고력볼트 접합방법

왜 배우는가: 고력볼트 접합은 강구조 접합부 설계의 기본이며, 마찰접합과 지압접합의 설계 순서와 검토 항목 차이는 철골 접합 문항에서 거의 매년 반복되는 핵심 비교 주제다. 접합 방식을 정확히 구분해야 설계강도 산정과 검토 항목을 바르게 고를 수 있다.

출제 이력: 제119회 1교시 9번, 제97회 1교시 11번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고력볼트 접합은 고장력볼트를 높은 장력으로 조여 부재 사이에 마찰력을 도입하거나 볼트의 전단과 지압으로 응력을 전달하는 볼트 접합 방식이다. 답안 첫 줄에는 다음과 같이 쓴다.

고력볼트 접합은 고장력볼트의 조임력으로 접합면에 마찰력을 도입하거나 볼트의 전단·지압으로 응력을 전달하는 접합 방식이다.

핵심 키워드

• 고장력볼트(High-strength bolt)
• 마찰접합(Slip-critical connection)
• 지압접합(Bearing-type connection)
• 밀착조임
• 전인장조임
• 설계미끄럼강도
• 볼트 구멍 지압강도
• 블록전단파단

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 볼트를 세게 조여 두 강재를 눌러 붙여 놓고, 그 눌림에서 생기는 마찰로 힘을 옮기는 것이 마찰접합이다. 볼트 자체의 전단과 구멍 벽의 지압으로 힘을 옮기는 것이 지압접합이다. 두 방식은 힘이 전달되는 원리가 달라 설계 검토 항목도 달라진다.

정식 정의로는, 마찰접합은 고장력볼트의 조임 장력에 의해 접합재 사이에 발생하는 마찰력으로 응력을 전달하는 접합이다. 미끄럼이 발생하지 않는 것을 한계상태로 본다. 즉 사용하중 상태에서 미끄럼이 일어나지 않도록 설계한다.

지압접합은 볼트의 단면이 전단을 받고 볼트 구멍 주변 모재가 지압을 받아 응력을 전달하는 접합이다. 접합부에 약간의 미끄럼이 허용되며, 파괴는 볼트의 전단파단 또는 구멍 주변 모재의 지압파괴로 정해진다.

밀착조임은 볼트를 접합재가 밀착할 정도로만 조이는 방식이다. 전인장조임은 볼트를 설계 볼트장력까지 충분히 인장하는 방식이다. 두 용어는 조임 수준의 차이로 구분하며, 마찰접합에서 필요한 것은 전인장조임된 고장력볼트다.

고장력볼트는 볼트, 너트, 와셔가 한 조를 이루며 기계적 성질에 따라 F8T, F10T 등의 등급으로 구분된다. 마찰접합에서는 조임 장력이 마찰력의 크기를 결정하므로, 조임의 질이 접합 성능을 좌우한다.

미끄럼계수 0.5는 페인트칠하지 않은 블라스트 청소 마찰면에 적용하는 값이다.

3. 등장 배경과 필요성

초기의 리벳 접합은 가열·타격 시공이 필요해 소음과 시간이 많이 들었다. 이후 고장력볼트가 도입되면서 현장 체결이 간편해지고 소음이 줄었다. 또한 접합면의 응력 흐름이 원활해 응력집중이 적고 접합부 강성이 높다는 장점이 확인되었다.

고장력볼트 사용이 늘면서 볼트 직경은 커지고 배치 수는 줄어드는 추세가 생겼다. 이에 따라 블록전단파단과 같은 접합부 한계상태의 검토 중요성이 커졌다. 또한 볼트 구멍의 단면 손실로 인한 인장재 순단면 검토도 함께 필요해졌다.

접합 방식의 선택은 구조 안전성과 시공성을 함께 고려하는 과정이다. 마찰접합은 반복하중과 진동에도 조임력이 유지되어 피로와 사용성 측면에서 유리하다. 반면 지압접合은 시공이 간편하고 비용이 적지만 미끄럼이 발생할 수 있어 진동이나 반복하중을 받는 부재에는 적합하지 않다. 따라서 두 방식의 차이를 정확히 이해하는 것이 설계 실무와 시험 준비의 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

고력볼트 마찰접합은 볼트를 설계볼트장력으로 조여 접합재 사이에 큰 수직력을 도입하고, 전단력은 그 접촉면의 마찰력으로 전달하는 방식이다. 전단력이 접촉면에서 미끄러지지 않는 동안에는 볼트 축에 전단응력이 생기지 않는다. 따라서 응력 흐름이 원활하고 접합부 강성이 높다. 마찰접합은 접촉면 마찰력으로 전단을 전달하는 접합이다

구성요소별 역할은 다음과 같다.

표의 구성은 접합 성능을 결정하는 변수를 한눈에 보여 준다. 마찰력은 미끄럼계수와 접촉면 수직력의 곱으로 결정되며, 접촉면 수직력은 볼트 장력에서 나온다. 따라서 장력 도입이 부족하면 마찰력이 줄어들고 접합 성능 전체가 떨어진다.

원리는 세 가지로 정리된다. 첫째, 마찰면이 미끄러지기 전까지는 탄성 거동을 하므로 강성이 높다. 둘째, 진동이나 반복하중을 받아도 조임력이 유지되면 접합부 변형이 작다. 셋째, 미끄럼이 발생하면 접합부는 볼트 지압으로 저항하므로 지압접합과 같이 거동한다. 이 때문에 미끄럼 발생 여부가 설계의 기준점이 된다. 장력이 도입되지 않은 볼트접합은 미끄럼이 쉽게 일어나므로 고력볼트 조임과 마찰면 관리가 함께 필요하다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 소요강도 산정: 접합부에 작용하는 전단력과 인장력을 구한다.
• 볼트 선정: 강도 등급과 공칭직경을 정한다.
• 설계미끄럼강도 산정: 미끄럼계수, 필러계수, 설계볼트장력, 전단면 수를 대입한다.
• 인장력 감소 검토: 인장을 받는 볼트가 있으면 장력이 줄어드는 만큼 설계미끄럼강도를 낮춘다.
• 볼트구멍 지압강도 검토: 지압 상태가 되는 경우 구멍의 설계지압강도를 확인한다.
• 최솟값 채택: 미끄럼강도와 지압강도 중 작은 값을 접합부 강도로 정한다.
• 시공 조임과 검사: 설계볼트장력이 확보되도록 조임하고 검사한다.

마찰접합의 설계미끄럼강도는 다음 식으로 구한다.

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

여기서 \phi는 저항계수, \mu는 미끄럼계수, h_f는 필러계수, T_o는 설계볼트장력(kN), N_s는 전단면의 수다. 설계볼트장력은 다음과 같이 구한다.

$T_o = 0.7\,F_{ub}\,A_b$

여기서 F_{ub}는 볼트의 공칭인장강도(N/mm²), A_b는 볼트의 공칭단면적(mm²)이다. 계산 결과는 전단면 수가 늘면 비례해서 커진다. 그러나 필러가 많아지면 필러계수가 줄어 강도가 낮아지므로 필러 배치를 줄이는 것이 유리하다.

5. 관련 법령·기준·표준

고력볼트 마찰접합의 설계는 강구조 연결 설계기준(KDS 14 31 25)에서 규정한다. 강구조 부재 설계기준(KDS 14 31 10)은 부재의 인장·압축·휨 설계를 다루므로, 접합부 강도는 연결 설계기준을 따른다. 건축구조 설계에서는 건축구조기준의 개정에 따라 마찰접합에서도 지압접합 관련 강도를 검토하도록 바뀌었다. 즉 마찰접합이라도 미끄럼강도만 보지 않고 구멍의 지압강도를 함께 확인한다.

핵심 기준값은 다음 표와 같다.

표의 값은 접합재 표면이 도장되지 않았다는 조건에서 적용된다. 도장된 마찰면은 미끄럼계수가 낮아지므로 별도 값을 적용해야 한다. 필러계수는 필러의 개수와 추가 볼트 설치 여부에 따라 달라진다. 설계볼트장력은 볼트 등급과 직경으로 결정된다. 지압강도는 볼트 직경, 피접합재 두께, 인장강도, 볼트 간격과 연단거리에 따라 구멍 하나당 값을 구한 뒤 구멍 수를 곱해 합산한다. 이때 장슬롯 구멍의 방향과 사용하중 상태에서 구멍 변형을 고려할지 여부를 구분해야 한다.

국제 기준과 비교하면, 미국 AISC 기준에서도 슬립 임계 접합(slip-critical joint)을 같은 개념으로 다룬다. 미끄럼계수, 필러 보정, 설계볼트장력의 구성은 국내 기준과 유사하다. 다만 저항계수의 값과 적용 상태 구분은 기준마다 다르므로, 답안에서는 국내 기준의 값을 쓰고 외국 기준은 개념 차이만 언급한다.

개정 연혁으로는 건축구조기준이 마찰접합에서도 지압 강도를 검토하도록 바뀐 점이 중요하다. 이 변경으로 기존에 미끄럼강도만 검토하던 설계는 구멍 지압까지 확인하는 방향으로 바뀌었다. 이 내용은 답안의 설계 순서에 그대로 반영된다.