KR101384549B1 - 볼트 접합부의 면외변형에 따른 최대 내력 저하의 판단방법 및 판단장치 - Google Patents

볼트 접합부의 면외변형에 따른 최대 내력 저하의 판단방법 및 판단장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유한요소 해석법을 이용하여 오스테나이트계 스테인레스강(STS304) ㄷ형강의 일면전단 볼트 접합부에서 하중방향 연단거리에 따른 최대내력 양상 및 면외변형 거동을 예측하고, 면외변형에 따른 최대 내력 저하를 예측할 수 있는 오스테나이트계 스테인레스강 ㄷ형강의 볼트 접합부에 대한 면외변형에 따른 최대 내력 저하의 판단방법 및 판단장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 볼트 접합부의 면외변형(Curling)에 따른 최대 내력의 판단방법은, 상기 볼트 접합부의 유한요소 해석모델을 구축하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 구축된 유한요소 해석모델에 대한 변수를 입력하는 제 2 단계; 상기 입력된 변수에 근거하여 구축된 상기 유한요소 해석모델에 대한 모델링을 수행하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계에서 모델링된 결과값을 출력하는 제 4 단계; 및 상기 결과값에 근거하여 최대 내력의 저하를 판단하는 제 5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

볼트 접합부의 면외변형에 따른 최대 내력 저하의 판단방법 및 판단장치{METHOD AND APPARATUS FOR JUDGING ULTIMATE STRENGTH REDUCTION IN CHANNEL BOLTED CONNECTION WITH CURLING}
본 발명은 볼트 접합부의 면외변형에 따른 대한 최대 내력 저하의 판단방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유한요소 해석법을 이용하여 오스테나이트계 스테인레스강(Austenitic Stainless Steel, STS304) ㄷ형강의 일면전단 볼트 접합부에서 하중방향 연단거리에 따른 최대내력 양상 및 면외변형 거동을 예측하고, 면외변형에 따른 최대 내력 저하를 예측할 수 있는 오스테나이트계 스테인레스강 ㄷ형강의 볼트 접합부에 대한 면외변형에 따른 최대 내력 저하의 판단방법 및 판단장치에 관한 것이다.
냉간성형강(박판)은 강판을 상온이나 저온에서 가공하여 다양한 단면 형상으로 제조한 것으로, 열간압연강(후판)에 비해 경량이며 접합이나 조립이 용이하여 건출물의 구조재 또는 비구조재로서 경제적 효과를 발휘하고 있다.
냉간성형강의 경우 대부분 박판 부재로, 접합방법이 용이한 볼트 접합을 채용하고 있다. 이러한 냉간성형강 스테인레스강은 일면전단 평판 볼트 접합부에서 하중방향 연단거리와 하중직각방향 연단거리가 긴 경우, 면내 파단 뿐만 아니라 판두께 방향으로 면외변형(Curling; out of plane deformation)이 발생하여 내력에 영향을 미칠 수 있다.
따라서, 볼트 접합부의 구조적 거동, 면외변형의 발생 메카니즘 및 면외변형이 접합부의 내력에 미치는 영향을 조사할 필요가 있다.
유한요소해석법을 이용하여 박판 볼트접합부의 파단을 예측하는 기술과 관련하여, 공개특허 제10-2008-0090551호는 파단 예측 방법에 관한 것으로, 금속 재료로 이루어지는 박판의 파단 한계를 평가하기 위해 유한요소해석법을 사용하여 파단 발생의 유무를 예측할 수 있는 기술이 개시되고 있다.
또한, 공개특허 제10-2009-0112369호는 미세 구조물에서의 응력도-변형도 관계 측정방법에 관한 것으로, 유한 요소해석을 수행하여 하중 및 변위를 계산하여 계산된 하중 및 변위와 실험적으로 측정된 하중 및 변위를 비교함으로써 응력도-변형도 관계를 측정하는 기술이 개시되고 있다.
그러나, 상기와 같은 종래 기술에서는, 유한요소해석을 수행하여 구조물의 파단 및 변형을 측정하는 것으로, 볼트 접합부에 대해 평판 두께 및 하중방향 연단거리에 따라 면외변형의 발생시 최대 내력 저하를 예측하지 못한다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 유한요소 해석법을 사용하여 스테인레스강 ㄷ형강 볼트 접합부에서 최대 내력, 파단양상 및 면외변형의 거동을 파악할 수 있는 볼트 접합부에 대한 면외변형에 따른 최대 내력 저하의 판단방법 및 판단장치의 제공을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 오스테나이트계 스테인레스강 ㄷ형강에 대한 볼트 접합부의 유한요소 해석모델을 구축함으로써, 오스트나이트게 스테인레스강 ㄷ형강의 볼트 접합부에서 연단거리에 따른 면외변형의 발생 및 면외변형의 발생이 최대 내력에 미치는 영향을 예측할 수 있는 볼트 접합부에 대한 면외변형에 따른 최대 내력 저하의 판단방법 및 판단장치의 제공을 목적으로 한다.
그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 볼트 접합부의 면외변형(Curling)에 따른 최대 내력의 판단방법은, 상기 볼트 접합부의 유한요소 해석모델을 구축하는 제 1 단계; 상기 제 1 단계에서 구축된 유한요소 해석모델에 대한 변수를 입력하는 제 2 단계; 상기 입력된 변수에 근거하여 구축된 상기 유한요소 해석모델에 대한 모델링을 수행하는 제 3 단계; 상기 제 3 단계에서 모델링된 결과값을 출력하는 제 4 단계; 및 상기 결과값에 근거하여 최대 내력의 저하를 판단하는 제 5 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 최대 내력의 판단방법은, 상기 제 1 단계에서 구축되는 볼트 접합부의 유한요소 해석모델이, 오스테나이트계 스테인레스강 ㄷ형강에 대한 치수, 재질 특성, m행 n열의 볼트 배열, 볼트구멍 직경, 피치, 게이지를 포함하는 것을 특징으로 한다. 여기에서 m 및 n은 자연수이다.
또한, 본 발명에 따른 최대 내력의 판단방법은, 상기 제 2 단계에서 입력되는 변수가 하중방향 연단거리인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 최대 내력의 판단방법은, 상기 제 3 단계에서 수행되는 유한요소 해석모델에 대한 모델링은 비선형 해석방법을 사용하여 수행되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 최대 내력의 판단방법은, 상기 제 3 단계에서 수행되는 유한요소 해석모델에 대한 모델링은 대변형 기능(NLGEOM=YES)이 설정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 최대 내력의 판단방법은, 상기 제 3 단계에서 수행되는 유한요소 해석모델에 대한 모델링은 저감적분 육면체 솔리드 요소(C3D8R)가 적용되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 최대 내력의 판단방법은, 상기 제 3 단계에서 상기 유한요소 해석모델에 대한 모델링은, 볼트 접합부에서 면외변형의 발생을 구속하지 않는 조건에 대한 최대 내력(Pua)과 면외변형의 발생을 구속하는 조건에 대한 최대 내력(PuaR)을 산출하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 최대 내력의 판단방법은, 상기 제 4 단계에서 출력되는 모델링된 결과값은 볼트 접합부에 대한 파단 형태, 최대 내력 및 면외변형 유무 중 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 최대 내력의 판단방법은, 상기 파단 형태가 상기 볼트 접합부에서 하중 직각방향에 대한 인장 파단 및 하중방향에 대한 종전단 파단을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 최대 내력의 판단방법은, 상기 제 5 단계에서 최대 내력의 저하에 대한 판단은 상기 모델링 결과값에서 면외변형이 발생하는 경우 상기 면외변형의 발생을 구속하지 않는 조건에 대한 최대 내력(Pua)과 면외변형의 발생을 구속하는 조건에 대한 최대 내력(PuaR)의 비로 예측하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 볼트 접합부의 면외변형(Curling)에 따른 최대 내력 판단장치는, 볼트 접합부에 대한 형상 정보를 통해 상기 볼트 접합부의 유한요소 해석모델을 구축하는 유한요소 해석모델 구축모듈; 상기 볼트 접합부에 대한 주요 변수를 입력하는 변수 입력모듈; 입력된 상기 주요 변수에 근거하여 구축된 상기 유한요소 해석모델에 대해 비선형 해석방법으로 모델링을 수행하는 해석모델 모델링모듈; 모델링된 결과값을 출력하는 출력모듈; 및 상기 출력모듈을 통해 출력된 모델링된 결과값에 근거하여 볼트 접합부에 대한 최대 내력의 저하를 판단하는 내력저하 판단모듈;을 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 최대 내력의 판단장치는, 상기 볼트 접합부에 대한 형상 정보가 오스테나이트계 스테인레스강 ㄷ형강에 대한 치수, 재질 특성, m행 n열의 볼트 배열, 볼트구멍 직경, 피치, 게이지를 포함하고, 상기 주요 변수는 하중방향 연단거리인 것을 특징으로 한다. 여기에서 m 및 n은 자연수이다.
또한, 본 발명에 따른 최대 내력의 판단장치는, 상기 해석모델 모델링모듈이, 볼트 접합부에서 면외변형의 발생을 구속하지 않는 조건에 대한 최대 내력(Pua)과 면외변형의 발생을 구속하는 조건에 대한 최대 내력(PuaR)을 산출하고, 상기 내력저하 판단모듈이, 상기 모델링 결과값에서 면외변형이 발생하는 경우 상기 면외변형의 발생을 구속하지 않는 조건에 대한 최대 내력(Pua)과 면외변형의 발생을 구속하는 조건에 대한 최대 내력(PuaR)의 비로 최대 내력의 저하를 판단하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 볼트 접합부에 대한 면외변형에 따른 최대 내력 저하의 판단방법 및 판단장치에 따르면, 유한요소 해석법을 사용하여 볼트 접합부에서 최대 내력, 파단양상 및 면외변형의 거동을 파악할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 오스테나이트계 스테인레스강 ㄷ형강에 대한 볼트 접합부의 유한요소 해석모델을 구축함으로써, 오스트나이트게 스테인레스강 ㄷ형강의 볼트 접합부에서 연단거리에 따른 면외변형의 발생 및 면외변형의 발생이 최대 내력에 미치는 영향을 예측할 수 있는 이점이 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 볼트 접합부에 대한 면외변형에 따른 최대 내력 저하의 판단방법 및 판단장치를 통해 예측된 최대 내력과 현행 기준식에 의한 예측 내력을 비교하여 파단형태와 면외변형에 의한 영향을 고려한 새로운 내력 평가식을 제안할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 볼트 접합부의 면외변형에 따른 최대 내력 판단장치를 나타내는 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따라 구축된 볼트 접합부의 유한요소 해석모델을 나타내는 예시도이다.
도 3은 본 발명의 볼트 접합부의 면외변형에 따른 최대 내력의 판단방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4는 실험체의 실험결과에서 파단 형상을 나타내는 예시도이다.
도 5는 2행1열의 볼트 배열에서 모델링된 결과의 파단 형태 및 응력분포를 나타내는 예시도이다.
도 6 내지 도 10은 2행2열의 볼트 배열에서 실험결과와 모델링된 결과의 파단 형태 및 응력분포를 나타내는 예시도이다.
도 11은 2행1열의 볼트 배열에서 모델링된 결과의 하중-변위 곡선을 나타내는 예시도이다.
도 12는 2행2열의 볼트 배열에서 모델링된 결과의 하중-변위 곡선을 나타내는 예시도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 볼트 접합부의 면외변형에 따른 최대 내력 판단장치를 나타내는 블럭도이다.
도시한 바와 같이, 본 발명의 볼트 접합부의 면외변형에 따른 최대 내력 판단장치(1)는 유한요소 해석모델 구축모듈(10), 변수 입력모듈(20), 해석모델 모델링모듈(30), 출력모듈(40) 및 내력저하 판단모듈(50)을 포함할 수 있다.
유한요소 해석모델 구축모듈(10)은 오스테나이트계 스테인레스강 ㄷ형강의 볼트 접합부에 대한 형상 정보, 예를 들어, 형강에 대한 치수, 재질 특성(예를 들어 폰 미세스(von Mises) 항복기준 및 등방경화법칙이 적용되는 탄소성 재질, m행 n열의 볼트 배열(예를 들면, 2행 1열, 2행 2열 등), 볼트구멍 직경, 볼트 배열에서 행에 대한 피치 및 열에 대한 게이지 등을 포함하는 형상 정보로 볼트 접합부의 유한요소 해석모델을 구축할 수 있다. 또한, 변수 입력모듈(20)에서는 볼트 접합부에 대한 주요 변수로서 하중방향에 대해 변화되는 연단거리를 입력할 수 있다.
해석모델 모델링모듈(30)은 유한요소 해석모델 구축모듈(10)을 통해 구축된 볼트 접합부의 유한요소 해석모델과 입력된 하중방향 연단거리에 근거하여 비선형 해석방법으로 모델링을 수행할 수 있다. 이때, 해석모델 모델링모듈(30)은 모델링 시 기하 비선형을 고려하기 위해 대변형 기능(NLGEOM=YES)이 설정되고, 과도한 변형을 방지하기 위해 아워글래스(hourglass) 제어기능을 포함한 저감적분 육면체 솔리드 요소(C3D8R)가 적용될 수 있다.
도 2는 구축된 2행2열의 볼트 접합부의 유한요소 해석모델의 예를 나타내는 예시도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 볼트 접합부의 유한요소 해석모델은 평판에 배치된 각 볼트에서, 구체적으로 도시되지는 않았지만, 볼트의 전단단면(평판의 볼트 구멍벽과 접촉면)에는 나사산이 없는 볼트 몸체(shank)부분에 볼트 구멍벽이 접촉되도록 구성될 수 있고, 볼트 체결시 볼트 장력의 효과 및 평판사이의 마찰력과 볼트와 평판사이의 마찰력에 대해서도 고려되지 않았다.
또한, 비선형성 해석모델에 반영하기 위해, 폰 미세스(von Mises) 항복 기준 및 등방경화법칙이 적용되는 탄소성 재료 모델을 채택하고, 재료 데이터는 공칭응력도-공칭변형도(σn - εn)값을 이용하여 하중방향 및 하중직각방향의 인장시편의 단면적의 변화가 고려된 진응력도-진변형도(σt - εt)로 변환하고, 탄성영역 이후의 소성거동은 다음 식에 따라 전체 변형도(εt)에서 탄성변형도(εet)를 공제한 소성변형도(εpl)를 입력한다.
Figure 112012055565025-pat00001
여기에서, E는 탄성계수를 나타낸다.
출력모듈(40)은 해석모델 모델링모듈(30)을 통해 모델링된 결과값, 예를 들어, 볼트 접합부에 대한 파단 형태, 최대 내력 및 면외변형 유무 등이 포함되는 모델링된 결과값을 출력하고, 최대 내력의 경우, 해석모델 모델링모듈(30)은 볼트 접합부에서 면외변형의 발생을 구속하지 않는 조건에 대한 최대 내력(Pua)과 면외변형의 발생을 구속하는 조건에 대한 최대 내력(PuaR)을 각각 산출하여 출력모듈(40)을 통해 출력할 수 있다.
내력저하 판단모듈(50)은 출력모듈(40)을 통해 출력된 모델링된 결과값에 근거하여 볼트 접합부에 대한 최대 내력의 저하를 판단하는 것으로, 모델링 결과값에서 면외변형이 발생하는 경우, 면외변형의 발생을 구속하지 않는 조건에 대한 최대 내력(Pua)과 면외변형의 발생을 구속하는 조건에 대한 최대 내력(PuaR)의 비로 최대 내력의 저하를 판단할 수 있다.
볼트 접합부의 면외변형에 따른 최대 내력 판단방법은, 도 3을 참조하여 상세히 설명한다.
도 1 및 도 3을 참조하면, 유한요소 해석모델 구축모듈(10)에서 볼트 접합부의 유한요소 해석모델을 구축한다(S101). 유한요소 해석모델에는 오스테나이트계 스테인레스강(STS304) ㄷ형강의 볼트 접합부에 대한 형상 정보, 예를 들어, ㄷ형강에 대한 치수, 재질 특성(예를 들어 폰 미세스(von Mises) 항복기준 및 등방경화법칙이 적용되는 탄소성 재질), m행 n열의 볼트 배열(m 및 n은 자연수로서, 예를 들면, 2행 1열, 2행 2열 등), 볼트구멍 직경, 볼트 배열에서 행에 대한 피치 및 열에 대한 게이지 등을 포함할 수 있다.
이후, 변수 입력모듈(20)을 통해 주요 변수로서, 하중방향에 대한 연단거리를 입력한다(S102). 해석모델 모델링모듈(30)은 구축된 유한요소 해석모델과 입력된 주요 변수에 근거하여 비선형 해석방법으로 모델링을 수행한다(S103). 해석모델 모델링모듈(30)은 볼트 접합부에서 면외변형의 발생을 구속하지 않는 조건에 대한 최대 내력(Pua)과 면외변형의 발생을 구속하는 조건에 대한 최대 내력(PuaR)을 각각 산출할 수 있다.
연단거리에 따라 모델링이 수행된 후, 모델링된 결과값(예를 들어, 볼트 접합부에서 하중 직각방향에 대한 인장 파단 및 하중방향에 대한 종전단 파단 등의 파단 형태, 최대 내력 및 면외변형 유무 등)은 출력모듈(40)을 통해 출력된다(S104).
내력저하 판단모듈(50)은 출력모듈(40)을 통해 출력된 모델링 결과값에서 면외변형의 발생 여부를 확인하고(S105), 면외변형이 발생한 경우, 면외변형의 발생을 구속하지 않는 조건에 대한 최대 내력(Pua)과 면외변형의 발생을 구속하는 조건에 대한 최대 내력(PuaR)의 비율로 면외변형에 따른 최대 내력의 저하를 판단한다(S106).
상기와 같이, 본 발명에 따르면 오스테나이트계 스테인레스강 ㄷ형강에 대한 볼트 접합부의 유한요소 해석모델을 구축하여 모델링 함으로써, 오스트나이트게 스테인레스강 ㄷ형강의 볼트 접합부에서 연단거리에 따른 면외변형의 발생 및 면외변형의 발생이 최대 내력에 미치는 영향을 예측할 수 있는 특징이 있다.
[실험예 1]
실험예 1에서는 오스테나이트계 스테인레스강을 사용한 ㄷ형강 볼트 접합부에서 변수에 따른 종국거동을 조사하기 위해 두께 6.0㎜의 2행1열과 2행2열의 볼트배열을 갖는 ㄷ형강 150×75×75×6의 실험체를 제작하였다. 볼트 직경(d)은 16㎜, 볼트 구멍 직경(Ø)은 17㎜, 피치(p)와 게이지(g)는 48㎜로 고정시키고, 주요변수로 하중방향 연단거리(e)는 24㎜, 36㎜, 48㎜, 60㎜로 변화시켰다.
실험체명은 예를 들어, C4T6H150E24에서 C는 ㄷ형강(Channel), 4는 2행2열의 볼트 배열, T는 실험체 두께, H는 형강 치수(150×75×75), E는 하중방향 연단거리를 의미한다. 실험예 1에서 2000kN급의 만능시험기로 단순인장 실험을 실시하였다.
도 4의 (a) 내지 (b)는 실험체의 실험결과에서 파단 형상을 나타내는 예시도이고, 실험체의 실험결과를 표 1에 상세히 나타낸다.
[표 1]
Figure 112012055565025-pat00002
도 4의 (a)는 2행1열의 볼트 배열로 연단거리가 24㎜, (b)는 36㎜를 나타내고, 도 5의 (a) 내지 (d)는 2행2열의 볼트 배열로 연단거리가 24㎜, 36㎜, 48㎜, 60㎜를 각각 나타낸다.
도 4, 5 및 표 1에 나타낸 바와 같이, 모든 실험체의 파단 형태는 블록전단파단(Block shear fracture, BS)이 나타났고, C2T6H150E24의 실험체는 종전단파단이 발생하였고, C2T6H150E36와 C2T6H150E48 실험체의 경우 볼트가 파단되었다.
2행2열의 볼트 배열의 경우, 연단거리가 비교적 짧은 C4T6H150E24와 C4T6H150E36 실험체의 경우, 전형적인 블록전단파단(순단면 인장파단 + 종전단파단)이 발생하였고, 연단거리가 비교적 긴 C4T6H150E48와 C4T6H150E60 실험체에서는 면외변형을 동반한 블록전단파단이 관측되었다.
C4T6H150E60에서 면외변형의 발생은 형강 볼트 접합부의 최대내력을 저하시키는 원인임을 알 수 있었다. 하지만, C4T6H150E48의 경우 초기에 발생한 면외변형이 실험체의 최대내력에 커다란 영향을 미치지 않았고, 인장파단으로 최대내력이 결정된 이후 면외변형이 진전한 것으로 최대내력에 커다란 영향을 미치지 않은 것으로 나타났다.
도 6 및 도 7은 각 실험체(C2T6H150E24, C2T6H150E36, C2T6H150E48, C4T6H150E24, C4T6H150E36, C4T6H150E60)에 대한 하중-변위 곡선을 나타낸다. 도시한 바와 같이, 면외변형의 발생으로 인해 내력과 강성이 저하된 것을 알 수 있다.
[실험예 2]
실험예 2에서는 볼트 접합부의 면외변형에 따른 최대 내력을 판단하기 위해 본 발명에 따른 유한요소 해석모델을 사용하였다. 실험예 2에서는 실험예 1에서와 동일한 변수 조건 및 형상정보를 이용하였다.
도 8 및 도 9는 유한요소 해석모델을 모델링한 결과에 의한 응력분포를 나타내는 예시도이다.
도 8의 (a)는 2행1열의 볼트 배열에서 연단거리가 24㎜, (b)는 36㎜, (c)는 48㎜를 나타내고, 도 9의 (a)는 2행2열의 볼트 배열에서 연단거리가 36㎜, (b)는 48㎜, (c)는 60㎜를 나타낸다.
ㄷ형강 볼트 접합부에 있어서 연단거리에 따른 면외변형의 발생이 접합부의 최대 강도에 미치는 영향을 검토하기 위해 해석모델에서 볼트 평판부분의 두께방향 변형의 구속여부에 따라 두 형태로 분리하였다.
두께방향의 변형(면외변형)을 구속하지 않은 해석모델과 두께방향을 구속한 해석모델로 해석요소 및 제조건은 동일하다. 구속모델인 경우 지지단을 제외한 볼트 평판부분의 두께방향 변위를 해석상 구속시켰다.
도 8의 (a) 내지 (c)에서는, 실험예 1에서와 같이 볼트 접합부에서 면외변형이 발생하지 않고 동일한 해석결과를 나타냈다.
또한, 도 9의 2행2열의 경우, (a)에서 최대내력 시점의 응력분포로부터 하중직각방향의 지지단측 볼트열 사이와 하중방향의 볼트라인 상에 응력집중이 발생되는 것을 알 수 있다.
도 9의 (c)에서는 도 9의 (a)와 달리 지지단측 볼트열 사이와 하중방향 연단의 볼트 주변에서 응력집중이 발생되고 있는 것으로 나타났다. 또한, 도 9의 (b) 경우, 최대내력시점의 응력분포는 (c)와 상이함을 알 수 있다. 즉, 하중방향 연단거리에서 먼 볼트열의 인장부분의 응력집중이 나타났고 변위가 증가됨에 따라 하중방향 연단부분에서도 볼트라인 상에 응력이 집중 나타났다.
표 2는 최대내력, 파단형태, 면외변형 발생여부를 실험예 1과 비교하고 구속모델(PuaR)과 비구속모델(Pua)의 최대 내력비를 나타냈다.
[표 2]
Figure 112012055565025-pat00003

표 2에 나타낸 바와 같이, 해석결과(실험예 2)과 실험결과(실험예 1)의 최대내력은 0.83 ∼ 1.06(평균:0.96)의 범위로 양호한 대응을 보였고, 면외변형 발생 및 파단 형태도 실험결과와 동일하게 나타났다.
도 10 내지 도 16은 유한요소 해석모델의 면외변형 구속모델('R'문자 첨가)과 비구속모델에 대한 하중-변위 곡선관계를 나타낸 예시도이다.
도 10 내지 도 12의 2행1열의 구속모델과 비구속모델의 경우, 하중-변위 곡선은 동일하게 나타났다. 도 13 내지 도 14의 2행2열의 경우에서는 연단거리가 24㎜ 및 36㎜(C4T6H150E24, C4T6H150E36)는 면외변형이 발생하지 않는 것으로 하중-변위 곡선이 나타났다. 구속모델과 비구속모델의 곡선이 동일하고, 표 2에 나타낸 바와 같이 최대내력 측면에서도 일치하였다(Pua/PuaR=1.00).
면외변형의 발생에 따른 내력저하를 보이지 않았던 C4T6H150E48은 도 15에 나타낸 바와 같이, 면외변형 구속모델과 비구속모델의 하중-변위곡선은 전형적인 블록전단 파단형태를 보인 곡선과 거의 일치 하는 것으로 나타났고, 구속모델과 비구속모델의 최대내력비(Pua/PuaR)는 0.99로 최대내력에 있어 큰 차이는 없는 것으로 나타났다.
그러나, C4T6H140E60의 경우, 도 16에 나타낸 바와 같이, 구속모델인 C4T6H140E60R의 곡선이 비구속모델의 곡선을 상회하고 있고, 내력이 추가적으로 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 표 2에서 최대 내력비(Pua/PuaR)는 0.93으로 면외변형의 발생으로 최대 내력이 7%감소했다는 것을 알 수 있다.
실험결과와 해석결과의 타당성을 바탕으로 하중방향 연단거리(e)에 대하여 추가 변수해석을 수행하였다. 면외변형의 발생시점을 조사하기 위해 2행2열의 경우 연단거리 48㎜를 기준으로 6㎜단위로 추가 모델링을 하였고, 60㎜부터는 면외변형으로 인한 내력저하 정도를 파악하기 위해 3㎜단위로 추가 모델링을 수행하였다.
2행1열의 경우도 2행2열과 마찬가지로 6㎜단위로 모델링을 수행하였고, 2행2열과 비슷한 연단거리에서 내력이 저하가 발생한다고 판단하여 면외변형이 내력에 영향을 미치는 시점을 조사하기 위해 60㎜부터 3㎜단위로 72㎜까지 추가 모델링을 수행하였다.
표 3은, 면외변형을 고정하지 않은 모델과 고정한 모델의 최대내력, 최대내력 변위, 파단형태, 면외변형의 발생유무를 나타낸다.
[표 3]
Figure 112012055565025-pat00004

표 3에 나타낸 바와 같이, 2행2열의 경우 하중방향 연단거리가 48㎜이상 일 때 면외변형이 발생하였고, 60㎜이상의 해석모델은 면외변형으로 인한 내력저하를 보였다.
반면, 2행1열의 경우 54㎜이상 일 때 면외변형이 발생하였지만 2행2열과 다르게 최대내력의 저하는 보이지 않았다. 또한, 2행1열의 볼트배열에서 면외변형으로 인하여 내력이 저하가 나타나는 하중방향연단거리를 조사하기 위해 추가적으로 78㎜ 및 84㎜에 대해 모델링을 수행하였다. 도시하지는 않았지만, 연단거리가 78㎜이상부터 면외변형으로 인한 내력저하를 보였고, 최대 내력면에서 각각 4% 및 5%의 내력저하를 나타냈다.
[내력평가식]
면외변형은 볼트 후방의 지압응력으로 인해 압축영역에 있는 평판이 좌굴되어 발생한 것으로 예측된다. 그리고 볼트접합부에 대해 KSSC(한국강구조학회, 2009)에서는 최대 연단거리를 판두께의 12배 또는 150㎜이하로 산정하고 있기 때문에 하중방향 연단거리 72㎜까지 해석을 수행하였고, 2행1열의 경우, 면외변형으로 인한 내력저하를 조사하기 위하여 추가적으로 해석을 수행하였다(e=78㎜, 84㎜).
또한, 면외변형이 동반된 블록전단 파단이 발생하였을 경우, 하중직각방향의 인장파단 후 전단파단의 내력을 산정에 필요한 하중방향 유효연단거리를 평가하였다.
2행2열의 경우 하중방향 연단거리가 48㎜이상 일 때 면외변형이 발생하였고, 60㎜이상에서는 면외변형으로 인한 내력의 저하를 보였고, 2행1열의 경우 54㎜이상 일 때 면외변형이 발생하였고 78㎜이상에서 내력 저하가 나타났다.
이는 볼트배열에 따른 지압응력이 볼트가 접합된 평판부에 미치는 응력이 다르다고 판단될 수 있다. 볼트접합부의 볼트 후방에서 작용하는 지압응력의 영향으로 내력이 하중방향 연단까지 전달되지 않고, 면외변형과 함께 연단부까지 전단파단이 발생되지 않은 것으로 판단된다.
그리고 미세스(Mises) 항복이론을 바탕으로 종전단파단과 블록전단파단 내력산정에 있어서 전단응력을
Figure 112012055565025-pat00005
로 치환하고, AIJ(일본건축학회) 기준에서 언급한 연단거리 제한치 개념을 적용하여 13t로 하중방향연단거리(e)를 제안한다. 또한, SEI/ASCE(미국토목학회) 기준에서 순단면 인장파단의 σt의 r개념을 적용하여 다음과 같이 면외변형이 발생한 2행1열과 2행2열 ㄷ형강 볼트접합부의 내력식을 제안할 수 있다.
Figure 112012055565025-pat00006
여기에서, e3=Min(e, 13t·r), r은 총인장력에 대한 볼트에 의해 전달되는 내력의 비율(2행1열에서 r=1, 2행2열에서 r=1/2), t는 판두께, σu는 모재의 인장강도, b는 하중직각방향 연단거리, Ø는 볼트구멍 직경을 나타낸다.
다음의 표 4는 면외변형이 발생한 볼트접합부에 대해 상기 식에 의해 예측된 블록전단 내력(Pup)과 해석결과의 최대내력(Pua)을 비교한 결과를 나타낸다.
[표 4]
Figure 112012055565025-pat00007

해석 최대내력(유한요소 해석모델)에 대한 제안식의 최대 내력비(Pup/Pua)는 2행2열의 경우 평균 0.99, 2행1열의 경우 평균 0.95로 나타남으로써 기존의 설계 기준식에 의해 예측된 내력비보다 예측정도가 개선된 것을 알 수 있다.
상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.
10 : 유한요소 해석모델 구축모듈 20 : 변수 입력모듈
30 : 해석모델 모델링모듈 40 : 출력모듈
50 : 내력저하 판단모듈

Claims (18)

  1. 볼트 접합부의 면외변형(Curling)에 따른 최대 내력의 판단방법에 있어서,
    볼트 접합부의 유한요소 해석모델을 구축하는 제 1 단계;
    상기 제 1 단계에서 구축된 유한요소 해석모델에 대한 변수를 입력하는 제 2 단계;
    상기 제 2 단계에서 입력된 변수에 근거하여 상기 유한요소 해석모델에 대한 모델링을 비선형 해석방법을 사용하여 수행하는 제 3 단계;
    상기 제 3 단계에서 모델링된 결과값을 출력하는 제 4 단계; 및
    상기 제 4 단계에서 출력된 결과값에 근거하여 상기 볼트 접합부에 대한 최대 내력의 저하를 판단하는 제 5 단계;를 포함하고,
    상기 제 1 단계에서 구축되는 상기 볼트 접합부의 유한요소 해석모델은 오스테나이트계 스테인레스강 ㄷ형강에 대한 치수, 재질 특성, m행 n열의 볼트 배열(여기에서, m 및 n은 자연수), 볼트구멍 직경, 피치, 게이지를 포함하며,
    상기 제 2 단계에서 입력되는 변수는 하중방향 연단거리이고,
    상기 제 3 단계에서 수행되는 유한요소 해석모델에 대한 모델링은 대변형 기능(NLGEOM=YES)이 설정되고, 저감적분 육면체 솔리드 요소(C3D8R)가 적용되며, 상기 볼트 접합부에서 면외변형의 발생을 구속하지 않는 조건에 대한 최대 내력 (Pua)과 면외변형의 발생을 구속하는 조건에 대한 최대 내력(PuaR)을 산출하고,
    상기 제 4 단계에서 출력되는 모델링된 결과값은 상기 볼트 접합부에 대한 파단 형태, 최대 내력 및 면외변형 유무를 포함하되, 상기 파단 형태는 블록전단 파단으로서 상기 볼트 접합부에서 하중 직각방향에 대한 인장 파단 및 하중방향에 대한 종전단 파단을 포함하며,
    상기 제 5 단계에서 최대 내력의 저하에 대한 판단은 모델링된 결과값에서 면외변형이 발생하는 경우, 상기 면외변형의 발생을 구속하지 않는 조건에 대한 최대 내력(Pua)과 면외변형의 발생을 구속하는 조건에 대한 최대 내력(PuaR)의 비로 판단하고,
    상기 제 5 단계 후, 면외변형이 발생한 ㄷ형강 볼트 접합부의 블록전단 내력(Pup)을 하기의 블록전단 파단 평가식에 의해 계산한 후, 상기 블록전단 내력(Pup)과 상기 면외변형의 발생을 구속하지 않는 조건에 대한 최대 내력(Pua)의 비(Pup/Pua)를 이용하여 상기 볼트 접합부에 대한 최대 내력의 저하를 판단하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 볼트 접합부의 면외변형에 따른 최대 내력 판단방법.
    Figure 112013114979010-pat00024

    (여기서, Ant는 인장저항 순단면적, Agv는 전단저항 총단면적, σu는 모재의 인장강도, b는 하중직각방향 연단거리, Ø는 볼트구멍 직경, t는 판두께, e3는 외곽 볼트중심에서 하중방향 연단까지 거리(e)와 총인장력에 대한 볼트에 의해 전달되는 내력의 비율(r)에 면외변형에 의해 더 이상 내력이 증가하지 않은 것(하중방향 연단거리가 증가하여도 어느 한계값 이상이 되면 내력이 일정한 값에 수렴함)을 반영한 두께에 대한 13배(13t)를 곱한 값 중에서 작은 값, 즉, e3=Min(e, 13t·r), r은 2행1열에서 r=1, 2행2열에서 r=1/2, p는 하중방향 두 볼트 중심간 거리인 피치)

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