고장력볼트 마찰접합 조임방법과 조임순서, 조임검사 등 품질관리 사항

철골구조물(강구조) 공사에서 부재의 접합을 위해 사용하는 고장력 볼트는 항복강도 700 MPa 이상, 인장강도 900 MPa 이상의 고장력 볼트를 조여서, 부재 간의 마찰력에 의해 응력을 전달하는 접합 방식입니다. 시공이 간편하면서 접합부의 강도가 크므로 구조체의 접합에 많이 사용되나, 가격이 고가이며, 숙련공이 필요합니다. 

 

 

 

고장력 볼트의 접합 방식 및 원리

<고장력볼트의 접합방식의 종류>

• 마찰 접합 : 부재의 마찰력으로 볼트 축과 직각방향의 응력을 전달하는 전단형 접합 방식
• 인장 접합 : 볼트의 인장 내력으로 볼트 축방향의 응력을 전달하는 인장형 접합 방식
• 지압 접합 : 볼트의 전단력과 볼트 구멍의 지압 내력에 의해 응력을 전달하는 접합 방식 

※ 오래된 책에서는 고장력 볼트의 접합방식에 대해서는 위와 같이 세가지로 분류하였지만, 최신 기준인 국토부 표준시방서 [KCS 14 31 25 : 볼트 접합 및 핀 연결]에 따르면 볼트의 시공 방법에 대해 두가지(마찰접합, 지압접합)으로 분류하고, 조임방법과 조임검사에 대해 시방서에 규정하고 있습니다. 

 

고장력볼트의 현장반입 검사 및 취급 보관 / 기계적 성질 등 

• [KCS 14 31 25] 고장력볼트의 현장반입 검사(검수) 및 취급, 보관 등 기계적 성질

 

고장력볼트의 '마찰 접합'의 조임 전 품질관리 사항 및 조임 순서

마찰 접합의 마찰면 품질관리 사항 및 접합부 단차, 볼트 구멍 어긋남에 대한 조치 방안

• 마찰 접합에 의한 고장력 볼트 조임 시 마찰면, 접합부 단차 수정, 볼트 구멍 수정에 대한 기준

<철골 기둥, 보의 접합 도면>

 

고장력 볼트(마찰 접합) 조임 전, 조임 시 확인사항 및 품질관리 

조임 시공법의 확인  및 조임 기준 

• 볼트의 조임 시공법 확인은 공사용으로 반입 검사한 볼트 중에서 임의로 취하여 실제 작업에 사용하는 조임기 기를 이용하여 이 시방서에 규정에 따라 조여서 축력계로 도입 장력을 측정하는 방법으로 한다. 이때 검사에 이용되는 조임기 기와 축력계는 소정의 성능을 갖추고 충분히 정비되어야 한다.
• 볼트는 나사를 손상시키지 않고 정확하게 구멍 속에 끼워 넣어야 하며, 볼트 끼우기 중 나사 부분과 볼트 머리는 손상되지 않게 보호한다.
• 모든 볼트 머리와 너트 밑에 각각 와셔 1개씩 끼우고, 너트를 회전시켜서 조인다. 다만 토크-전단형(T/S) 고장력 볼트는 너트 측에만 1개의 와셔를 사용한다.
• 와셔는 볼트 머리와 너트에 평행하게 놓아야 한다. 볼트가 볼트 축에 직각인 평면과 1/20보다 큰 경사를 갖는 경사면이나 원형면 위에 사용될 경우에는 볼트 머리나 너트가 완전히 지지되도록 경사진 와셔나 원형 와셔를 갖추어야 한다.
• 세트를 구성하는 와셔 및 너트에는 바깥쪽과 안쪽이 있으므로 볼트 접합부에 사용할 때에는 아래 그림과 같이 너트의 표시 기호가 있는 쪽이 바깥쪽이고, 와셔는 면치기가 있는 쪽이 바깥쪽이므로 반대로 사용하지 않도록 주의한다.

<너트의 표시 기호를 바깥쪽에 두게 한다>

• 볼트의 조임 및 검사에 사용되는 기기 중 토크렌치와 축력계의 정밀도는 ±3% 오차범위 이내가 되도록 충분히 정비된 것을 이용한다.
• 볼트의 끼움에서 본조임까지의 작업은 같은 날 이루어지는 것을 원칙으로 한다.
• 볼트의 조임 작업 시 본조임은 원칙적으로 강우 및 결로 등 습한 상태에서 조임 해서는 안 된다.
• 품질관리 구분 ‘라’의 교량에서 토크를 줄이기 위해서 표면처리를 실시한 와셔를 사용할 경우에는 너트 측에만 사용하고, 볼트 머리 측에는 표면처리를 하지 않은 것을 사용한다.
• 품질관리 구분 ‘라’의 교량에서 용접과 고장력 볼트의 마찰 이음을 병용할 때에는, 용접 완료 후에 볼트의 조 임시 공을 실시하는 것을 원칙으로 한다. 볼트를 조인 후에 용접할 때에는 구속에 의한 영향을 고려해야 한다.
• 구조물의 품질관리 구분 '가', '나', '다', '라 확인

 

마찰 접합의 고장력 볼트 조임 순서

• 볼트의 조임은 1차 조임과 본조임으로 나누어서 시행한다.
• 1차 조임은 접합부 볼트군마다 볼트를 삽입한 후 즉시 아래에 표시된 순서로 조인다.

• 1차 조임은 프리세트형 토크렌치, 전동 임펙트렌치 등을 사용하여 아래 표에 명시한 토크로 너트를 회전시켜 조인다. 다만 품질관리 구분 ‘라’ 교량 접합부의 볼트 1차조임은 표준 볼트 장력의 60%에 해당하는 토크를 적용한다.

<1차조임 토크 값>

• 본조임은 1차 조임과 같은 순서로 최종 목표 표준 볼트 장력에 도달할 수 있는 토크로 조인다.

 

마찰 접합에 따른 고장력 볼트의 조임 방법 및 조임 검사

고장력 볼트(마찰 접합) 조임의 종류

• 토크 관리법
• 너트 회전법
• 조합법
• 토크 전단형(T/S) 고장력 볼트의 조임

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토크 관리법에 따른 조임 방법

• ① 요구되는 볼트 장력이 볼트에 균일하게 도입되도록 볼트 조임기 기를 이용하여 사전에 조정된 토크로 볼트를 조이는 방법이다.
• ② 볼트 호칭마다 토크 계수 값이 거의 같은 로트를 1개 시공 로트로 한다. 이 시공 로트에서 대표 로트 1개를 선택하고 이 중에서 시험 볼트 5세트를 임의로 선택한다. 시험 볼트는 축력계에 적절한 길이의 것으로 선정한다.
• ③ 축력계를 이용하여 시험 볼트가 적정한 조임력을 얻도록 미리 보정하고 조정된 볼트 조임기 기를 이용하여 조인다. 여기서, 5세트 볼트 장력 평균값이 규정값을 만족하고, 각각 측정값이 표준 볼트 장력의 ±15% 이내이어야 한다. 조임 작업 종료 후의 검사에서도 사용 가능성이 있으므로 토크렌치를 이용한 토크도 측정해 둔다.
• ④ 위의 ③을 만족하지 않는 경우 동일 로트로부터 다시 10세트를 임의로 선정하여 동일한 시험을 한다. 이 10세트의 볼트 장력 평균값을 구하여 이 값이 규정값을 만족하고, 각각 측정값이 표준 볼트 장력의 ±15% 이내에 있으면 이 시공 로트의 볼트는 정상인 것으로 판단한다.
• ⑤ 위의 ④의 시험 결과가 규격 및 품질의 조건을 만족하지 않는 경우, 작업을 중지하고 그 원인을 검토하여 적절한 대책을 세우고 수정된 조 임시 공법에 대한 확인 작업을 한다.

토크 관리법에 따른 조임 검사

• ① 조임 완료 후 각 볼트 군의 10%의 볼트 개수를 표준으로 하여 토크렌치에 의하여 조임 검사를 실시한다. 이 결과 조임 시공법 확인을 위한 시험에서 얻어진 평균 토크의 ±10% 이내의 것을 합격으로 한다.
• ② 불합격한 볼트 군에 대해서는 다시 그 배수의 볼트를 선택하여 재검사하되, 재검사에서 다시 불합격한 볼트가 발생하였을 때에는 그 군의 전체를 검사한다.
• ③ 10%를 넘어서 조여진 볼트는 교체한다. 조임을 잊어버렸거나, 조임 부족이 인정된 볼트군에 대해서는 모든 볼트를 검사하고 동시에 소요 토크까지 추가로 조인다.
• ④ 볼트 여장은 너트면에서 돌출된 나사산이 1~6개의 범위를 합격으로 한다.

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너트 회전법에 따른 조임 방법

• ① 너트 회전법은 품질관리 구분 ‘나’, ‘다’로 분류된 건축물에서는 F8T와 F10T, 품질관리 구분 ‘라’로 분류된 교량에서는 F8T 고장력 볼트에 대해서만 적용할 수 있다.(품질관리 구분)
• ② 실제 접합부에 상응하는 적절한 두께의 강판에 조임 작업에 사용될 볼트 5개 이상을 조이고 너트 회전량을 육안으로 조사하여, 모든 볼트에서 거의 같은 회전량이 생기는지를 확인한다.
• ③ 위의 ②의 방법으로 조임기기의 정상, 조 임시 공법의 적정함을 판단한다. 이때 도입 장력과 토크는 확인하지 않아도 무방하다.
• ④ 너트의 회전각을 측정하는 시점은 통상 토크렌치로 부재의 표면 간격이 없어질 정도로 1 차조 임한 상태를 시점으로 한다.
• ⑤ 볼트의 조임을 너트 회전법에 따라 할 때에는 접촉면의 틈이 없을 정도로 토크렌치로 조인 상태에서 아래 표에 표시한 너트회전각을 주는 것으로 한다.
• 너트회전법에 의한 볼트 조임

구분	회전각
볼트 길이가 지름의 5배 이하일 때	120°±30°
볼트 길이가 지름의 5배를 초과할 때	시공조건과 일치하는 예비시험을 통하여 목표 회전각을 결정한다.

 

너트 회전법에 따른 조임 검사 

• ① 조임 완료 후 모든 볼트에 대해서 1 차조 임 후에 표시한 금매김의 어긋남에 의해 동시회전의 유무, 너트회전량 및 너트여장의 과부족을 육안검사하여 이상이 없는 것을 합격으로 한다.
• ② 1차조임 후에 너트 회전량이 120°±30°의 범위에 있는 것을 합격으로 한다.
• ③ 이 범위를 넘어서 조여진 고장력 볼트는 교체한다. 또한 너트의 회전량이 부족한 너트에 대해서는 소요 너트 회전량까지 추가로 조인다.
• ④ 볼트의 여장은 너트면에서 돌출된 나사산이 1~6개의 범위를 합격으로 한다.

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조합법에 따른 조임 방법

• ① 조합법은 토크 관리법과 너트 회전법을 조합한 것으로, 토크 관리법으로 볼트를 조임 하고 너트 관리법으로 조임 후 검사를 하는 방법이다. 조합법은 품질관리 구분 ‘나’, ‘다’로 분류된 건축물에서 F8T 및 F10T 고장력 볼트에 대해서만 적용할 수 있다.
• ② 프리세트형 토크렌치, 전동 임팩트 렌치 등을 사용하여 토크로 너트를 회전시켜 1 차조 임을 한다.(1차 조임 토크 확인)
• ③ 1차조임 후 모든 볼트에 대해 아래 그림과 같이 고장력 볼트, 너트, 와셔 및 부재를 지나는 금매김을 한다.

<고장력볼트 금매김>

 

조합법에 따른 조임 검사

• ① 조임 완료 후, 모든 볼트에 대해서 1 차조 임 후에 표시한 금매김의 어긋남에 의한 동시 회전의 유무, 너트회전량 및 너트여장의 과부족을 육안검사하여 이상이 없는 것을 합격으로 한다.
• ② 1차조임 후에 너트 회전량이 120°±30°의 범위에 있는 것을 합격으로 한다.
• ③ 너트의 회전량에 현저하게 차이가 인정되는 볼트 군에 대해서는 모든 볼트를 토크렌치를 사용하여 추가 조임에 따른 조임력의 적정 여부를 검사한다.
• ④ 이 결과 조임 시공법 확인을 위한 시험에서 얻어진 평균 토크의 ±10% 이내의 것을 합격으로 한다.
• ⑤ 10%를 넘어서 조여진 볼트는 교체한다. 조임을 잊어버렸거나, 조임 부족이 인정된 볼트군에 대해서는 모든 볼트를 검사하고 동시에 소요 토크까지 추가로 조인다.
• ⑥ 볼트 여장은 너트면에서 돌출된 나사산이 1~6개의 범위를 합격으로 한다.

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토크-전단형(T/S) 고장력 볼트의 조임 방법

• 토크-전단형 볼트는 너트와 볼트 핀 꼬리에 서로 반대방향으로 회전하는 토크를 작용시켜 너트를 조임으로써 볼트축력을 도입한다. 토크가 일정 크기에 도달하면 핀꼬리의 노치 부분이 파단되면서 조임이 끝난다.
• 와셔는 너트 측에만 1개를 사용한다.
• 1차 예비조임은 1차 조임 토크 값에 따른다.
• 2차 본조임은 전용 조임기를 사용하여 핀꼬리 노치부가 파단될 때까지 조인다. 다만, 본조임에서 적정한 볼트 축력이 얻어지지 않은 볼트는 신제품으로 교체한다.
• 볼트의 본조임은 상온(10℃~30℃)에서 시공하는 것으로 하며, 상온 이외의 경우는 적정한 볼트축력 도입 여부를 확인한 후 시공해야 한다.
• 볼트의 축력은 KS B 2819에 따른 상온에서 세트의 체결 축력과 세트 체결 축력의 온도 의존성 시험 결과 조임 축력이 아래 표에 제시된 범위의 값이어야 한다.

<TS볼트 조임 축력 값 기준>

토크-전단형(T/S) 고장력 볼트의 조임 검사

• ① 검사는 토크-전단형(T/S) 고장력 볼트 조임 후 실시한다.
• ② 너트나 와셔가 뒤집혀 끼여 있는지 확인해야 한다.
• ③ 핀테 일의 파단 및 금매김의 어긋남을 육안으로 전수 검사한다. 핀테 일이 정상적인 모습으로 파단되고 있으면 적절한 조임이 이루어진 것으로 판정하되, 금매김의 어긋남이 없는 토크-전단형(T/S) 고장력 볼트에 대해서는 기타의 방법으로 조임을 실시하여 공회전이 확인될 경우에는 새로운 토크-전단형(T/S) 고장력볼트 세트로 교체해야 한다.

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고장력 볼트의 교환 기준 

• 고장력 볼트, 너트, 와셔 등이 동시 회전, 축회 전을 일으킨 경우나, 너트 회전량에 이상이 인정되는 경우 또는 너트면에서 돌출된 여장이 과대, 과소한 경우에는 새로운 세트로 교체

 

 

 

고장력 볼트를 이용한 철골구조물 접합방식 중 마찰접합에 대한 자재검수, 시공 전 품질관리사항, 조임방법과 조임 후 검사에 대한 내용을 국토부 표준시방서 KCS 14 31 25 :2019 볼트 접합 및 핀 연결의 내용을 참고하여 작성하였습니다. 강구조 고장력볼트를 이용 예정인 현장 관계자 혹은 건축시공기술사를 준비하시는 분들께 도움이 되길 바랍니다. 

 

 

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