|
|
|
 |
개요 | |
| 최근 구조물이 거대화되는 추세에 따라 콘크리트 건물에 비해 자중이 적고 강성이 큰 강구조물이 많이 건설되고 있다. 작은 건물들도 건설 공기가 짧고, 건축비용이 경제적이므로 조립식 건축물이 늘어나고 있는 추세이다.
강구조물은 구조물의 특성상 많은 접합부위가 발생되며, 가장 많이 사용되는 접합방식은 용접과 리벳결합, 볼트체결 등이 사용되고 있으나, 최근에는 간편성과 신뢰성을 고려하여 볼트체결이 많이 늘어나고 있다.
고장력볼트 접합부는 다른 접합방식의 접합부에 필연적으로 발생되는 국부적인 집중응력이 없으며, 응력전달이 원활하고 강성 및 내력이 크며, 또한 반복하중에 대해서도 높은 피로강도를 발휘할 수 있다.
고장력 볼트에 대해서는 KS B 1010 (JIS B 1186과 동일)에 규정되어 있다. 정확한 명칭은 "마찰접합용 고장력 6각볼트, 6각 너트, 와셔의 세트"라 되어 있다. | |
| |
|
마찰접합 | |
| 고장력 볼트로 체결을 하면 볼트의 강력한 체결력에 의해 접합면은 큰 힘으로 눌리게 된다. 이 큰 힘으로 눌리는 접합면사이의 마찰계수로 인해 강한 마찰력이 발생되게 되며, 이러한 마찰력으로 접합된 부분은 볼트 자체의 전단력으로 지지되는 체결방식에 비해 훨씬 큰 힘을 전달할 수 있게 된다. 또한, 면접촉을 하고 있어 국부적인 응력이 발생되지 않으며, 진동등에 대한 내성 즉, 내피로한도가 높아진다.
마찰접합시 마찰력의 크기 R은 아래와 같은 식으로 구할 수 있다.
R = n μ C
여기서, n : 마찰면의 수
μ : 마찰계수
C : 부재간 마찰력
| |
| |
|
인장접합 | |
볼트의 인장방향으로 하중을 받는 체결 구조를 말한다. 대부분의 기계적 결합이 이러한 인장접합에 해당하는 경우가 많다.
볼트의 충분한 축력에 의하여 체결된 이음부에 인장외력이 작용할 때, 부재간 압축력과 볼트의 축력이 평형상태를 이루고 있다. 여기에 부가적 외력이 작용되면 외력만큼 부재간 압축력이 작아지고, 볼트에 부가되는 축력은 미미하게 된다.
부가되는 인장외력이 부재간 압축력보다 커지게 되면, 볼트가 늘어나고, 부재간에 틈새가 발생하게 된다.
따라서, 장기하중시 인장방향의 하중을 설계볼트장력의 60%(부재가 서로 분리되는 하중은 설계볼트 장력의 90%로 보고, 장기하중시 안전율을 1.5로 설정한 값이다.)로 설정하면 된다.
| |
| |
|
고장력 볼트의종류와 등급 | |
 |
| 세트의 종류 |
세트 구성부품의 기계적 성질 등급 |
| 종류 |
토크계수 등급 |
볼트 |
너트 |
와셔 |
| 1종 |
A |
F8T |
F10 (F8) |
F35 |
| B |
| 2종 |
A |
F10T |
F10 |
| B |
| 3종 |
A |
(F11T) |
| B | |
| |
| ☞ 도표에서 ( )를 붙인 것은 되도록 사용하지 않는다.
☞ 토크계수 A : 너트에 표면처리를 하여 토크계수치를 낮게 안정시킨 것
☞ 토크계수 B : 방청제 처리만 하고 표면윤활 처리를 하지 않은 것
☞ F10T의 F는 for Friction Grip에서 온 것이며, 10은 인장강도 100 kgf/㎟ = 10 tonf/㎠의 10이다. T는 Tensile Strength에서 온 것이다.
☞ 와셔에는 기계적 성질의 등급을 표시하지 않는다.
| | |
| |
|
고장력 볼트의 허용내력 | |
| 고장력 볼트의 장기응력에 대한 허용내력 |
| 종류 |
호칭경 |
볼트외경
(mm) |
구멍지름
(mm) |
단면적 |
볼트설계
장력(ton) |
허용전단력(t) |
허용인장력
(ton) |
축
(㎠) |
유효
(㎠) |
1면마찰 |
2면마찰 |
| F8T |
M16 |
16 |
17.0 |
2.01 |
1.57 |
8.52 |
2.41 |
4.82 |
5.03 |
| M20 |
20 |
21.5 |
3.14 |
2.45 |
13.3 |
3.77 |
7.54 |
7.85 |
| M22 |
22 |
23.5 |
3.80 |
3.03 |
16.5 |
4.56 |
9.12 |
9.50 |
| M24 |
24 |
25.5 |
4.52 |
3.53 |
19.2 |
5.42 |
10.8 |
11.3 |
| F10T |
M16 |
16 |
17.0 |
2.01 |
1.57 |
10.6 |
3.02 |
6.03 |
6.23 |
| M20 |
20 |
21.5 |
3.14 |
2.45 |
16.5 |
4.71 |
9.42 |
9.73 |
| M22 |
22 |
23.5 |
3.80 |
3.03 |
20.5 |
5.70 |
11.4 |
11.8 |
| M24 |
24 |
25.5 |
4.52 |
3.53 |
23.8 |
6.78 |
13.6 |
14.0 |
| (F11T) |
M16 |
16 |
17.0 |
2.01 |
1.57 |
11.2 |
3.22 |
6.43 |
6.63 |
| M20 |
20 |
21.5 |
3.14 |
2.45 |
17.4 |
5.02 |
10.0 |
10.4 |
| M22 |
22 |
23.5 |
3.80 |
3.03 |
21.6 |
6.08 |
12.2 |
12.5 |
| M24 |
24 |
25.5 |
4.52 |
3.53 |
25.1 |
7.23 |
14.5 |
14.9 | |
| |
| 고장력 볼트의 장기응력에 대한 허용응력 |
| 재료 |
인장응력
(t/㎠) |
전단응력
(t/㎠) |
| 고장력볼트 |
F8T |
2.5 |
1.2 |
| F10T |
3.1 |
1.5 |
| (F11T) |
3.3 |
1.6 | | | |
| |
|
고장력 볼트의 조임 | |
| 볼트의 조임으로 인해 적정한 체결력을 얻기 위해서는 적정한 조임을 해야만 한다. 볼트는 하나의 스프링과 같다. 따라서, 볼트의 조임으로 인해 길이가 길어지면 스프링이 길어지면서 장력이 발생되는 것과 같은 원리로 나사의 체결력이 발생한다. 하지만, 이렇게 발생되는 체결력의 크기를 정확히 알기가 대단히 어려우므로 어느 정도 조이면 어느 정도의 체결력이 발생될 수 있는지 미리 조사하여 이를 기준으로 적정한 조임을 하고 있다. 대표적인 조임법으로는 토크조임법과 각도 조임법이 있다.
■ 토크 조임법( Torque control tightening method)
볼트의 조임이 탄성범위내에 있다고 가정하고, 이 범위내에서는 조임력과 볼트의 축력이 비례한다는 원리를 이용한 조임법이다.
* 조임토크 T는
T = k x d x N
여기서, T : 조임토크 ( kg.cm )
k : 마찰계수 ( 0.11 ~ 0.19 )
d : 호칭경 ( cm )
N : 볼트 축력 ( kg )
균일한 조임력을 얻기 위해서는 2차에 나누어 조임을 실시한다.
* 1차 조임 토크 추천치(착좌 토크)
|
| |
| 볼트규격 |
1차 체결 토크치 |
| M16 |
약 1,000 kg.cm |
| M20, M22 |
약 1,500 kg.cm |
| M24 |
약 2,000 kg.cm | |
| |
| * 2차 조임 토크의 설정
목표 체결력(축력)을 설정하고, 설정한 축력값을 위의 조임토크 계산식에 의해 구하면 된다. 단, 정확한 마찰계수를 알 수 없으므로 축력측정기를 이용하여 정확한 토크값과 축력을 측정하여 마찰계수를 구하는 작업을 하여야 한다.
■ 각도 조임법 ( 너트 회전법, Angular Tightening method)
토크 조임법의 가장 큰 단점은 접합부위의 상태에 따라 마찰계수가 다르므로 적정한 체결력을 얻기 위한 적정토크를 얻기 어렵다는 단점이 있다.
이러한 조임부위의 편차로 인한 조임력의 불균일을 극복하기 위한 방법으로 각도 조임법을 사용하고 있다.(상세는 ~~ 참조)
* 조임 절차
1차조임 실시 -> 마킹 실시(볼트, 너트, 와셔, 결합부재) -> 120도 회전
1차 조임 : 균일한 체결력을 보일 수 있는 최소 조임토크까지 조임으로써, 각 볼트들의 조임력 차이를 극복하기 위해 1차 조임을 실시한다.
* 마킹 실시 : 너트를 회전시켜 조임을 할 경우 볼트가 따라서 돌아 버리면 체결력이 증가되지 않아 적정 체결력이 얻어질 수 없다. 하지만, 조임이 일어난 후에 볼트가 너트를 따라 같이 회전되지 않았는지의 여부를 확인 하기 위해 마킹을 실시한다.
1차 조임을 한 후 볼트와 너트, 와셔, 부재에 까지 페이트로 표시를 한다. 너트를 회전시켜 조임을 완료한 후 표시한 페인트의 어긋남을 보고 적정 조임 여부를 확인할 수 있기 때문이다. 표시는 너트의 모서리 부위에 할 경우 6각이므로 한 모서리가 60°이므로 2개 모서리만큼 회전시키면 120°가 되므로 쉽게 확인할 수 있다.
* 너트의 회전 : 표시를 한 후 너트를 120°를 회전시킨다. 회전을 완료한 후 너트의 회전량이 120±30°의 범위에 있으면 합격이다. 조임시 볼트, 너트, 와셔가 함께 회전하는 공회전이 발생한 경우에는 올바른 체결이 되지 않았으므로, 고장력 볼트를 새것으로 교체하여야 한다. 또, 한번 사용했던 것은 재사용해서는 않된다.
고장력 볼트의 체결에는 볼트머리 밑과 너트 밑에 와셔를 1개씩 사용하는 것을 기준으로 접합부의 내력이 설계되어 있으므로 공사현장에서 임의로 와셔를 증감하지 않아야 한다.
* 볼트의 조임 순서
고장력 볼트를 1차, 2차 체결의 2단계로 실시하는 것은 접합부의 각 볼트에 균등한 볼트축력을 얻기 위한 조치이다. 같은 취지로 접합부의 조임 순서는 접합부의 중심으로부터 바깥쪽으로 순차적으로 체결해 나간다. | |
| |
|
고장력 볼트의 길이 설계 | |
| 적정한 볼트 길이의 선정은 매우 중요하므로 체결부 두께를 고려하여 적정길이를 신중히 선정하여야 한다.
실제 시중에서 구할 수 있는 나사의 길이는 KS의 기준에 따라 5mm 단위로 공급되고 있으므로 아래의 선정요령에 의해 선정된 길이에 가장 가까운 것을 선택하여 사용하면 된다.
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 너트위로 나오는 볼트의 길이를 여유길이라 하며, 보통 나사산 3개 정도의 길이로 한다.
상기 식을 간단히 하면,
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 | |
|
| 상기식에 의해 계산된 볼트의 길이보다 더 긴 볼트를 사용할 경우 여유나사길이가 너무 짧아 볼트의 몸통에서 나사산이 시작되는 부위에 응력이 집중되어 볼트의 연성이 저하되고, 내피로강도가 급격히 저하되므로 피해야 한다. | |
| |
|
고장력 볼트구멍의 설계 | |
| 고장력 볼트 구멍의 지름은 "건축공사 표준시방서"에 따르면 리벳구멍에 준한다고 되어 있다.
리벳 구멍의 기준은
호칭경 16mm 이하 : 호칭경 + 1.0mm
호칭경 19mm 이상 : 호칭경 + 1.5mm
이를 표로 나타내면 다음과 같다. | |
|
| 호칭경별 볼트구멍 지름 관련 기준 - 건축공사표준시방서 |
| 볼트 호칭경 |
볼트구멍 지름 |
최소 연단 거리 |
구멍의 간격 (피치) |
| (1) |
(2) |
(3) |
최소 |
최대 |
| M16 |
17.0 |
40 |
28 |
22 |
40 |
60 |
| M20 |
21.5 |
50 |
34 |
26 |
50 |
70 |
| M22 |
23.5 |
55 |
38 |
28 |
55 |
80 |
| M24 |
25.5 |
60 |
44 |
30 |
60 |
90 | |
| |
| 호칭경별 볼트구멍 지름 관련 기준 - 도로교표준시방서 |
| 볼트 호칭경 |
볼트구멍 지름 |
최소 연단 거리 |
최소 연단 거리 |
| (1) |
(2) |
| M20 |
21.5 |
42 |
37 |
표면 판두께의 8배, 150 이하 |
| M22 |
23.5 |
37 |
32 |
| M24 |
25.5 |
32 |
28 | |
| |
(1) 인장재의 접합부에서 응력방향에 볼트를 3개 이상 체결하지 않은 경우의 응력 방향의 연단 거리
(2) 전단 가장자리, 수동가스절단 가장자리의 연단거리
(3) 압연 가장자리, 자동가스절단 가장자리, 톱절단 가장자리, 기계마감 가장자리의 연단거리 |
| |
| 볼트구멍은 표면에 직각으로 뚫어야 하며, 드릴로 뚫는 것을 원칙으로 한다. 펀칭해머에 의한 구멍뚫기는 구멍벽의 평활도가 떨어지고, 경우에 따라서는 균열 및 notch등이 생겨 접합부의 내력이 저하되므로 가능한 사용하지 않는 것이 좋다. 단, 이러한 점에 주의하여 작업하는 경우에는 13mm 이하의 판에는 펀칭해머를 사용하여 구멍을 뚫어도 된다.
조립부재를 정확히 접합하기 위해서는 각각의 구멍의 중심이 정확히 일치하도록 해야 하며, 구멍주위에 생긴 찌그러짐이나 변형, 경사진 구멍등은 조립부재간의 틈새를 유발시켜 볼트의 체결 및 마찰력에 지장을 초래하므로 반드시 제거되어야 한다.
공사현장에서 조립시에 부재간 볼트구멍이 잘 맞지 않아 볼트삽입에 지장이 생기게 될 수 있다. 이러한 차이량이 2mm 이하이면 리머(reamer)로 볼트 구멍을 수정하여도 된다. 만일, 2mm를 초과하게 되면 리머로 구멍을 수정하면 부재의 단면 결손이 심해므로 첨가판을 교체하는 등 조치를 강구해야 한다.
"ㄷ"형강 및 "I"형강의 플랜지와 같이 서로 평행하지 않은 면에 볼트를 체결하면 볼트가 구부러져 나사부 및 볼트머리 밑에 응력 집중이 되므로 경사면의 경사가 1/20을 초과하는 경우에는 테이퍼와셔를 사용하여 볼트에 편심이 생기지 않도록 하여야 한다. "ㄷ"형강 플랜지의 경사는 5°(1/11.43), "I"형강 플랜지의 경사는 8°(1/7.115)이기 때문에 플랜지 이음시 테이퍼와셔나 경사판을 사용하여야 한다.
| |
| |
|
마찰접합면의 처리 | |
| 마찰접합에서 마찰면의 상태가 매우 중요하다. 표준적인 마찰접합면은 자연발생된 붉은 녹면이다. 이 경우, 접합면의 마찰계수는 0.45 이상을 요구한다.
흑피가 강재의 표면을 덥고 있는 경우는 발청이 되지 않기 때문에 조립부재에 볼트구멍을 가공한 이후, 구멍주변을 평그라인더로 와셔지름의 2배이상 범위의 흑피를 제거한다. 흑피 제거의 범위는 볼트를 체결할 때의 접합면으로 힘의 분포로부터 구한 것이다.
평와셔의 2배라고 하는 값은 거의 볼트구멍의 표준피치에 가깝기 때문에 실제로 흑피의 제거범위는 연속인 상태가 된다.
녹의 정도는 마찰면에 붉은 녹의 정도가 일정하게 분포되어 있는 것이 적당하고, 뜬 녹으로 된 것은 와이어 브러쉬(wire brush) 등을 사용하여 가볍게 제거한다. 이때 브러쉬를 너무 많이 사용하여 면이 광이 나게 해서는 안된다.
판두께 6mm이하의 경량형강의 경우 설계상 마찰계수를 0.23(≒0.45/2)으로 한 경우에는 흑피를 제거할 필요가 없다. | |
