고장력볼트 조임방법

왜 배우는가: 고장력볼트 조임은 철골 접합의 안전성을 좌우하는 시공 핵심이다. 조임 축력이 부족하면 접합면 마찰이 나오지 않아 미끄러짐과 접합부 변형이 생긴다. 시험에서는 조임방법, 검사방법, 유의사항을 묶어 자주 묻는다.

출제 이력: 제99회 2교시 5번, 제96회 1교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고장력볼트 조임은 볼트에 설계 축력을 도입하여 접합면 마찰로 응력을 전달하도록 규정된 방법으로 죄는 작업이다.

• 고장력볼트
• 마찰접합
• 축력(조임력)
• 토크계수
• 너트회전법
• 직접인장측정법
• 1차 조임
• 본조임

이 정의에서 핵심은 두 가지다. 첫째는 볼트에 도입하는 축력의 크기다. 둘째는 그 축력을 규정된 방법으로 관리하는 것이다. 조임방법은 이 두 가지를 어떻게 확인하느냐에 따라 나뉜다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 볼트를 세게 죄어 두 강재 사이에 큰 마찰력을 만들고, 그 마찰력으로 힘을 옮기는 것이다. 볼트 자체가 힘을 받는 것이 아니라 접합면이 힘을 받는다는 점이 일반 볼트와 다르다.

고장력볼트는 고장력강으로 만든 볼트다. 볼트, 너트, 와셔가 한 조를 이룬다. 품질은 기계적 성질에 따른 등급으로 구분하며, F8T, F10T 등으로 표시한다. 철골 고력볼트 접합에는 주로 F10T급을 쓴다.

마찰접합은 전단력을 볼트 축이 직접 받지 않고, 접합면 사이 마찰력으로 전달하는 방식이다. 설계에서는 접합면의 미끄럼계수를 기준에 따라 정하는 것이 일반적이다. 접합면 처리가 불량하면 이 값이 나오지 않는다.

축력(조임력)은 볼트가 죄어져 축 방향으로 생기는 인장력이다. 설계에서는 기준에 따른 축력을 도입한다. 이 값이 확보되어야 접합면 마찰력이 설계 하중을 견딘다.

토크계수는 토크와 축력을 연결하는 계수다. 관계식은 다음과 같다.

$T = K \cdot d \cdot N$

T는 조임 토크(N·m), K는 토크계수(무차원), d는 볼트 공칭지름(m), N은 축력(N)이다. K는 볼트와 너트 나사면, 너트 좌면의 마찰 상태에 따라 달라진다. 그래서 토크법은 볼트 표면 상태가 일정해야 신뢰도가 높다.

1차 조임은 볼트 전체를 균일하게 어느 정도 죄어 접합면을 밀착시키는 단계다. 본조임은 규정된 축력까지 최종으로 죄는 단계다. 1차 조임 없이 본조임을 하면 접합면이 뜬 상태로 축력이 불균일해진다. 그래서 조임순서와 1차·본조임을 함께 관리한다.

3. 등장 배경과 필요성

고장력볼트 접합이 쓰이게 된 배경은 리벳 접합의 한계와 용접 접합의 검사 곤란에 있다. 리벳은 가열 후 압착하는 방식이라 현장 작업이 번거롭고 소음이 크다. 용접은 응력 전달이 확실하지만 현장 용접부 검사가 어렵고, 용접열에 의한 모재 변형이 생긴다.

고장력볼트는 현장에서 상온으로 조이기만 하면 되므로 소음과 진동이 적다. 접합부 응력집중이 작고 강성이 높다. 반복하중과 진동을 받아도 축력이 쉽게 풀리지 않는다는 장점이 있다. 이런 특성 때문에 고층 철골과 대형 구조물의 현장 접합에 널리 쓴다.

다만 조임 품질은 작업자 숙련도와 장비 상태에 크게 좌우된다. 축력이 부족하면 마찰이 나오지 않는다. 축력이 과하면 볼트가 파단되거나 나사부가 손상된다. 따라서 조임방법을 선택하고 그 결과를 검사하는 체계가 필요하다. 이 필요성이 조임방법 학습의 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

고장력볼트 조임은 볼트, 너트, 와셔가 1조로 작용한다. 조임력은 볼트에 도입되는 축력(볼트장력)이며, 이 축력으로 접합면에 마찰력을 발생시켜 응력을 전달한다. 조임 방법은 조임 토크를 관리하는 방법과 회전각을 관리하는 방법으로 나뉘고, 현장에서는 토크법과 너트회전법이 주로 쓰인다.

볼트 축력과 토크의 관계는 $T = K \cdot d \cdot N$ 으로 나타낸다. 여기서 T는 조임 토크(N·m), K는 토크계수, d는 볼트 공칭지름(m), N은 볼트 축력(N)이다. 토크계수 K는 나사면과 너트 座面의 마찰계수에 따라 달라지므로 현장 조건에서 실험으로 정한다. 토크법은 조임 토크를 측정하므로 시공이 간단하지만, 마찰면 상태가 바뀌면 축력 편차가 커진다.

너트회전법은 볼트를 접합재에 밀착시킨 뒤 너트를 정해진 각도만큼 더 돌리는 방법이다. 회전각은 볼트 신장량과 죄임 부재의 틈새 합에 비례하므로 토크법보다 축력 편차가 작다. 고장력볼트 1차 조임은 토크렌치로 밀착시키고, 2차 조임은 마킹을 기준으로 회전각을 관리한다.

조임 절차는 다음과 같다.

• 접합면의 이물질·도막·기름을 제거하고 볼트 구멍을 맞춘다.
• 가볼트로 부재를 밀착시키고 볼트를 임팩트렌치나 토크렌치로 1차 조임한다.
• 중앙부에서 가장자리 방향으로 조임순서를 지켜 2차 조임한다.
• 너트 회전각 또는 토크를 기준값과 대조하고 마킹을 한다.
• 조임 완료 후 조임 상태를 육안 및 토크 검사로 확인한다.

5. 관련 법령·기준·표준

고장력볼트 조임과 검사의 기준은 건축공사 표준시방서와 강구조 설계기준(KDS)에 있다. 이 절에서는 확인된 법령·기준의 조임 관련 수치를 한 표로 모은다. 법령 원문에 조임 기준이 직접 없어 아래 값은 강구조 실무 기준으로 정리한다.

마찰계수 값은 접합면 처리 상태에 따라 달라지므로 설계 시 적용 값을 명시한다. 축력은 F10T 볼트의 인장강도를 고려해 정하며, 조임 방법을 정하는 근거가 된다.

법령 측면에서는 「건설기술 진흥법」과 「산업안전보건기준에 관한 규칙」이 철골 가설 작업 안전을 다룬다. 조임 작업 자체의 수치 기준은 시방서와 설계기준이 기준이다. 조임 방법과 검사 기준은 개정 이력이 있으므로 시행 시점의 현행 기준을 따른다.

검사 종류는 육안검사와 토크검사로 나뉜다. 토크검사는 조임 토크 기준값과 비교하여 판정한다. 검사 기록은 조임 일자, 조임 방법, 조임 담당자를 남긴다.

6. 유형과 비교

고장력볼트 조임방법은 조임력을 관리하는 원리에 따라 크게 토크법, 회전법(너트회전법), 직접인장측정법으로 나뉜다. 현장에서는 토크법과 너트회전법이 가장 많이 쓰인다.