고력볼트의 체결
1) 일반사항
마찰접합 또는 전인장조임되는 고장력볼트는 너트회전법, 직접인장측정법, 토크관리법, 토크쉬어볼트 등을 사용하여 강구조 기준에서 정하고 있는 설계볼트장력 이상으로 체결되어야 하며, 이때 하중이 접합부의 단부를 향할 때는 적절한 설계지압 강도를 갖도록 검토되어야 합니다. 그러나 다음의 경우 일반조임이 사용될 수 있습니다.
(1) 지압접합
(2) 진동이나 하중변화에 따른 고력볼트의 풀림이나 피로가 설계에 고려되지 않는 경우
(3) 일반조임이란 임팩트렌치로 수 회 또는 일반렌치로 최대로 조여서 접합판이 완전히 접착된 상태를 말합니다. 일반조임은 설계도면에 명확히 표기되어야 합니다.
고장력볼트의 조임 종류는 용도에 따라 밀착조임(Snug-Tight), 전인장조임(Fully-Tensioned) 또는 마찰접합(Slip-Critical Joint)로 구분합니다. 여기서, 전인장조임은 마찰면 처리를 하지 않고 설계볼트장력으로 조임한 경우를 말합니다.
2) 설계볼트장력(To)
고력볼트의 설계상 미끄럼 강도를 확보하기 위한 최소한의 조임력을 말하며, 볼트를 조일 때 발생되는 비틀림응력으로 인해 인장강도가 10% 정도 감소하는 현상과 재료의 항복비가 1.0에 가까운 것을 고려하여 다음과 같이 정하고 있습니다.
To = 0.7 σu An (여기서, An : 볼트 유효단면적으로 공칭단면적의 0.75배)
3) 표준볼트장력
실제 시공시 설계볼트장력에 오차가 발생할 수 있으므로 설계볼트 장력에 10% 정도를 할증한 값을 말합니다.
[고력볼트의 재료강도(MPa)]
| 강도 / 강종 | F8T | F10T | F13T |
| Fy Fu |
640 800 |
900 1000 |
1170 1300 |
주1) KS B 1010에 의하여 수소지연파괴 민감도에 대하여 합격된 시험성적표가 첨부된 제품에 한하여 사용하여야 합니다.
[고력볼트의 설계볼트 장력]
| 볼트의 등급 | 볼트의 호칭 | 공칭단면적(㎟) | 설계볼트장력*(To)(kN) |
| F8T | M16 | 201 | 84 |
| M20 | 314 | 132 | |
| M22 | 380 | 160 | |
| M24 | 452 | 190 | |
| F10T | M16 | 201 | 106 |
| M20 | 314 | 165 | |
| M22 | 380 | 200 | |
| M24 | 452 | 237 | |
| F13T | M16 | 201 | 137 |
| M20 | 314 | 214 | |
| M22 | 380 | 259 | |
| M24 | 452 | 308 |
*설계볼트장력은 볼트의 인장강도의 0.7배에 볼트의 유효단면적을 곱한 값, 볼트의 유효단면적은 공칭단면적의 0.75배
4) 마찰면의 처리
볼트구멍 중심으로 볼트직경의 2배 이상의 범위의 흑피를 숏블라스트(shot blast) 또는 샌드블라스트(sand blast)로 제거한 후 자연방치 상태에서 붉은 녹이 발생한 상태를 표준마찰면이라 하며, 이 경우 미끄럼계수가 0.5 이상 확보됩니다. 끼움판(filler plate)을 사용하는 경우 끼움판도 마찰면 처리를 해야 합니다.
[미끄럼계수]
| 마찰면의 마감상태 | 미끄럼계수(μ) |
| 방청도료 | 0.05 ~ 0.20 |
| 아연도금 | 0.10 ~ 0.30 |
| 흑피 | 0.20 ~ 0.45 |
| 샌드페이퍼 | 0.25 ~ 0.45 |
| 붉은 녹 | 0.45 ~ 0.75 |
| 숏블라스트 | 0.40 ~ 0.75 |
| 샌드블라스트 | 0.45 ~ 0.75 |
5) 고력볼트의 체결방법(마찰접합의 경우)
(1) 고력볼트 체결 시 볼트군에 동일한 표준볼트장력을 확보하기 위한 기본사항
- 볼트군 중앙부에서 외측으로 체결합니다.
- 고력볼트는 2회에 걸쳐 체결합니다.
(2) 고력볼트의 체결 3단계
고력볼트의 체결순서는 다음과 같습니다.
- 1차 체결
가체결 볼트를 남겨둔 채로 잔여볼트 구멍에 고력볼트를 삽입한 후 1차 체결을 실시합니다. 이때 가체결 볼트는 부재 간의 밀착을 확보할 수 있어야 합니다. 1차 체결은 대략 100,000N.mm(M16)에서 200,000N.mm(M24) 정도의 토크치로 조이는 것이 보통입니다.
- 마킹(금매김)
육안검사로 미체결 또는 공회전 볼트를 확인하기 위해 실시하며 너트회전법에서는 합격판정 여부를 검사하기 위해 실시합니다. 이때 볼트, 너트, 와셔, 체결판이 모두 포함되도록 마킹합니다.
- 본체결
토크치를 이용하여 체결하는 방법과 너트의 회전량을 이용하여 체결하는 방법이 있습니다.
*토크 관리법
토크치를 이용하여 표준볼트장력을 도입하는 방법
T = k · d1 · N
여기서,
k : 토크계수(A종:0.11~0.15, B종:0.15~0.19) A종과 B종은 너트 및 와셔의 표면처리상태로 A종의 경우 적은 토크치로 표준볼트장력을 확보할 수 있습니다.
d1 : 고력볼트 축부의 공칭직경(mm)
N : 표준볼트장력
*너트 회전법
너트의 회전량을 이용하여 표준볼트장력을 도입하는 방법으로 120°±30° 정도면 합격으로 합니다. 볼트의 길이가 긴 경우에는 회전량을 증대시켜야 합니다.
*토크시어볼트법
체결작업 시 전용공구를 사용하여 일정 토크 이상으로 조이면 볼트 끝부분이 단락되므로 볼트의 장력을 관리할 수 있는 방법입니다.
*직접인장측정법
돌기가 있는 와셔를 이용하여 볼트의 축력을 추정하는 방법입니다.
6) 고력볼트의 체결 시 주의사항
(1) 나사부를 양호하게 보호합니다.
(2) 나사부에 이물질이 부착되지 않도록 합니다.
(3) 너트는 등급표시가 외부에서 보이도록 합니다.
(4) 고력볼트 머리부의 와셔는 내부지름 면치기가 되어 있는 부분을 볼트 머리 쪽으로 조합합니다.
7) 고장력 볼트의 길이
적정한 볼트 길이의 선정은 매우 중요하므로 체결부 두께를 고려하여 적정길이를 신중히 선정하여야 합니다. 실제 시중에서 구할 수 있는 나사의 길이는 KS의 기준에 따라 5mm 단위로 공급되고 있으므로 아래의 선정요령에 의해 선정된 길이에 가장 가까운 것을 선택하여 사용하면 됩니다.
L = G + (2 x T) + H + (3 x P)
여기서,
L : 볼트의 길이, G : 체결물의 두께
T : 와셔의 두께, H : 너트의 두께, P : 볼트의 피치
볼트 체결후 너트 위로 나오는 볼트의 길이를 여유길이라 하며, 보통 나사산 3개 정도의 길이로 합니다. 이상의 내용을 줄여서 설명하면 다음과 같습니다.
볼트의 길이(L) = 체결물 두께 + 더하는 길이(추천값)
[호칭경별 길이선정 자료]
| 호칭경 | 와셔의 두께(T) | 너트의 높이(H) | 볼트의 피치(P) | 체결물 두께에 더하는 길이 | |
| 계산값 | 추천값 | ||||
| M16 | 4.5 | 16 | 2.0 | 31 | 30 |
| M20 | 4.5 | 20 | 2.5 | 36.5 | 35 |
| M22 | 6.0 | 22 | 2.5 | 41.5 | 40 |
| M24 | 6.0 | 24 | 3.0 | 45 | 45 |
추천되는 값보다 더 긴 볼트를 사용할 경우 여유나사 길이가 너무 짧아 볼트의 몸통에서 나사산이 시작되는 부위에 응력이 집중되어 볼트의 연성이 저하되고, 내피로강도가 급격히 저하될 수 있습니다.