파형강판 구조물의 볼트 연결부 거동에 관한 해석적 연구

Analytical Study on Structural Behavior of Bolted Connections in Corrugated Steel Plate Structures

파형강판 구조물은 구조적인 효율성으로 인하여 국내외에서 활발히 적용되어 왔으나, 볼트 이음부의 손상 사례에 대한 원인 규명이 필요한 실정이다. 이 연구에서는 볼트 이음부의 상세한 유한요소 모델을 구성하고 실구조물의 단면력을 고려하여 볼트 개수, 볼트 배열, 하중, 연단거리, 볼트 간격과 같은 다양한 변수에 대하여 이음부에서 발생하는 응력 상태를 예측해 보았다. 그 결과 볼트 구멍 주변 강판의 균열은 이미 볼트 체결 단계에서 볼트 머리 또는 너트와 곡면 형상의 강판이 접촉하는 부위에서 발생한 큰 국부 응력 때문으로 판단된다. 이러한 국부 응력에 외부하중에 의한 단면력이 더해질 경우 강판 항복강도 이상의 응력도 발생할 수 있는 것으로 나타났다. 또한 휨모멘트가 작용할 때에는 볼트 개수에 관계 없이 정배열보다 부배열된 볼트에서 더 큰 응력이 발생하였다. 볼트 이음부 연단거리 및 볼트 간격의 경우 응력 수준으로 판단할 때 현행 규정은 적절한 것으로 나타났다. 한편 곡면 와셔 사용 등 볼트 체결 시의 국부 응력을 저감할 수 있는 방안에 대해서도 논의하였다. 이 연구는 파형강판 구조물의 손상 원인을 규명하고 개선방안을 제안함으로써 그 적용이 확대되는데 기여할 수 있을 것으로 판단된다.

Although corrugated steel plate structures have largely been applied in Korea as well as globally due to their structural efficiency, the causes of damage occurring at bolted connections should be examined. In this study, detailed finite element models for a bolted connection were formed, and the stress distribution around the connection was evaluated for various parameters, such as the number and arrangement of bolts, loads, edge length, and the spacing of bolts, by considering the cross-sectional forces of actual structures. As a consequence of the analyses, the cracks observed at the plate near a bolt hole can be attributed to very high local stresses that occur at the contact surface between the bolt head or nut and the curved plate when fastening the bolt. When the cross-sectional forces induced by external loads are applied to these local stresses, stresses in excess of the yield strength can occur. Furthermore, larger stresses occurred in an incorrect joint lap than those occurring in a correct joint lap, regardless of the number of bolts, when subjected to a bending moment. In regard to the edge length and spacing of bolts, the current specifications are appropriate in terms of the stress level. Several countermeasures to reduce the local stress around a bolt hole during fastening were also discussed, such as the use of the washers with a curved surface. It is expected that this study can contribute to the extended use of corrugated steel plate structures by clarifying the causes of damage and proposing possible improvements.