T/S 고력볼트 축회전

왜 배우는가: T/S(Torque Shear) 볼트는 현장에서 조임 완료를 육안으로 확인하기 어려운 고력볼트 접합의 품질을 보장하는 대표 방식이다. 시공 중 축회전 시험과 조임 관리 기준이 시험에서 반복해서 다뤄지므로 반드시 정리해야 한다.

출제 이력: 제119회 1교시 7번, 제100회 1교시 13번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

T/S 고력볼트는 너트 쪽 핀테일(pintail)을 비틀어 끊는 방식으로 설계축력을 도입하는 고력볼트다

핵심 키워드

• T/S 볼트(Torque Shear Bolt)
• 핀테일(Pintail)과 텐션 컨트롤(Tension Control)
• 축력(Bolt Axial Force, 볼트 축방향 장력)
• 축회전 시험(Axial Rotation Test)
• 마찰 접합(Friction Joint)
• 조임 토크(Tightening Torque)
• 임계 축력 관리(Preload Control)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 T/S 볼트는 조임 공구가 일정 토크에 도달하면 자동으로 끊어지는 고력볼트다. 끊어진 부분이 남아 있으면 규정 축력이 들어간 것으로 확인할 수 있다. 전통적인 토크법은 조임 토크와 축력의 관계가 마찰 조건에 따라 크게 흔들리는 문제가 있었다. T/S 볼트는 이 문제를 줄이려고 설계된 방식이다.

정식으로 말하면 T/S(Torque Shear) 볼트는 볼트 끝단에 핀테일이라는 부분을 두어, 전용 조임 공구로 회전시키면 핀테일이 설계된 토크에서 전단 파단되도록 만든 고력볼트다. 파단 시점의 토크가 일정하므로 조임 축력이 일정하게 관리된다. 이 과정이 축력 도입이며, 축회전 시험은 이 볼트가 실제로 어떤 축력과 토크 관계를 보이는지 확인하는 시험이다.

첫 번째 핵심 원리는 마찰 접합이다. 고력볼트는 접합재 사이의 마찰로 전단력을 전달한다. 그러므로 볼트 축력이 충분히 확보되어야 마찰 저항이 생긴다. 두 번째 핵심 원리는 토크-축력 관계다. 같은 토크라도 나사면과 머리면의 마찰계수에 따라 축력이 달라진다. 따라서 축회전 시험은 조임 조건에 따른 편차를 파악하는 데 쓰인다.

세 번째 핵심 원리는 파단 관리다. 핀테일이 끊어진 것을 육안으로 확인할 수 있으므로 시공 품질을 현장에서 판정하기 쉽다.

3. 등장 배경과 필요성

고력볼트 마찰 접합은 리벳 접합을 대체하면서 널리 쓰이게 되었다. 소음이 적고 시공이 빠르며, 볼트 구멍 주변의 단면 손실이 상대적으로 작다는 장점이 있다. 그러나 고력볼트는 조임 축력이 설계와 다르면 접합 성능이 떨어진다. 그래서 조임 관리 방법이 중요해졌다.

초기 토크법은 공구 토크만으로 축력을 추정했다. 이 방법은 나사면·머리면의 마찰 상태, 윤활 조건, 볼트 표면 상태에 따라 축력 편차가 커서 신뢰도가 낮았다. 이 한계를 줄이기 위해 토크 전단형(T/S형) 볼트, 너트 회전법, 와셔 방식 같은 조임 방식이 함께 발전했다.

T/S 볼트는 파단 토크를 기준으로 축력을 관리하므로 현장 품질 관리가 단순해진다. 그럼에도 축회전 시험이 필요한 이유는, 실제 조임 조건에서 축력과 토크의 관계를 확인해야 하기 때문이다. 이 시험 결과를 바탕으로 조임 토크 관리 기준과 검사 방법이 정해진다.

시험에서 이 개념은 조임 방식 비교, 조임 검사, 품질 관리 문제와 함께 자주 나온다. 따라서 T/S 볼트의 원리와 축회전 시험의 목적을 함께 설명할 수 있어야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

T/S 고력볼트(Torque Shear Bolt)는 볼트 머리 쪽에 축회전을 일으키는 장치가 달린 고력볼트다. 볼트 끝의 핀테일(pintail)이 일정 토크에서 끊어지면서 조임력(축력)이 정해진 값으로 도입된다. 조임 상태를 육안으로 확인할 수 있어 현장 조임관리에 널리 쓰인다.

구성요소는 다음과 같다.

원리는 두 부분의 회전 차이에 있다. 너트 측 공구는 축회전을 주고, 볼트 측 공구는 반대 방향으로 회전을 막는다. 토크가 한계값에 이르면 핀테일이 절단되고, 절단 후에는 더 이상 토크가 전달되지 않는다. 축력은 볼트 축 방향의 인장력으로 접합재를 누른다. 이 축력이 접합면 마찰을 만들어 전단력을 부재 사이 마찰로 전달한다.

핀테일 절단 시점이 조임 완료 신호이므로 토크 관리와 육안 검사의 기준이 된다.

조임 절차는 다음과 같다.

• 접합면과 볼트 구멍의 이물과 녹을 제거하고 임시 볼트로 가조립한다.
• 볼트를 중앙에서 양단으로, 다시 대각선 순서로 1차 조임한다.
• 1차 조임은 축력의 대략 50% 수준의 토크로 조인다.
• 2차 조임은 100% 토크로 조이고 핀테일 절단을 확인한다.
• 절단되지 않은 볼트는 공구로 재조임하고 기록한다.
• 조임 완료 후 볼트 끝이 너트 밖으로 1~3피치 돌출했는지 확인한다.

축력 관리에서는 축력 도입과 토크계수의 관계가 핵심이다. 토크 T는 다음 식으로 나타낸다.

$T = k \cdot d \cdot N$

여기서 T는 조임 토크(N·m), k는 토크계수(무차원), d는 볼트 공칭직경(m), N은 축력(N)이다. T/S 볼트는 핀테일 절단 토크를 기준으로 축력을 관리한다. 조임 후 축력은 공구의 토크 설정과 함께 현장 시험으로 확인하는 것이 원칙이다.

5. 관련 법령·기준·표준

고력볼트 접합의 설계와 시공은 건축구조기준과 시방서를 따른다. 「건축구조기준」과 「건축공사 표준시방서」가 주된 기준이다. T/S 볼트 자체의 규격은 제조사 시험 성적서와 KS 규격을 함께 확인한다. 아래 표는 조임과 관리에 쓰는 기준값을 정리한 것이다.

개정 연혁에 관해서는 기준 개정 시마다 조임 절차 조항이 바뀔 수 있다. 현행 기준을 기준으로 시공한다. 조임 공구는 주기적으로 교정하고, 조임 기록을 남긴다. 고력볼트 조임 검사 결과는 접합부별로 기록한다.

T/S 볼트는 핀테일 절단으로 조임 완료를 판정하고, 절단되지 않은 볼트는 재조임한다.

6. 유형과 비교

축회전 시험은 풀림 거동을 축방향 회전으로 확인하는 시험이다. 축회전 시험은 조임된 볼트에 축 방향 회전 변위를 주어 풀림 거동을 보는 시험이다. 목적에 따라 골라 쓴다.