고장력볼트 미끄럼강도

왜 배우는가: 고장력볼트 미끄럼강도는 마찰접합의 설계에서 가장 기본이 되는 검토 항목이다. 반복 하중과 진동을 받는 접합부에서 미끄럼을 막는 조건을 정하기 때문에 실무 설계와 시험 모두에서 자주 묻는다. 계산 식의 각 계수가 무엇을 보정하는지 알아야 답안에서 감점이 줄어든다.

출제 이력: 제131회 1교시 3번, 제129회 4교시 1번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고장력볼트 미끄럼강도는 마찰접합에서 볼트 장력이 만드는 마찰력으로 부재 사이의 미끄럼을 막는 설계 전단강도이다. 핵심 키워드

• 마찰접합
• 설계볼트장력
• 미끄럼계수
• 필러계수
• 전단면의 수
• 지압접합
• 미끄럼 한계상태

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 볼트를 세게 조여 두 강판을 맞붙여 놓고, 그 사이의 마찰로 힘을 넘기는 방식이다. 볼트 몸체가 전단력을 직접 버티는 방식과 달리, 접합면이 밀리지 않는 것이 한계가 된다. 정식으로는 마찰접합이란 접합면 사이의 마찰력으로 전단력을 전달하는 접합이다. 미끄럼강도는 이 마찰력이 극복되어 접합부가 미끄러지기 직전의 한계 전단력을 뜻한다. 핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 설계볼트장력: 볼트를 조였을 때 남는 축력의 설계값이다. 볼트 인장강도에 비례하며, 설치 장력은 인장강도의 70% 이상으로 조인다.
• 미끄럼계수: 접합면의 표면 상태가 만드는 마찰계수다. 페인트를 칠하지 않은 블라스트 청소면은 0.5를 쓴다.
• 필러계수: 접합 부재 사이에 얇은 판(필러)이 끼었을 때 장력 분포가 나빠지는 것을 보정한다. 필러가 없거나 1개이면 1.0, 필러내 하중 분산을 위해 볼트를 추가하지 않은 경우로 2개 이상이면 0.85를 쓴다.
• 전단면의 수: 볼트 축을 가로지르는 전단면의 개수다. 한 면이 전단을 받으면 1, 두 면이면 2이다.

설계미끄럼강도의 식은 다음과 같다. $\phi R_s = \phi\,\mu\,h_f\,T_o\,N_s$ 여기서 \phi는 강도감소계수, \mu는 미끄럼계수, h_f는 필러계수, T_o는 설계볼트장력(kN), N_s는 전단면의 수다. 식의 뜻은 마찰력 \mu T_o에 필러와 전단면 수를 곱해 접합부 전체 미끄럼 저항을 구하는 것이다. 지압접합과 마찰접합의 차이는 다음 표와 같다.

위 표는 두 접합의 검토 항목이 다름을 보여준다. 미끄럼강도는 지압접합의 강도 검토에 더해, 사용성 조건을 따로 확인할 때 쓴다.

3. 등장 배경과 필요성

지압접합은 볼트 구멍과 볼트 몸체가 밀착되어 힘을 받으므로 강도는 높다. 그러나 하중이 일정 수준을 넘으면 접합면이 미끄러지고, 그 뒤 볼트가 구멍 벽을 눌러 큰 변형이 생긴다. 이 변형은 구조물의 사용성을 해치고 소음과 볼트 이완의 원인이 된다. 바람과 지진의 반복 하중, 기계 진동, 피로 하중이 걸리는 부재에서는 미세 미끄럼이 누적된다. 이 누적이 접합부의 변형과 볼트 장력 저하로 이어지므로, 미끄럼 자체를 한계상태로 정해 막는 설계가 필요해졌다. 이것이 미끄럼 접합(slip-critical)의 개념이다. 원리는 단순하다. 접합면에 작용하는 수직력이 마찰을 만들고, 그 마찰이 외력보다 크면 접합부는 미끄러지지 않는다. 수직력은 볼트 장력에서 오므로 설치 장력 관리가 곧 미끄럼 저항의 관리가 된다. 설치 장력이 부족하면 설계 식이 맞아도 실제 강도는 떨어진다. 실무에서는 보와 기둥의 접합부, 가새 접합부, 그리고 진동을 받는 설비 지지 부재에서 마찰접합을 택하는 경우가 많다. 외력이 인장과 전단을 함께 받는 접합에서는 인장으로 인해 장력이 줄어드므로, 미끄럼강도에 이 영향을 반영해 줄여야 한다. 마찰접합을 쓸 때 구멍 크기와 접합면 처리도 함께 본다. 구멍이 커지거나 접합면에 도료가 있으면 미끄럼계수가 낮아져 강도가 떨어진다. 그래서 표면 처리와 미끄럼계수를 짝으로 기억해야 한다. 이런 이유로 답안에서는 미끄럼강도를 독립된 한계상태로 설명하고, 식의 각 계수가 어떤 조건을 보정하는지 함께 쓰는 것이 중요하다.

4. 구성요소·원리·절차

고장력볼트 미끄럼강도는 볼트 장력으로 접합 재료 사이에 생기는 마찰력이 전단력을 저항하는 능력이다. 접합면이 미끄러지기 전에는 볼트 몸체가 전단을 받지 않으므로, 이 강도는 사용성·미끄럼 한계상태에서 검토한다. 구성요소와 역할은 다음과 같다.

미끄럼강도 산정식은 다음과 같다.

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

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

여기서 R_s는 공칭미끄럼강도(kN), \phi는 강도감소계수, \mu는 미끄럼계수, h_f는 필러계수, T_o는 설계볼트장력(kN), N_s는 전단면 수다. 단위는 모두 kN으로 쓰며, 결과는 상식 범위(볼트 1개당 수십~수백 kN)인지 확인한다.

볼트에 인장력이 함께 작용하면 장력이 줄어 마찰력이 감소한다. 이때는 위 강도에 장력 감소 계수를 곱한다.

$\phi R_s \left(1 - \frac{T_u}{N_b \, T_o}\right)$

T_u는 볼트 1개당 소요인장력(kN), N_b는 인장력을 받는 볼트 수다. 계산 절차는 다음과 같다.

• 소요 전단력 V_u와 소요 인장력 P_u를 구한다.
• 접합면 상태로 미끄럼계수 \mu, 필러 조건으로 필러계수 h_f를 정한다.
• 볼트 규격과 설계볼트장력 T_o, 전단면 수 N_s를 정한다.
• 인장력이 있으면 장력 감소 계수를 적용한다.
• 설계미끄럼강도 \phi R_s와 소요 전단력을 비교해 안전성을 판정한다.

미끄럼강도는 마찰력이 전단력을 넘기지 않는지로 판정한다.

5. 관련 법령·기준·표준

고장력볼트 미끄럼강도는 건축물 강구조 설계기준(KDS 41 30 10)에 따른다. 기준값은 다음 표와 같다.

미끄럼계수 μ는 접합면 처리 방법에 따라 값이 달라진다. 블라스트 청소 후 무도장면은 0.5이고, 무기질 아연말 프라이머 도장면은 관련 기준이 정한 값을 쓴다. 두 값은 시험 문제에서 접합면 조건을 읽는 기준이 된다.

필러계수 h_f는 필러의 개수에 따라 정한다. 필러를 쓰지 않은 경우와 필러 한 개가 있는 경우는 1.0을 쓴다. 필러가 두 개 이상이고 필러내 하중 분산을 위해 볼트를 추가하지 않은 경우이면 0.85를 쓴다. 필러가 있는 접합부에서 마찰면의 실제 압력이 줄어드는 효과를 반영한 값이다.

설계볼트장력 T_o는 볼트 강도 등급과 규격별로 설계기준 표에서 정한다. 최소 인장하중은 볼트 규격의 인장강도와 유효단면적으로 구하며, 설계볼트장력은 이 값에 일정 비율을 곱해 정한다. 설계 적용 시에는 현행 설계기준의 표 값을 그대로 쓴다.

미끄럼강도 검토는 강구조 접합부의 사용성 한계상태에 해당한다. 볼트 접합 방식은 마찰접합과 지압접합으로 나뉘며, 마찰접합에서만 미끄럼강도를 검토한다.

6. 유형과 비교(비교표 2개 이상)

고장력볼트 접합은 힘을 전달하는 방식에 따라 마찰접합과 지압접합으로 나뉜다. 두 접합의 차이는 강도를 지배하는 한계상태가 미끄럼이냐 볼트 파괴냐에 있다. 축방향 인장만 받는 접합은 인장접합으로 따로 구분한다.