고장력 볼트

왜 배우는가: 고장력 볼트는 강구조 접합의 핵심 부재로, 마찰접합 원리와 고력볼트 반입검사 기준이 철골공사 안전·품질 문제와 직결되어 1교시 용어 문제와 논술 문제에 반복해서 출제된다. 이 절에서 정의와 등장 배경을 정확히 잡으면 후속 절의 기준값과 검사 항목을 이해하기 쉽다.

출제 이력: 제114회 1교시 5번, 제111회 1교시 8번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고장력 볼트는 인장강도가 큰 고장력 강재로 만든 볼트·너트·와셔 1조를 죄어, 접합면에 큰 축력(죔력)을 도입하고 그 마찰력으로 부재 사이 전단력을 전달하는 접합 부재다.

• 핵심 키워드: 고장력 볼트, 마찰접합, 죔력(볼트 장력), 표준볼트장력, 미끄럼계수, F10T, 지압접합, 반입검사

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 볼트를 아주 세게 조여서 두 강재를 눌러 붙이고, 그 붙은 면의 마찰로 힘을 옮기는 방식이다. 볼트 자체가 전단을 받는 것이 아니라 접합면이 미끄러지지 않도록 잡아 주는 것이 핵심이다.

정식 정의는 다음과 같다. 고장력 볼트는 고장력 볼트(High Tension Bolt) 로, 고탄소강 또는 고합금강을 열처리하여 높은 인장강도를 갖게 한 볼트이며, 접합면에 죔력을 도입하여 마찰에 의해 응력을 전달하는 볼트이다. 고장력 볼트 접합은 볼트, 너트, 와셔를 1조로 사용하며, 품질은 기계적 성질에 따른 등급(F8T, F10T, F11T 등)으로 규정된다.

원리는 다음과 같다. 볼트를 설계된 장력으로 조이면 접합재 사이에 큰 압축력이 생긴다. 이 압축력이 접합면의 마찰저항을 만들고, 외력이 마찰저항보다 작은 동안은 부재가 미끄러지지 않는다. 접합재에 도입된 압축력은 볼트 머리와 너트 주변에서 약 45° 범위로 퍼져 전달된다고 보는 것이 일반적이다.

핵심 용어를 정리하면 다음과 같다.

마찰접합은 접합면의 마찰력으로 전단력을 전달하는 방식이며, 고장력 볼트 접합의 원칙이다. 지압접합은 볼트 축이 구멍 벽을 눌러 전단력을 받는 방식이다. 표준볼트장력은 목표 조임력으로, 조임 시 오차에 대응하기 위해 설계볼트장력에 약 10%를 할증한 값이다. 미끄럼계수는 접합면의 마찰 상태를 나타내는 계수다.

3. 등장 배경과 필요성

리벳 접합은 가열·타격 시공이 필요하고 시공 품질의 편차가 컸다. 용접 접합은 열변형과 잔류응력이 생기며, 현장 용접의 품질 관리가 어렵다. 고장력 볼트는 상온에서 조이기만 하면 되므로 현장 시공이 빠르고 소음이 적다. 또 접합부가 미끄러지지 않아 피로와 진동에 강하다.

이러한 이점 때문에 고장력 볼트 마찰접합은 강구조 건축물과 교량에서 주된 접합 방식으로 자리 잡았다. 반면 볼트 구멍에 의한 단면 손실이 있고, 죔력이 부족하거나 과다하면 접합부 성능이 떨어지므로 반입검사와 조임 관리가 필수다. 이 때문에 현장 반입 시점의 품질 확인, 즉 고력볼트 반입검사가 1교시 문제로도 출제된다.

철골 접합의 응력 분담 관계에서도 고장력 볼트는 중요한 위치를 차지한다. 일반적으로 용접 접합의 강성과 내력이 가장 크고, 고장력 볼트와 리벳이 그 다음 순서로 논의된다.

4. 구성요소·원리·절차

고장력볼트 접합은 볼트 축력으로 접합면에 큰 압축력을 도입하고, 이 압축력에 의해 생기는 마찰력으로 전단력을 전달하는 방식이다. 볼트 구멍의 지압에 의존하지 않으므로 응력 흐름이 일정하고 피로에 유리하다. 구성요소는 볼트·너트·와셔 한 조(一組)이며, 접합 성능은 이 세 요소의 조합과 조임 방법에 따라 정해진다.

고장력볼트는 한 조(볼트·너트·와셔)로 공급되며, 품질은 볼트의 기계적 성질에 따른 등급(F8T, F10T 등)으로 규정된다. 등급 번호는 볼트 인장강도의 크기를 나타내며, 현장에서는 등급과 부품 조합을 함께 확인한다.

마찰접합 원리는 다음과 같다. 볼트를 조이면 축방향 인장이 생기고, 이에 대응하여 접합재 사이에 압축력이 작용한다. 이 압축력이 접합면에 마찰저항을 만들고, 외력이 마찰저항을 넘지 않는 한 부재 사이는 미끄러지지 않는다. 접합재에 도입된 압축력은 약 45° 범위로 퍼져 전달된다는 설이 일반적이다.

고장력볼트 마찰접합은 축력에 의한 접합면 마찰로 전단력을 전달한다.

마찰력은 다음 식으로 나타낸다.

$$ \phi\,R_s = \phi\,\mu\,N_s\,T_o\,h_f $$

여기서 \mu는 미끄럼 계수(접합면 처리 상태에 따른 값), N_s는 미끄럼 면의 수, T_o는 볼트 설계 축력(N), h_f는 충전재 계수, \phi는 저항계수다. 축력 T_o가 클수록, 미끄럼 계수가 클수록 허용 전단력이 커진다.

시공 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 설계도서에서 볼트 등급·직경·설계 볼트장력을 확인한다.
• 반입된 고력볼트의 등급 표시와 검사성적서를 대조한다(반입검사).
• 접합면의 마찰면 처리(블라스트, 흑피 제거 등)를 확인한다.
• 가볼트로 부재를 임시 고정하고 정확한 위치를 맞춘다.
• 본볼트를 1차 조임(예비 조임)한 뒤 본 조임을 한다.
• 토크관리법 등 조임 방법으로 축력을 확인한다.
• 조임 후 마킹 확인과 육안·토크 검사를 한다.

조임 방법은 토크관리법, 너트회전법, 직접인장식 볼트(TC 볼트) 등이 있다. 토크관리법은 조임 토크와 축력의 관계를 이용하므로 윤활 상태 변화에 민감하다. 따라서 조임 전 축력 교정 시험이 필요하다.

설계볼트장력의 10% 할증 개념은 조임 오차와 변동을 흡수하기 위한 목표 조임력이다. 표준볼트장력은 이 할증을 반영한 목표값이다.

5. 관련 법령·기준·표준

고장력볼트 접합의 설계·시공 기준은 건축구조기준(KDS 41 계열의 강구조 설계기준)과 건축공사 표준시방서(KCS 강구조 공사 관련 규정)에 있다. 산업안전 측면에서는 「산업안전보건기준에 관한 규칙」이 고소작업과 가설 구조물의 안전을 규정하고, 「건설기술 진흥법」이 품질·안전 관리 체계를 규정한다. 고장력볼트의 제품 규격은 KS 규격(KS B 1010 계열 등)을 따른다.

지압강도는 구멍의 종류(표준구멍, 대형구멍, 단슬롯, 장슬롯)와 지압력 방향에 따라 식이 나뉜다. 사용하중 상태에서 구멍 변형을 설계에 고려하는지 여부에 따라 식도 달라진다. 두 식 중 작은 값을 취하는 것이 원칙이다.

개정 연혁으로는 건축구조기준 개정에 따라 마찰접합에서도 지압접합 관련 강도를 검토하게 된 점이 있다. 이 변화는 강도한계상태 검토 범위가 넓어졌음을 뜻한다. 세부 개정 시점은 해당 기준의 최신 판을 기준으로 한다.