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볼트 연결 - 전단력과 인장력의 상호작용

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이 내용은 Wald 교수 등이 저술한 "Component-based finite element design of steel connections" 도서에서 선택된 챕터입니다. 이 챕터는 인장력과 전단력의 조합 하중을 받는 볼트의 검증에 초점을 맞추고 있습니다.

설명

이 챕터의 목적은 볼트의 전단력과 인장력 상호작용에 대한 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)을 해석 모델(AM)과 비교하여 검증하는 것입니다. 검증을 위해 엔드 플레이트와 두 열의 볼트로 구성된 보-보 접합부가 선택되었습니다. 그림 5.5.1을 참조하십시오. 접합부의 휨 강성은 강체로 분류될 만큼 충분히 높습니다.

$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.5.1 Joint arrangement of bolted beam-to-beam joint}}}$

해석 모델

전단력과 인장력의 상호작용에서 볼트 저항력은 EN 1993-1-8:2005의 3.6.1절 표 3.4에 따라 설계됩니다. 이중선형 관계가 사용됩니다. 접합부의 형상 및 엔드 플레이트 치수는 볼트 파괴에 의해 접합부의 설계 저항력이 제한되도록 선택됩니다. 인장 등가 T-스터브의 설계 저항력은 EN 1993‑1‑8:2005의 6.2.4절 표 6.2에 따라 모델링됩니다.

저항력 검증

모델의 매개변수는 볼트 직경과 보 치수입니다. 그림 5.5.2~5.5.5를 참조하십시오. 엔드 플레이트의 치수와 볼트 간격은 볼트 파괴에 의해 접합부 저항력이 제한되도록 수정됩니다. 접합부의 전단 및 휨 저항력은 볼트 파괴 시의 하중 조건에서 비교됩니다. 결과는 표 5.5.1 및 5.5.2에 요약되어 있습니다.

$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.5.2 Sensitivity study for resistance in bending with variation of bolt diameter}}}$

$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.5.3 Sensitivity study for resistance in bending with variation of beam dimension}}}$

$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.5.4 Sensitivity study for resistance in shear with variation of bolt diameter}}}$

$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.5.5 Sensitivity study for resistance in shear with variation of beam dimension}}}$

표 5.5.1 볼트 직경 변화에 따른 저항력 민감도 연구

매개변수			AM		CBFEM		AM/CBFEM
보; 엔드 플레이트	직경	간격	MRd [kNm]	VRd [kN]	MRd [kNm]	VRd [kN]	MRd	VRd
IPE270; tp = 30mm; 150×310mm	M16/8.8	e1 = 60 mm; p1 = 190 mm; w = 90 mm	41	155	38	146	1,06	1,06
	M20/8.8	e1 = 70 mm; p1 = 170 mm; w = 90 mm	61	242	50	200	1,21	1,21
HEA300; tp = 40mm; 300×330mm	M24/8.8	e1 = 85 mm; p1 = 160 mm; w = 150 mm	89	349	83	328	1,06	1,06
	M27/8.8	e1 = 95 mm; p1 = 140 mm; w = 150 mm	110	453	89	365	1,24	1,24
HEA500; tp = 40mm; 330×520mm	M30/8.8	e1 = 160 mm; p1 = 200 mm; w = 150 mm	216	554	198	509	1,09	1,09

표 5.5.2 보 치수 변화에 따른 저항력 민감도 연구

매개변수			AM	AM	CBFEM	CBFEM	AM/CBFEM	AM/CBFEM
보; 핀 플레이트	직경	간격	MRd [kNm]	VRd [kN]	MRd [kNm]	VRd [kN]	MRd	VRd
HEA260; tp = 25mm; 260×290mm	M20/8.8	e1 = 75 mm; p1 = 140 mm; w = 130 mm	53	242	50	229	1,06	1,06
IPE300; tp = 30mm; 150×340mm	M20/8.8	e1 = 70 mm; p1 = 200 mm; w = 90 mm	69	242	65	228	1,06	1,06
HEB300; tp = 40mm; 300×340mm	M27/8.8	e1 = 100 mm; p1 = 140 mm; w = 150 mm	111	453	105	427	1,06	1,06
IPE500; tp = 45mm; 220×560mm	M27/8.8	e1 = 105 mm; p1 = 350 mm; w = 120 mm	220	453	206	423	1,07	1,07

$\textsf{\textit{\footnotesize{Drawing 5.5.1 Joint geometry and dimensions}}}$

민감도 연구 결과는 그림 5.5.6 및 5.5.7의 그래프에 요약되어 있습니다. 결과에 따르면 두 계산 방법 간의 차이는 10 % 미만입니다. 해석 모델은 일반적으로 더 높은 저항력을 나타냅니다.

$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.5.6 Verification of CBFEM to AM for the interaction of shear and tension in bolt in case of loading to bending resistance of a joint}}}$

$\textsf{\textit{\footnotesize{Fig. 5.5.7 Verification of CBFEM to AM for the interaction of shear and tension in bolt in case of loading to shear resistance of a joint}}}$

벤치마크 예제

입력값

연결 부재

강재 S355
보 HEA300
엔드 플레이트 두께 t_p = 40 mm
엔드 플레이트 치수 300 × 330 mm

볼트

4 × M24 8.8
간격 e₁ = 85 mm; p₁ = 160 mm; w₁ = 75 mm; w = 150 mm

출력값

휨 설계 저항력 M_Rd = 93 kNm
전단 설계 저항력 V_Rd = 291 kN
파괴 모드는 전단력과 인장력의 상호작용에 의한 볼트 파괴

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