교량 Torque shear bolt

[소하천]

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. 이러한 철골구조물의 건축이 증가되면서 고장력볼트와 함께 사용빈도가 늘고 있는 torque shear bolt를 소개하는 것이다.

고장력 볼트에 대해서는 KS B 1010 (JIS B 1186과 동일)에 규정되어 있다. 하지만, torque shear bolt에 대해서는 KS나 JIS등에도 규정되어 있지 않으며, 단지 일본강구조협회 규준인 JSS Ⅱ 09에 나와 있다. 일반적으로 Torque Shear (이하 T/S) 볼트는 고장력볼트와 기계적 성질이 동일한 것으로 간주하여 사용하고 있다.

단, 머리모양이 둥그렇고 자리면 지름이 크므로, 머리 아래에 와셔를 사용하지 않으며, 끝단에 토크 조임을 위한 핀(pin tail)부위가 있는 것이 고장력 볼트와 다르다.

T/S 볼트의 원리

T/S 볼트는 고장력볼트와 같이 마찰접합용으로 사용하기 위해 개발된 제품이다. 고장력볼트의 경우 체결을 위한 절차가 복잡함으로써, 현장에서 보다 편리하고 정확한 시공을  위해 개발된 제품이다.

볼트의 몸체와 pin tail사이의 파단홈(notch)이 비틀림 파단될 때까지 조이면 소정의 체결축력을 얻을 수 있게 개발된 제품이다.

 

<그림-1, T/S 볼트의 체결 원리 >

따라서, 현장에서 체결된 후 파단핀이 떨어져 나가 있는 모습을 확인함으로써, 정확히 시공된 것을 쉽게 확인할 수 있어 편리하다.

T/S 볼트의 종류

세트의 종류	세트 구성부품의 기계적 성질 등급
	볼트	너트	와셔
1종	S10T	F10(F8)	F35

☞ S10T의 S는 for Structrural Joints에서 온 것으로서, 고장력볼트와 구분되게 하기 위해 사용되는 기호이다. 10은 인장강도 100 kgf/㎟ = 10 tonf/㎠의 10이다. T는 Tensile Strength에서 온 것이다.

T/S 볼트	고장력 너트
	F8T	F10T

<그림-2, 볼트, 너트의 강도등급 표시 >

☞ 와셔에는 기계적 성질의 등급을 표시하지 않는다.

T/S볼트의 기계적 성질

【 T/S볼트의 기계적 성질 】
등급	항복강도 kgf/㎟	인장강도 kgf/㎟	연신율 %	단면수축율 %
S10T	90 이상	100~120	1.2	40 이상

【 T/S볼트의 인장하중(kgf) 】
등급	호칭경				경도
	M16	M20	M22	M24
S10T	15700	24500	30300	35300	HRc 27~38

T/S 볼트의 길이 설계

적정한 볼트 길이의 선정은 매우 중요하므로 체결부 두께를 고려하여 적정길이를 신중히 선정하여야 한다.

실제 시중에서 구할 수 있는 T/S볼트의 길이는 5mm 단위로 공급되고 있으므로 아래의 선정요령에 의해 선정된 길이에 가장 가까운 것을 선택하여 사용하면 된다.

L = G + 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.

<그림-3, 볼트의 체결길이 >

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	26.5	25
M20	4.5	20	2.5	32.0	30
M22	6.0	22	2.5	35.5	35
M24	6.0	24	3.0	39.0	40

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.

T/S 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		최대 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

 

<그림-4, 볼트구멍의 용어 정의 >

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.

T/S 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. 하지만, 현장에서 이러한 조임법에 의한 조임은 세심한 주의와 정확한 시공이 필요하므로 불편하다. T/S 볼트는 이러한 불편을 해소하기 위해 개발된 볼트로서 전용 조임공구를 이용하면 소정의 적정 체결력을 얻을 수 있다.

<그림-5, T/S볼트 전용공구에 의한 체결 모습 >

조임 절차

1차조임 실시 -> 마킹 실시(볼트, 너트, 와셔, 결합부재) -> 전용공구로 체결

1차 조임 : 균일한 체결력을 보일 수 있는 최소 조임토크까지 조임으로써, 각 볼트들의 조임력 차이를 극복하기 위해 1차 조임을 실시한다. 이때, 각 부재가 정확히 밀착되고 있는지 확인하는 것이 중요하다.
현장에서 일차 조임의 중요성을 간과하고 그냥 조이는 경우가 있다. 이는 자칫 체결력 부족으로 부실공사를 초래할 수도 있다.

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.
파단핀이 떨어져 나갔더라도 마킹면을 보고 정확한 작업이 되었는지 확인할 수 있으므로 중요한 과정이다.

<그림-6, T/S 볼트 체결의 확인 >

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.

<그림-7, 볼트의 조임 순서 추천예 >

[알라딘(서진수)]

좋으네요 용어예상문제!

[역마살]

우리현장도 강교에 사용하려했으나 KS규정이 없어 사용을 못하도록 하였읍니다.

[지행선생]

펌~감사합니다