고장력볼트 지압이음

왜 배우는가: 고장력볼트 지압이음은 마찰접합과 함께 강구조 볼트 접합의 두 축을 이룬다. 실무에서는 접합부 볼트 수와 미끄럼 허용 여부를 정할 때 지압이음을 검토해야 하므로 중요하다. 시험에서는 전단과 지압을 함께 검토하는 계산 문제로 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제110회 2교시 5번, 제90회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고장력볼트 지압이음은 볼트 전단과 구멍 지압으로 힘을 전달하는 고장력볼트 접합이다.

지압이음은 고장력볼트를 조여 강판을 붙이되, 강판 사이의 마찰력은 설계에 기대지 않는다. 힘은 볼트 몸통의 전단저항과 볼트구멍 벽의 지압저항으로 전달된다. 마찰이음과 달리 접합부에서 미끄럼이 생길 수 있음을 전제로 설계한다.

핵심 키워드: 고장력볼트, 지압접합, 전단면, 지압응력, 볼트구멍, 연단거리, 한계상태설계법

답안을 쓸 때는 정의 문장을 첫 줄에 두고, 전단과 지압 두 파괴 형태를 나누어 검토한다는 점을 함께 적는다. 두 저항 중 작은 값이 접합부의 설계 강도가 된다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 말하면 볼트를 구멍에 끼워 조이는 접합이다. 힘이 걸리면 강판이 볼트 몸통을 밀고, 볼트 몸통은 두 강판의 경계면에서 잘리려고 한다. 이 두 가지 저항으로 힘을 버틴다.

정식 정의는 다음과 같다. 지압접합은 볼트의 전단저항력과 볼트와 모재 사이의 지압저항력에 의하여 응력을 전달하는 접합이다. 여기서 전단저항은 볼트 몸통의 단면적과 재료 강도에 따라 정해지고, 지압저항은 볼트구멍 벽이 받는 접촉 압력의 한계에 따라 정해진다.

핵심 용어를 나누어 정리한다. 전단면은 볼트 몸통이 전단력을 받아 잘리려는 면이다. 전단면이 나사부를 지나면 나사선의 영향으로 유효 단면이 줄어든다. 지압응력은 볼트가 구멍 벽에 작용하는 접촉 압력이다. 지압응력은 구멍 벽의 두께와 피접합재의 인장강도에 비례하여 커진다. 연단거리와 순간격은 구멍 가장자리와 이웃 구멍 사이 거리로, 강판이 찢기는 지압 파괴를 좌우한다.

볼트 구멍은 표준구멍을 기준으로 하며, 볼트 지름보다 크게 뚫는다. 표준구멍은 M16, M20, M22 볼트는 공칭직경보다 2mm 크게, M24, M27, M30 볼트는 3mm 크게 한다. 구멍이 볼트보다 크므로 초기에는 볼트와 구멍 벽이 접하지 않는다. 힘이 커지면 볼트가 구멍 벽에 닿아 지압 상태가 된다.

마찰접합과 지압접합의 차이는 아래 표로 정리한다.

위 표에서 보듯 지압접합은 사용성 측면의 미끄럼을 감수하는 대신 볼트 수를 줄인다. 따라서 진동이나 반복하중이 큰 부재에는 불리하다는 점을 답안에 함께 적어야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조 이음은 초기에 리벳으로 시공되었다. 이후 고장력볼트가 보급되면서 볼트 접합이 일반화되었다. 고장력볼트는 리벳보다 시공이 간단하고 소음이 적으며, 같은 강도를 얻는 데 필요한 작업이 줄어든다.

볼트 접합에서 마찰접합은 조임력으로 생긴 마찰력에 힘을 맡긴다. 미끄럼이 없어 강성이 높고 반복하중에 유리하다. 그러나 마찰력을 확보하려면 볼트를 많이 배치해야 한다. 이 때문에 볼트 수가 늘고 접합부가 커지는 문제가 생긴다.

지압접합은 이 문제를 줄이기 위해 쓰인다. 미끄럼 저항을 기대하지 않고 볼트의 전단과 지압만으로 힘을 전달하므로 볼트 수가 적다. 하중이 작거나 미끄럼이 구조 기능에 지장을 주지 않는 접합부에 적합하다. 다만 설계 기준은 지압접합을 무조건 허용하지 않는다. 강교 부재의 고장력볼트 이음은 마찰이음을 원칙으로 하고, 지압이음은 조건을 갖춘 경우에 검토한다.

설계 방식이 허용응력설계법에서 한계상태설계법으로 옮겨 가면서 검토 방법도 바뀌었다. 한계상태설계법에서는 전단파괴와 지압파괴를 각각 공칭강도로 구하고, 저항계수를 곱하여 설계강도를 정한다. 이 과정에서 소요강도가 설계강도 이하인지를 확인한다.

지압이음은 볼트 수를 줄이는 장점이 있지만, 미끄럼과 구멍 변형을 함께 고려해야 한다. 최근 건축 구조 기준에서는 마찰접합에서도 지압접합 관련 강도를 검토하도록 정리된 자료가 있다.

4. 구성요소·원리·절차

고장력볼트 지압이음은 볼트 전단과 볼트구멍 지압으로 힘을 전달하는 접합이다. 마찰이음과 달리 조임력에 의한 마찰력은 기대하지 않는다. 따라서 설계는 볼트 한 개의 전단강도와 지압강도 중 작은 값으로 정한다.

볼트 전단강도는 전단면 수와 나사선 위치에 따라 달라진다. 나사선이 전단면에 포함되면 나사부 유효단면적이 줄어 전단강도가 낮아진다. 따라서 같은 볼트라도 나사선 포함 여부에 따라 설계강도를 나누어 계산한다.

지압강도는 구멍 주변 피접합재가 볼트에 눌리는 강도다. 순거리 L_c가 짧으면 구멍 뒤쪽이 찢기는 파괴가 먼저 일어난다. 이 때문에 순거리 식과 지압 상한 식을 함께 검토하고 작은 값을 쓴다.

볼트 한 개의 공칭 전단강도는 다음과 같이 쓴다.

$R_n = F_{nv} A_b$

여기서 F_nv 는 볼트 공칭전단응력(MPa), A_b 는 볼트 공칭단면적(mm²)이다. M22 볼트의 A_b = π×22²/4 ≈ 380mm² 이다.

지압강도는 다음 식의 작은 값으로 본다.

지압강도는 하중 방향 순거리와 구멍 지압 한계를 고려하여 산정한다.

여기서 L_c 는 하중 방향 순거리(mm), t 는 피접합재 두께(mm), d 는 볼트 공칭직경(mm), F_u 는 피접합재 인장강도(MPa)이다. 순거리와 구멍 지압 한계를 함께 고려한다.

볼트 1개당 설계강도는 전단과 지압 각각에 저항계수를 곱한 뒤 작은 값으로 정한다. 그 값에 볼트 개수를 곱해 접합부 설계강도를 얻는다. 저항계수 값은 3절 기준값 표에서 확인한다.

강판의 검토는 볼트 강도와 별도로 한다. 총단면 항복과 유효순단면 파단을 따로 계산하고, 두 값 중 작은 쪽이 피접합재의 설계강도가 된다.

• 사용하중에 하중계수를 곱해 소요강도 P_u 를 구한다.
• 나사선 포함 여부에 따라 볼트 1개당 전단강도를 구한다.
• 구멍 지름과 순거리 L_c 로 볼트 1개당 지압강도를 구한다.
• 두 값 중 작은 값에 저항계수를 곱해 볼트 1개당 설계강도로 정한다.
• 볼트 개수 n 을 n ≥ P_u / 설계강도 로 정한다.
• 피접합재의 총단면 항복과 유효순단면 파단을 따로 검토한다.

6번 단계에서 강판 검토가 부족하면 볼트 개수나 강판 치수를 다시 정한다. 이 되먹임 경로는 답안 도식에 반드시 표시한다.

5. 관련 법령·기준·표준

이 절의 기준은 강교 설계기준(한계상태설계법), KDS 24 14 31 체계를 따른다. 강구조 연결 설계기준은 KDS 14 31 25 이고, 인장재 설계의 저항계수는 KDS 14 31 10 에 따른다. 문항에 주어진 허용지압응력과 허용전단응력은 허용응력설계법 조건이므로 한계상태설계법 결과와 직접 비교하지 않는다. 두 설계법의 값은 따로 계산해 답안에 구분해 쓴다.