• Structural Engineering and Mechanics
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• 제55권3호
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• pp.639-654
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• 2015

Bolted joints are essential elements of mechanical structures and metal constructions. Although their static behaviour is fairly well known, their dynamic behaviour due to shocks and vibrations has been less studied, because of the large size of the finite element models needed for a detailed simulation. This work presents four different simplified models suitable for studying the dynamic behaviour of an elementary bolted joint. Three of them include contact elements to allow sliding of the screw head and the nut on the assembled parts, and the last one allows rotation between screw and nut. A penalty approach based on the Coulomb friction model is used to model contact. The results show that these models effectively represent the dynamic behaviour, with different accuracy depending on the model details. The last model simulates the self loosening of a bolt subjected to transversal vibrations.

• International Journal of Aeronautical and Space Sciences
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• 제17권3호
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• pp.332-340
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• 2016

A design optimization is performed for the double-bolted joint in cylindrical composite structures by using a simplified analytical method. This method uses failure criteria for the major failure modes of the bolted composite joint. For the double-bolted joint with a zigzag arrangement, it is necessary to consider an interaction effect between the bolt arrays. This paper proposes another failure mode which is determined by angle and distance between two bolts in different arrays and define a failure criterion for the failure mode. The optimal design for the double-bolted joint is carried out by considering the interactive net-tension failure mode. The genetic algorithm (GA) is adopted to determine the optimized parameters; bolt spacing, edge distance, and stacking sequence of the composite laminate. A purpose of the design optimization is to maximize the burst pressure of the cylindrical structures by ensuring structural integrity. Also, a progressive failure analysis (PFA) is performed to verify the results of the optimal design for the double-bolted joint. In PFA, Hashin 3D failure criterion is used to determine the ply that would fail. A stiffness reduction model is then used to reduce the stiffness of the failed ply for the corresponding failure mode.

• Wind and Structures
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• 제24권4호
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• pp.385-403
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• 2017

In recent years, the wind energy has played an increasingly important role in national energy sector of many countries. To harvest more electric power, the wind turbine (WT) tower structure becomes physically larger, which may cause more risks during long-term operation. Associated with the great development of WT projects, the number of accidents related to large-scaled WT has also been increased. Therefore, a structural health monitoring (SHM) system for WT structures is needed to ensure their safety and serviceability during operational time. The objective of this study is to develop a hybrid damage detection method for WT tower structures by measuring vibration and impedance responses. To achieve the objective, the following approaches are implemented. Firstly, a hybrid damage detection scheme which combines vibration-based and impedance-based methods is proposed as a sequential process in three stages. Secondly, a series of vibration and impedance tests are conducted on a lab-scaled model of the WT structure in which a set of bolt-loosening cases is simulated for the segmental joints. Finally, the feasibility of the proposed hybrid damage detection method is experimentally evaluated via its performance during the damage detection process in the tested model.

• Smart Structures and Systems
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• 제5권4호
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• pp.329-344
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• 2009

Ultrasonic chaotic excitations combined with sensor prediction algorithms have shown the ability to identify incipient damage (loss of preload) in a bolted joint. In this study we examine a physical experiment on a single-bolt aluminum lap joint as well as a three-dimensional physics-based simulation designed to model the behavior of guided ultrasonic waves through a similarly configured joint. A multiple bolt frame structure is also experimentally examined. In the physical experiment each signal is imparted to the structure through a macro-fiber composite (MFC) patch on one side of the lap joint and sensed using an equivalent MFC patch on the opposite side of the joint. The model applies the waveform via direct nodal displacement and 'senses' the resulting displacement using an average of the nodal strain over an area equivalent to the MFC patch. A novel statistical classification feature is developed from information theory concepts of cross-prediction and interdependence. This damage detection algorithm is used to evaluate multiple damage levels and locations.

• Steel and Composite Structures
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• 제20권3호
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• pp.501-512
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• 2016

High-strength structural bolts have been utilized for beam-to-column connections in steel-framed structural buildings. Failure of these components may be caused by the bolt shank fracture or threads stripping-off, documented in the literature. Furthermore, these structural bolts are galvanized for corrosion resistance or quenched-and-tempered in the manufacturing process. This paper adopted the finite element simulation to demonstrate discrete mechanical performance for these bolts under tensile loading conditions, the coated and uncoated numerical model has been built up for two numerical integration methods: explicit and implicit. Experimental testing and numerical methods can fully approach the failure mechanism of these bolts and their ultimate load capacities. Comparison has also been conducted for two numerical integration methods, demonstrating that the explicit integration procedure is also suitable for solving quasi-static problems. Furthermore, by using precise bolt models in T-Stub, more accurately simulate the mechanical behavior of T-Stub, which will lay the foundation of the mechanical properties of steel bolted joints.

• 대한기계학회논문집A
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• 제38권7호
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• pp.765-770
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• 2014

본 논문에서는 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성 향상 방안에 대한 연구를 다루고 있다. 이를 위해, 인서트와 나사산 유무에 따른 3가지 경우를 고려하여 볼트 체결부에 대한 시험 및 해석을 통해 인서트 형태 및 유무에 미치는 영향을 평가하였다. 제안된 볼트 체결부의 구조 성능은 ASTM D5961에 의거한 시험을 통해 비교 평가하였다. 시험결과, 나사산이 없는 인서트를 갖는 볼트 체결부가 가장 적합한 것으로 확인되었다. 또한, 볼트 체결부를 고려한 복합재 대차프레임에 대한 구조 안전성 평가를 JIS E 4207에 의거하여 유한요소해석을 통해 평가하였다. 복합재 구조물은 Tsai-Wu 파손기준식에 의해 파손평가를 적용하였고, 볼트 체결부와 같은 금속재 구조물은 Von-Mises 파손기준식에 의해 평가하였다. 이때, 볼트 체결부의 경우에는 상세한 구조해석 결과 검토를 위해 서브모델링 기법을 적용하였다. 구조해석결과, 나사산이 없는 인서트가 적용된 볼트 체결부의 경우에는 볼트 체결부 주위의 복합재 구조물에 발생하는 Tsai-Wu 파손지수가 다른 경우에 비해 약 50% 감소하는 경향을 보였는데, 이는 나사선이 없는 인서트 형상이 복합재 대차프레임 볼트 체결부의 내구성을 향상시킬 수 있을 것으로 판단된다.

• 복합신소재구조학회 논문집
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• 제3권1호
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• pp.8-15
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• 2012

고력볼트의 초기 체결력은 미끄럼표면조건에 따라, 일정시간이 경과될 때까지, 축력저하가 발생한다. 이 연구는 미끄럼접합부 표면에 도장이 되어있는 경우, 도장의 크리프현상에 따른 축력저하에 관한 예측 모델을 찾는 것이다. 이 실험연구 범위는 무기질 아연 프라이머로 도포된 볼트접합부의 장기축력저하에 한정한다. 실험에 적용된 볼트종류는 다크로 도포된 토크쉬어 볼트이다. 대상 표면의 도막 두께는 각각 96, 168, $226{\mu}m$ 이었다. 도막두께가 증가될수록, 초기 체결이후 축력이완율은 도막의 크리프 때문에 10%에서 18%로 증가되었다. 장기축력예측을 위한 정량적인 모델은 도막두께에 따른 크리프 스트레인과 경과된 시간사이에 회귀분석 결과로 얻어진다. 이 실험연구를 통해 미끄럼표면 도막의 크리프 거동특성을 알 수 있다면, 일정시간 경과후 고력볼트 체결력은 초기 체결력으로부터 구할 수 있다. 본 실험결과를 근거로 각 도막두께에 대한 장기축력이완이후의 고력볼트 체결력에 관한 정량적인 수식을 제안하였다.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제15권2호
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• pp.136-143
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• 2011

고력볼트의 현장 조립시 볼트 구멍 간의 불일치로 인하여 볼트 구멍을 확장하는 경우가 빈번하게 발생하고 있으며, 이를 위해서 외국 기준에서는 볼트 구멍 크기, 형태, 하중 방향에 따라 미끄럼하중에 대한 규정을 따로 두고 있다. 그러나 우리나라의 경우 과대구멍에 대한 시방규정이나 이에 대한 접합부 특성에 관한 연구는 미흡한 실정이다. 따라서, 접합부재 표면처리와 볼트구멍 크기의 변화가 접합부 내력에 어떠한 영향을 미치는 지를 실험을 통해 정량적으로 평가할 필요가 있다. 본 연구에서는 볼트 구멍 크기 및 형태에 따른 접합부의 미끄럼하중의 변화와 체결 후, 장기축력이완의 경향을 분석하기 위하여 160시간 및 800시간 동안 고력볼트의 축력의 변화를 측정하였다. 본 실험대상 고력볼트로 KS B 2819에 규정된 TS(Torque Shear)형 고력볼트를 사용하였다. 표준 볼트구멍 대비 그 외 볼트구멍의 미끄럼하중의 변화는 10% 미만으로 나타났으며, 장기축력이완은 직경 2.5배의 슬롯구멍에서, 2.66%로 가장 높게 나타났다.

• Structural Engineering and Mechanics
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• 제74권3호
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• pp.395-406
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• 2020

Many prefabricated concrete frame joints have been proposed, and most of them showed good seismic performance. However, there are still some limitations in the proposed fabricated joints. For example, for prefabricated prestressed concrete joints, prefabricated beams and prefabricated columns are assembled as a whole by the pre-stressed steel bar and steel strand in the beams, which brings some troubles to the construction, and the reinforcement in the core area of the joints is complex, and the mechanical mechanism is not clear. Based on the current research results, a new type of fabricated joint of prestressed concrete beams and confined concrete columns is proposed. To study the seismic performance of the joint, the quasi-static test is carried out. The test results show that the nodes exhibit good ductility and energy dissipation. According to the experimental fitting method and the "fixed point pointing" law, the resilience model of this kind of nodes is established, and compared with the experimental results, the two agree well, which can provides a certain reference for elasto-plastic seismic response analysis of this type of structure. Besides, based on the analysis of the factors affecting the shear capacity of the node core area, the formula of shear capacity of the core area of the node is proposed, and the theoretical values of the formula are consistent with the experimental value.

• Composites Research
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• 제25권6호
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• pp.186-190
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• 2012

복합재료가 기계부품 및 항공기 구조물에 폭 넓게 적용됨에 따라, 복합재료 구조물에서 가장 취약한 복합재료 체결부의 설계는 매우 중요한 연구 분야로 대두되고 있다. 본 논문에서는 다양한 원공공차를 가지는 복합재료 볼트 조인트와 핀 조인트의 강도를 상호 비교하였다. 실험결과로부터 조인트의 원공공차가 $880{\mu}m$일 때 원공공차가 $0{\mu}m$ 보다 첫 번째 파손하중의 볼트 조인트는 24.2 %, 핀 조인트는 51.3 %의 강도저하가 발생되었다. 또한, 이에 대한 유한 요소 해석을 수행하여 파손지수를 계산하고 실험값과 상호 비교하였다.