고장력 볼트

왜 배우는가: 고장력볼트는 강교 거더 이음부와 강구조 현장 접합에서 가장 많이 쓰이는 접합 재료이다. 체결 품질이 접합부 내력과 피로 거동을 좌우하므로 시공·검사 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제139회 1교시 12번, 제118회 3교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

고장력볼트는 고강도 강재로 만든 볼트를 설계볼트장력으로 조여 접합면 마찰력으로 힘을 전달하는 접합 재료이다.

• 고장력볼트: 항복강도와 인장강도가 높은 강재로 제작된 볼트
• 설계볼트장력: 볼트 축에 도입하는 설계 축력
• 마찰접합: 접합면의 마찰로 전단력을 전달하는 접합 방식
• 미끄럼계수: 접합면 마찰계수
• 접합면 처리: 블라스트 등으로 녹과 이물을 제거하고 마찰면을 확보하는 작업
• 본조임: 가체결 후 설계 축력까지 조이는 작업
• 조임 검사: 도입 축력과 체결 상태를 확인하는 절차

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 볼트를 세게 조여 두 강판을 맞붙여 누르고, 판 사이의 마찰로 힘을 넘기는 방식이다. 볼트가 판을 밀어내는 힘에 버티는 것이 아니라 판끼리 미끄러지지 않게 붙들어 두는 것이 핵심이다.

정식으로는 고장력볼트를 고강도 강재로 제작하고, 설계볼트장력 이상의 축력을 도입해 부재를 체결하는 접합 체계로 정의한다. 축력이 생기면 접합면에 마찰력이 생기고, 이 마찰력이 설계 전단력을 전달한다.

마찰접합은 접합면의 마찰로 전단력을 전달하는 방식이다. 이에 반해 지압접합은 볼트 전단과 구멍 지압으로 힘을 받는다. 마찰접합은 미끄럼이 생기지 않아야 하므로 장력 관리가 특히 중요하다.

설계볼트장력은 볼트 공칭인장강도의 70%에 유효단면적을 곱한 값이다. 이 축력 이상으로 조여야 접합면 마찰이 설계 수준으로 발휘된다. 즉 설계볼트장력 이상 공칭인장강도의 70% 이상을 도입하는 것이 기본 조건이다.

미끄럼계수는 접합면 상태에 따라 정하는 마찰계수다. 페인트하지 않은 블라스트 청소 마찰면은 0.5를 쓴다. 설계미끄럼강도는 다음과 같이 구한다. $R_{s}=\mu\,h_f\,T_0\,N_s$ 여기서 \mu는 미끄럼계수, h_f는 필러계수, T_0는 설계볼트장력(kN), N_s는 전단면의 수다. 필러계수는 필러를 쓰지 않거나 한 개인 경우 1.0, 두 개 이상인 경우 0.85를 적용한다.

3. 등장 배경과 필요성

강구조 접합은 과거 리벳 체결에서 출발했다. 리벳은 가열과 타격을 거쳐 체결하므로 소음과 공정 부담이 컸고, 체결 품질의 편차도 컸다. 이후 고장력볼트는 상온에서 토크나 축력으로 조이는 방식이라 현장 작업이 단순해졌다.

현장 용접은 열영향부 변형과 용접 결함 위험이 있다. 고장력볼트 접합은 현장에서 열을 가하지 않으므로 이런 위험을 줄이고, 부재를 분할 운반한 뒤 현장에서 이어 붙이는 가설 방식에도 적합하다. 강교 거더의 현장 이음부가 대표적인 적용처다.

그러나 고장력볼트 접합은 축력이 부족하면 접합면에서 미끄럼이 생기고, 과도하면 볼트가 파단될 수 있다. 접합면이 오염되거나 도장되어 있으면 미끄럼계수가 낮아진다. 따라서 설계 장력, 접합면 처리, 조임 방법, 검사 절차를 함께 관리해야 하며, 이것이 시공과 검사를 별도로 다루어야 하는 배경이다.

마찰접합은 활하중 반복에 따른 피로와 미끄럼 억제가 함께 요구되는 교량 이음부에 특히 중요하다. 볼트 풀림이 발생하면 접합 내력이 급격히 떨어지므로 초기 체결과 사후 점검이 모두 필요하다.

4. 구성요소·원리·절차

고장력볼트 이음은 볼트, 너트, 와셔가 한 조를 이루고 조임으로 생긴 축력(Bolt Tension)을 이용해 부재를 붙이는 방식이다. 접합면의 마찰력(Friction)으로 하중을 전달하는 마찰접합과, 볼트 본체의 전단과 구멍 벽의 지압으로 하중을 전달하는 지압접합으로 나뉜다. 강교의 거더 이음에서는 미끄럼 방지를 위해 마찰접합을 우선 적용한다.

표의 구성요소는 모두 축력 확보와 마찰력 발현에 직접 관여한다. 와셔는 너트 회전 시 부재 표면의 손상을 줄여 목표 축력을 안정적으로 얻게 한다.

원리는 다음과 같다. 볼트를 조이면 볼트 축에 인장력이 생기고, 그 반력으로 접합 부재 사이에 압축력이 작용한다. 이 압축력에 비례해 접합면에 마찰저항이 생기며, 외력이 마찰저항을 넘지 않으면 부재는 미끄러지지 않는다. 마찰접합의 설계미끄럼강도는 미끄럼계수, 필러계수, 설계볼트장력, 전단면의 수를 곱해 구한다. 여기서 미끄럼계수는 페인트를 칠하지 않은 블라스트 청소 마찰면에서 0.5를 쓴다.

• 접합면을 기름·녹·도료 등을 제거해 청결하게 처리하고 설계 마찰계수를 확보한다.
• 볼트군을 가체결하여 부재의 위치와 밀착을 맞춘다.
• 정해진 순서(중앙에서 가장자리 방향)에 따라 1차 조임을 한다.
• 설계 축력에 맞춰 본조임을 하며, 토크법 또는 너트회전법을 적용한다.
• 조임 완료 후 마킹을 하고 볼트 누락, 풀림, 미끄럼 여부를 검사한다.

1차 조임은 부재 사이의 틈을 없애는 단계다. 본조임 순서를 어기면 접합면에 부분적인 들뜸이 생기므로 순서 준수가 중요하다.

설계 축력은 볼트 인장강도의 일정 비율로 정해지며, 이 축력이 확보되어야 마찰력이 설계값대로 나온다. 축력이 부족하면 미끄럼이 발생하고, 과도하면 볼트가 항복하거나 파단될 수 있다.

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5. 관련 법령·기준·표준

고장력볼트 접합은 강구조 설계기준과 강교 시방서에 따라 설계·시공한다. 국내 설계기준은 강구조 설계 기준 체계의 KDS 코드로 정리되어 있으며, 시공 세부는 KCS 표준시방서를 따른다. 강교 가설과 안전관리는 「건설기술 진흥법」과 「산업안전보건법」의 적용을 받는다.

고장력볼트 설계의 핵심 기준값은 다음과 같다.

표의 값은 강도한계상태 검토에 쓰는 값이다. 필러가 많아지면 접합부의 하중 전달 효율이 떨어지므로 계수를 낮춘다. 마찰접합에서 인장력이 함께 작용해 볼트 장력이 줄면, 설계미끄럼강도에 감소계수를 곱해 강도를 낮춘다.

볼트 장력 관리 기준은 볼트 인장강도의 70% 이상을 목표로 하는 것이 일반적인 설계 관행이다. 조임 방법별 관리 기준과 검사 방법은 시방서 기준에 따른다.

개정 연혁으로는 허용응력설계법 기준이 강도설계 체계로 바뀌면서 지압접합 검토가 마찰접합에도 확대되었다. 현행 설계는 이 체계를 따른다.

도식

6. 유형과 비교

고장력 볼트 접합은 힘을 전달하는 방식에 따라 마찰접합과 지압접합으로 나뉜다. 두 방식은 볼트 축력을 쓰는지, 볼트 전단·지압 강도에 기대는지에서 차이가 난다. 강교 이음부 설계에서는 이 구분이 설계 강도 검토 항목을 결정하므로 먼저 구분해 답안에 쓴다.