한계상태 설계법에 의한 고력볼트의 설계강도
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- 2022. 9. 15.
한계상태 설계법에 의한 고력볼트의 설계강도
1) 볼트의 인장과 전단강도
(1) 고장력볼트의 설계인장강도 또는 전단강도 ØRn는 인장파단과 전단파단의 한계상태에 대하여 다음과 같이 산정합니다.
Rn = Fn Ab Ø = 0.75
여기서, Fn : 공칭강도(MPa)
Fnt : 공칭인장강도
Fnv : 공칭전단강도
Ab : 볼트의 공칭단면적(㎟)
(2) 소요인장강도는 접합부의 변형에 의한 지레작용을 고려한 인장력으로 합니다. 다음에 명기된 공칭인장강도 Fnt는 볼트의 체결 시 장력의 도입 여부와는 관계없이 적용할 수 있습니다.
[볼트의 공칭강도(MPa)]
| 강도 / 강종 | 고력볼트 | 일반볼트 | |||
| F8T | F10T | F13T | 4.6 | ||
| 공칭인장강도, Fnt | 600 | 750 | 975 | 300 | |
| 지압접합의 공칭전단강도, Fnv |
나사부가 전단면에 포함될 경우 |
320 | 400 | 520 | 160 |
| 나사부가 전단면에 포함되지 않을 경우 |
400 | 500 | 650 | ||
주) F13T은 KS B 1010에 의하여 수소지연파괴 민감도에 대하여 합격된 시험성적표가 첨부된 제품에 한하여 사용하여야 합니다. 일반볼트 4.6은 KS B 1002에 따른 강도 구분입니다.
공칭인장강도 Fnt는 고장력볼트 인장강도의 75%의 값을 사용하는데, 이는 나사부의 단면적이 공칭단면적의 75%이기 때문입니다. 또한 지압접합부의 공칭전단강도의 값은 나사부의 단면적 감소를 고려하여 다음과 같이 산정합니다.
- 나사부가 전단면에 포함되지 않는 경우
Fnv = 0.5Fu
- 나사부가 전단면에 포함되는 경우
Fnv = 0.4Fu
2) 지압접합에서 인장과 전단의 조합
(1) 지압접합이 인장과 전단의 조합력을 받을 경우 볼트의 설계강도는 다음의 인장과 전단파괴의 한계상태에 따라서 선정합니다.
Rn = Fnt' Ab Ø = 0.75
여기서, Fnt' : 전단응력의 효과를 고려한 공칭인장강도, MPa
Fnt' = 1.3Fnt - (Fnt / ØFnv) x fv ≤ Fnt
Fnt : 고력볼트의 공칭인장강도, MPa
Fnv : 고력볼트의 공칭전단강도, MPa
fv : 소요전단응력, N/㎟
(2) 볼트의 설계전단응력이 단위면적당 전단소요응력 fv 이상이 되도록 설계합니다.
(3) 전단 또는 인장에 의한 소요응력 f가 설계응력의 20% 이하이면 조합응력의 효과를 무시할 수 있습니다.
3) 볼트구멍의 지압강도
(1) 지압한계상태에 대한 볼트구멍에서 설계강도 ØRn는 다음과 같이 선정합니다.
- 표준구멍, 대형구멍, 단슬롯구명의 모든 방향에 대한 지압력 또는 장슬롯 구멍이 지압력 방향에 평행일 경우
*사용하중상태에서 볼트구멍의 변형이 설계에 고려될 경우
Rn = 1.2Lc t Fu ≤ 2.4dt Fu Ø = 0.75
*사용하중상태에서 볼트구멍의 변형이 설계에 고려되지 않을 경우
Rn = 1.5Lc t Fu ≤ 3.04dt Fu Ø = 0.75
- 장슬롯구멍에 구멍의 방향에 수직방향으로 지압력을 받을 경우
Rn = 1.0Lc t Fu ≤ 2.04dt Fu Ø = 0.75
여기서, d : 볼트 공칭직경, mm
Fu : 피접합재의 공칭인장강도, MPa
Lc : 하중방향 순간격, 구멍의 끝과 피접합재의 끝 또는 인접구멍 끝까지의 거리, mm
t : 피접합재의 두께, mm
(2) 접합부에 대하여 지압강도는 각각 볼트의 지압강도의 합으로 산정합니다.
(3) 지압접합과 마찰접합 모두에 대하여 볼트구멍의 지압강도가 검토되어야 합니다.
4) 고력볼트의 미끄럼 강도
(1) 미끄럼에 예민한 마찰접합은 미끄럼을 방지하고 지압접합에 의한 한계상태에 대해서도 검토해야 합니다.
(2) 미끄럼에 예민한 마찰볼트에 필러를 사용할 경우에는 미끄럼에 관련되는 모든 접촉면에서 미끄럼에 저항할 수 있도록 해야 합니다.
(3) 미끄럼 한계상태에 대한 마찰접합의 설계강도는 다음과 같이 산정합니다.
Rn = μ hf To Ns
- 표준구멍 또는 하중방향에 수직인 단슬롯 구멍인 경우 Ø = 1.00
- 대형구멍 또는 하중방향에 평행한 단슬롯 구멍인 경우 Ø = 0.85
- 장슬롯 구멍인 경우 Ø = 0.7
여기서, μ = 0.50 미끄럼계수(페인트를 칠하지 않은 블라스트 청소된 마찰면)
hf : 필러계수로서,
hf = 1.0 : 필러를 사용하지 않는 경우와 필러 내 하중의 분산을 위하여 볼트를 추가한 경우 또는 필러 내
하중의 분산을 위해 볼트를 추가하지 않은 경우로서 접합되는 재료 사이에 한 개의 필러가 있는 경우
hf = 0.85 : 필러 내 하중의 분산을 위해 볼트를 추가하지 않은 경우로서 접합되는 재료 사이에 2개 이상의
필러가 있는 경우
Ns : 전단면의 수
To : 설계볼트장력, kN
[고력볼트의 설계볼트장력]
| 볼트의 등급 | 볼트의 호칭 | 공칭단면적(㎟) | 설계볼트장력(To)(kN) |
| F8T | M16 | 201 | 84 |
| M20 | 314 | 132 | |
| M22 | 380 | 160 | |
| M24 | 452 | 190 | |
| F10T | M16 | 201 | 106 |
| M20 | 314 | 165 | |
| M22 | 380 | 200 | |
| M24 | 452 | 237 | |
| F13T | M16 | 201 | 137 |
| M20 | 314 | 214 | |
| M22 | 380 | 259 | |
| M24 | 452 | 308 |
*설계볼트장력은 볼트의 인장강도의 0.7배에 볼트의 유효단면적을 곱한 값, 볼트의 유효단면적은 공칭단면적의 0.75배
5) 마찰접합에서 인장과 전단의 조합
마찰접합이 인장하중을 받아 장력이 감소할 경우 설계미끄럼 강도를 다음과 같은 계수를 사용하여 감소시킨 후 검토합니다.
ks = 1 - ( Tu / To Nb)
여기서, Nb : 인장력을 받는 볼트의 수
To : 설계볼트장력, kN
Tu : 소요인장력, kN
6) 핀접합
(1) 휨모멘트를 받는 핀의 설계강도
Mn = 1.00Fy Z Ø = 0.9
여기서, Fy : 핀의 항복강도, MPa
Z : 핀의 소성단면계수, ㎟
(2) 휨모멘트를 받는 핀의 설계전단강도 ØVn는 다음과 같이 산정합니다.
Vn = 0.6 Fy Ap Ø = 0.9
여기서, Ap : 핀의 단면적, ㎟