프라잉 힘 및 볼트의 높은 인장력

볼트의 인장력이 수계산보다 높게 나타나는 이유는 무엇인가? 핀 플레이트 연결에서 볼트에 인장력이 발생하는 이유는 무엇인가? 볼트 등급에 따라 인장력이 다르게 나타나는 이유는 무엇인가?

일반적인 답은 IDEA StatiCa 애플리케이션에서 사용되는 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 모델에 있다. 플레이트 및 기타 부품의 변형은 유한요소 해석의 일부로 계산되며, 이로 인해 프라잉 힘이 작용하게 된다. 프라잉 힘은 볼트에 추가로 도입되는 하중이다. 프라잉 힘에 대한 자세한 내용은 전용 블로그 게시물을 참조하라.

프라잉 힘의 결과로, 볼트의 인장력은 연결부의 설계, 연결 부품의 강도, 그리고 적용된 하중 효과에 따라 크게 달라질 수 있다.

핀 플레이트 연결에서 볼트의 인장력

대부분의 경우, 핀 플레이트는 하나의 플레이트를 사용하여 부재를 연결한다. 이로 인해 연결부에 작은 편심이 발생한다. 이 편심은 플레이트에 추가적인 프라잉 힘을 유발하며, 이는 볼트에 인장력을 발생시킨다.

양면 핀 플레이트를 사용하고 연결부가 대칭인 경우, 볼트의 인장력은 핀 플레이트의 변형으로 인해서만 발생한다. 변형이 발생하면 추가적인 편심이 생기기 때문이다.

엔드 플레이트 연결에서 볼트의 높은 인장력

엔드 플레이트가 얇을수록 주어진 하중 효과에 의한 변형이 커진다. 이는 프라잉 작용을 증가시키고 볼트에 추가적인 인장력을 발생시킨다. 엔드 플레이트가 두껍고 충분히 강성이 있으면 프라잉 힘은 제거된다. 다음의 간단한 예시를 통해 이 효과를 확인할 수 있다:

a) 엔드 플레이트 - 두께 10 mm, 적용 인장력 200 kN

4개 볼트의 합산 인장력: 61.5 x 4 = 246 kN

b) 엔드 플레이트 - 두께 40 mm, 적용 인장력 200 kN

4개 볼트의 합산 인장력: 49.9 x 4 = 200 kN

볼트 등급에 따른 볼트 인장력의 차이

각 볼트 등급은 서로 다른 작동 선도와 항복강도 값을 가진다. 휨 모멘트를 받는 두 보의 엔드 플레이트 연결에서 M20 볼트의 세 가지 등급(8.8, 10.9, 5.6)을 비교하여 나타낸다.

비교적 낮은 하중 효과에서는 각 등급별 볼트의 인장력이 유사한 값을 나타낸다.

그러나 볼트의 높은 이용률(및 볼트의 소성화)을 유발하는 하중 효과에서는 볼트 등급에 따라 인장력이 달라진다. 볼트 등급이 높을수록 인장력도 높아진다.

자세한 내용은 이론적 배경 및 동영상 녹화를 참조하라.