain(168) = 2.0×10^-4 + 4.0×10^-5×log(t) [식 4]
위와 같은 도장에 관한 크리프 수식[식 4]을 [식 2]에 적용하면, 접합부에 체결된 이후 장기축력손실분을 고려한 고력볼트(130)의 실제 축력예측이 가능하다. 이 때, [식 2]의 α값은 2.0×10^-4이 된다.
무기질 아연도장 표면 두께 226㎛(표준편차 22㎛)를 가진 고력볼트(130) 이음부의 경우, 다음과 같이 장기축력이완에 따른 축력예측이 가능하다.
Creep Strain(226) = 3.0×10^-4 + 4.5×10^-5×log(t) [식 5]
위와 같은 도장에 관한 크리프 수식[식 3]을 [식 2]에 적용하면, 접합부에 체결된 이후 장기축력손실분을 고려한 고력볼트(130)의 실제 축력예측이 가능하다. 이 때, [식 2]의 α값은 3.0×10^-4이 된다.
위와 같이 도장의 크리프를 고려하면 볼트체결이후 장기축력에 의한 볼트축력을 예측이 가능하다고 판단된다. 도장두께에 따른 도장의 크리프 거동특성을 파악하기위해 각각의 시험체(100)에 대한 시간경과에 따른 결과를 반영한 고력볼트(130)의 장기축력이완은 도 5와 같이 경향을 확인할 수 있다.
따라서 실험자는 상기의 실험 내용을 근거로 고력볼트(130)의 클리프 응력 및 잔류체결력을 계산할 수 있다. 또한, 실험자는 상기의 계산결과를 토대로 강구조물의 안전점검 및 진단, 보수보강, 내력산정의 기준을 정확하게 산정할 수 있다.
도 1은 고력볼트 마찰접합부의 시험을 위한 시험체를 보여주는 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 고력볼트에 무기 아연도장 96㎛를 도포한 접합부 시험체의 도장 크리프를 보여주는 그래프이다.
도 3은 도 1에 도시된 고력볼트에 무기 아연도장 96㎛를 도포한 접합부 시험체의 곡석 회귀분석을 통해 정량화된 수식에 의한 그래프이다.
도 4는 도 1에 도시된 고력볼트에 무기 아연도장 96㎛를 도포한 접합부 시험체의 도장 크리프를 반영한 장기축력예측 수식과 실험결과를 비교한 그래프이다.
도 5는 도 1에 도시된 고력볼트에 무기 아연도장 96㎛, 168㎛, 226㎛를 도포한 접합부 시험체의 도장 크리프를 반영한 장기축력예측을 보여주는 그래프이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간략한 설명>
100 : 도장표면의 크리프 현상에 따른 축력손실량을 고려한 기 체결된 고력볼트의 시험체
130 : 고력볼트

Claims (5)

  1. 고력볼트의 마찰접합부의 체결이후 소정시간 경과후 상기 고력복트의 크리프 응력은 식
    Figure 112009059176854-PAT00004
    (a,b : 상수, t : 시간)에 의하여 계산되는 도장표면의 크리프 현상에 따른 축력손실량을 고려한 기 체결된 고력볼트 장기축력산정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 소정시간은 1000시간인 도장표면의 크리프 현상에 따른 축력손실량을 고려한 기 체결된 고력볼트 장기축력산정 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 a 및 b는 상기 고력볼트에 도포되는 무기질 아연도장의 두께에 근거하여 결정되는 도장표면의 크리프 현상에 따른 축력손실량을 고려한 기 체결된 고력볼트 장기축력산정 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 소정시간의 경과후 상기 고력복트의 체결력은 식
    Figure 112009059176854-PAT00005
    (F(t) : 소정시간 경과후 고력볼트의 체결력, Fo : 초기 고력볼트의 체결력, Cf : 고력볼트의 스프링상수, Ho : 접합부재에 도포된 도장두께, Ac : 접합부에 영향을 미치는 도장면적, t : 시간 )에 의하여 계산되는 도장표면의 크리프 현상에 따른 축력손실량을 고려한 기 체결된 고력볼트 장기축력산정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기
    Figure 112009059176854-PAT00006
    는 상기 고력볼트에 도포되는 무기질 아연도장의 두께에 근거하여 결정되는 도면표장의 크리프 현상에 따른 축력손실량을 고려한 기 체결된 고력볼트의 장기축력산정 방법.
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