고장력볼트 이음

왜 배우는가: 고장력볼트 이음은 강구조와 강교량의 현장 접합을 대표하는 방식이라 실무 설계와 시공관리에서 매번 쓰이고, 마찰접합과 지압접합의 차이를 묻는 문제가 반복해서 출제된다. 설계볼트장력, 미끄럼강도, 지압강도의 관계를 정확히 알아야 계산 문항과 설명 문항을 함께 풀 수 있다.

출제 이력: 제129회 2교시 4번, 제101회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄에 쓸 정의 문장은 다음과 같다.

고장력볼트 이음은 고강도 볼트를 설계볼트장력으로 조여 부재를 마찰로 묶거나(마찰접합) 볼트 축과 구멍의 지압으로 힘을 전달하는(지압접합) 강구조 접합 방식이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 고장력볼트(High-strength bolt)
• 마찰접합(Slip-critical joint)
• 지압접합(Bearing joint)
• 설계볼트장력
• 설계미끄럼강도
• 설계지압강도
• 조임방법(토크법·회전법)
• 필러(Filler)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 볼트를 강하게 조여 두 강판을 세게 눌러 놓고 그 마찰력으로 힘을 넘기는 것이 마찰접합이다. 볼트를 조이는 힘이 약하고 볼트 축이 구멍 벽을 밀어 힘을 넘기는 것이 지압접합이다. 두 방식은 같은 볼트를 쓰지만 힘이 전달되는 원리가 다르므로 강도 검토 항목도 다르다.

정식 정의는 다음과 같다. 마찰접합은 고장력볼트의 축력으로 피접합재 접촉면에 생기는 마찰저항을 이용해 접합부 미끄러짐을 막는 접합이다. 사용성 측면에서 미끄러짐이 허용되지 않는 곳에 쓴다. 지압접합은 볼트 축이 구멍 벽에 직접 접촉해 전단력을 전달하는 접합이다. 미끄럼을 허용하므로 조임력은 작아도 된다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 고장력볼트: 높은 인장강도 강재로 만든 볼트로서 설계볼트장력을 도입해 쓴다.
• 마찰면(Faying surface): 두 피접합재가 맞닿는 면으로, 마찰계수가 미끄럼강도를 좌우한다.
• 설계볼트장력: 볼트 축에 도입하는 기준 인장력으로, 볼트 등급과 호칭에 따라 정해진다.
• 필러(Filler): 부재 두께 차이를 맞추기 위해 끼우는 얇은 판으로, 미끄럼강도를 낮춘다.

F10T 볼트의 인장강도 기준은 10tf/cm² 계열이며, 호칭 M20 등과 함께 표기한다.

3. 등장 배경과 필요성

20세기 초까지 강구조 접합은 리벳이 주로 쓰였다. 고장력 볼트가 발전하면서 현장 시공이 간단해졌고 비용이 줄었다. 리벳은 가열과 타격이 필요했지만 볼트는 토크 렌치나 회전법으로 조일 수 있어 현장 품질 관리가 쉬워졌다.

접합 방식을 마찰과 지압으로 나눈 이유는 사용성 요구가 다르기 때문이다. 교량이나 진동을 받는 구조물에서는 접합부가 조금이라도 미끄러지면 처짐과 피로가 커지므로 마찰접합이 필요하다. 반면 일반 건물 가구 부재처럼 미끄럼이 허용되는 곳에서는 지압접합이 볼트 수를 줄여 경제적이다. 따라서 설계자는 하중 조건과 사용성 요구를 보고 접합 방식을 고른다.

강교 설계에서 고장력볼트 이음은 피로 저항과 함께 검토된다. 마찰접합은 볼트 장력이 빠지면 미끄럼강도가 떨어지므로 시공 시 장력 확인이 중요하다. 이 배경이 조임방법과 장력 관리 문항으로 이어진다.

4. 구성요소·원리·절차

고장력볼트 이음은 마찰접합(슬립 임계, Slip-critical)과 지압접합(Bearing type)으로 나뉜다. 두 방식은 하중을 전달하는 기구가 다르므로 구성요소와 설계 검토 항목도 다르다. 마찰접합은 볼트 조임으로 생긴 축력(설계볼트장력)이 접합면에 수직압력을 주고, 그 마찰력으로 부재 간 미끄럼을 막는다. 지압접합은 미끄럼을 허용하고 볼트 몸체의 전단과 볼트구멍의 지압(Bearing)으로 하중을 전달한다.

마찰접합의 핵심은 설계볼트장력이 접합면 마찰계수와 함께 미끄럼 저항을 결정한다는 점이다. 지압접합은 볼트 전단면 수와 구멍 지압이 강도를 결정한다. 마찰접합도 강도한계상태에서 지압강도를 함께 검토해야 한다.

마찰접합 원리는 다음 식으로 나타낸다.

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

여기서 \mu는 미끄럼계수, h_f는 필러계수, T_o는 설계볼트장력(kN), N_s는 전단면의 수이다. 미끄럼계수는 적용 기준에 따라 정한다. 필러계수는 필러가 없거나 필러 1개일 때(분산 볼트 추가 시 포함) 1.0, 필러내 하중 분산을 위해 볼트를 추가하지 않고 2개 이상의 필러가 있을 때 0.85이다. 인장력을 함께 받으면 장력이 줄어 설계미끄럼강도를 감소시켜야 한다.

지압접합 원리는 볼트 전단과 구멍 지압을 각각 검토한다. 볼트 1개의 설계지압강도는 피접합재의 공칭인장강도 F_u, 볼트 공칭직경 d, 피접합재 두께 t, 순간격 L_c로 구한다. 구멍 끝거리와 인접 구멍 끝거리를 모두 검토하고 작은 값을 채택한다.

조임 절차(마찰접합 기준)

• 접합면을 블라스트 등으로 청소하고 마찰계수 확보 여부를 확인한다.
• 볼트·너트·와셔를 한 세트로 확인하고 볼트 축력 시험을 한다.
• 1차 조임으로 부재를 밀착시킨다(스누그 조임, Snug tightening).
• 2차 조임으로 설계볼트장력 이상의 축력을 도입한다.
• 토크법, 너트회전법, 직접인장지시계(DTI) 중 하나로 조임량을 확인하고 기록한다.

5. 관련 법령·기준·표준

고장력볼트 접합의 강도 검토는 강구조 연결 설계기준(KDS 14 31 25)과 강교 설계기준(KDS 24 14 31)을 따른다. 강재 종류와 볼트 등급은 KS 규격으로 정한다. 볼트 등급 표기 F10T는 마찰접합용, 10은 인장강도 10tf/cm² 수준, T는 인장시험에 따른 강도를 뜻한다. B10T는 지압접합용 등급으로 쓴다.

건축구조기준 개정으로 마찰접합에서도 지압강도를 검토하게 되었다는 점은 근거에 있다(web/A·2025-04-20). 강교량 설계는 KDS 24 14 31 의 기준을 따른다. 미국 AISC 기준은 슬립임계(slip-critical)와 지압(bearing) 접합을 구분하고, 슬립임계 접합은 사용성 조건으로 본다. 국내 기준과 개념 차이만 기억한다.

마찰접합은 설계볼트장력과 미끄럼계수로, 지압접합은 볼트 전단과 구멍 지압으로 강도를 정한다.

6. 유형과 비교

고장력볼트 접합은 힘을 전달하는 방식에 따라 마찰접합과 지압접합으로 나뉜다. 두 방식은 볼트 조임력의 역할이 달라서 설계강도 산정식과 검토 항목이 다르다. 마찰접합은 피접합재 사이 접촉면의 마찰저항으로 힘을 전달하고, 지압접합은 볼트 축부가 구멍벽에 직접 접촉하여 힘을 전달한다. 실무에서는 미끄럼을 허용하지 않는 구조에 마찰접합을 쓰고, 나머지 일반 구조에 지압접합을 쓴다.

표에서 보듯 마찰접합은 볼트 조임력이 강도를 결정하므로 시공 관리가 중요하다. 지압접합은 볼트 수가 적고 시공이 간단하지만 반복하중에서 구멍 변형과 볼트 피로가 문제가 된다.