구조설계

마찰접합용 고장력 볼트
1. 서론

고장력 볼트라 함은 주로 KS B 1010-198(마찰접합용 고장력 6각볼트,6각 너트,평와셔의 세트)에 근거하여 건축물이나 교량과 같은 강 구조물의 이음쇠로 사용되는 볼트를 말한다. 마찰접합은 고장력 볼트로 이음부재를 조여 부재간에 발생한 마찰력에 의해 접합하는 방법으로 접합부에서 전달되는 응력은 볼트측과 직각을 이룬다.따라서, 마찰면의 마찰력으로 접합강도가 좌우되므로 충분한 마찰력이 발생되도록 마찰면 상태나,볼트,너트의 체결에 세심한 주의가 필요하다.

2. 볼트,넛트,와셔의 규격

마찰접합에 사용하는 볼트,넛트,와셔2개는 한 세트를 이루며 체결토오크와 체결력 간의 관계를 안정화시키기 위하여 상대물이 접촉하여 이동하는 부분의 치수 및 가공정밀도는 높아야 하고 외면은 다소 떨어져도 괜찮은 등의 특수한 조건이 있다. 따라서, 일본에서는 JIS B 6188- 1964 국내는 KS B 1010 (마찰접합용 6각볼트,6각넛트,평와셔 세트)로 규정되어 있다.
 2-1) 나사
KS규격에는 M12, M16 M20 M22 및 M24의 보통나사로 규정되어 있고 수나사와 암나사 간에 틈새가 없으면 나사산이 변형한다든가 모래등의 이물질이 들어 갔을 때 토오크가 지나치게 높아질 우려가 있으므로, 적당한 여유치수를 KS B0211-1976(미터 보통나사의 허용한계치수 및 공차)에 의거 2급정도를 지정하고 나사가공은 전조로 한정하고 있다.
 2-2) 기계적 성질
고장력 볼트의 기계적성질에 따른 등급을 나타내는 기호의 가운데 숫자는 인장강도 최소 치의 1/10을 나타내고 T는 Tensile strength의 머리글자를 표시하며, F는 일반 기계용 볼트와 구분하기 위하여 Friction grip joint의 첫 문자를 붙였다. F8T,F10T,F11T가 주종이며, F11T는 지연파괴등의 이유로 가급적 주의를 요한다. (KS B 1010)
종별 고장력 볼트 고장력 넛트 δb / δn
의 최대치
평 와셔
등급 항복강도
δ0.2
(Kgf/mm2)
인장강도
δb
(Kgf/mm2) 
신율(%) 단면감소율
(%)
등급 경도 인장강도
δn
(Kgf/mm2) 
등급 경도
1종 F8T 64 이상 80~100 16이상 45 이상 F8 HrB85~HrB100 55~83 1.8 F35 HrC35~HrC45
2종 F10T 90 이상 100~120 14이상 40 이상 F10 HrB95~HrC35 71~115 1.6
3종 F11T 95 이상 110~130 14이상 40 이상 1.8

3. 볼트의 체결
3-1) 체결 축력

외력이 볼트측에 직각인 방향으로만 작용하는 순수한 마찰접합의 경우 외력에 의해 볼트에 축력이 추가되는 일은 없고,피체결물이 인장되는 경우는 판 두께의 감소에 따라 볼트 축력이 감소된다. 따라서 축 방향의 외력이 있는 경우 외력에 대한 여유 η은 고려할 필요는 없다.또 볼트,너트,와셔를 분해하여 재 사용하는 일은 없으므로 체결응력이 볼트의 항복강도를 조금 넘어서 영구신장을 발생시켜도 큰 문제는 없다.  이러한 사정 때문에 마찰접합 고장력 볼트의 체결력은 체결 후 이완이나 볼트의 인장강도와의 관계를 고려하여 10% 높은 값으로 정해져 있다.
종별 KS등급 설계응력
δd 
δd / δb 체결응력
δf (= δd / 0.9)
1종 F 8T 0.85 δ0.2 0.68 0.94 δ0.2
2종 F 10T 0.75 δ0.2 0.67 0.83 δ0.2
3종 F 11T 0.75 δ0.2 0.65 0.83 δ0.2

설계응력 δd 와  체결응력 δf 사이에 δd =0.9 δf  인 관계를 갖도록 하고 있다.
체결작업에서는 토오크 렌치 또는 임펙트렌치를 써서 1차 조임을 할 때 볼트 목표 치의 60 %인 장력을 준 후, 2차 조임 체결(본체결)에서 100%의 장력을 준다. 볼트의 체결이 적절한지 확인은 각 볼트 군에서 10% 이상의 볼트 개수를 선택하고, 토오크렌치를 사용하여 넛트가 회전되는 시점까지 토오크를 읽는다. 이 값이 목표 치의 ±5% 이내이면 합격으로 한다.
등급 볼 트 항복 강도
(Kgf/mm2)
인장 강도
(Kgf/mm2) 
인장 하중
(Kgf)
설계 축력 (Tf) 체결 축력 (Tf) 판정 : 평균 축력
하한 치 상한 치
F8T M20 64 이상 80~100 19,600 13.3 14.6 13.9 15.3
M22 24,200 16.5 18.2 17.3 19.1
M24 28,200 19.2 21.1 20.0 22.2
F10T M20 90 이상 100~120 24,500 16.5 18.2 17.3 19.1
M22 30,300 20.5 22.6 21.5 23.7
M24 35,300 23.8 26.2 24.9 27.5
3-2) 볼트 세트의 토오크 계수
KS에서는 아래와 같이 어느 생산 로트의 토오크 계수 K의 평균치 범위에 따라 A와 B의 품질로 나누고 있다. 표면처리를 하지 않고 얇게 유막으로 도포 한 것은 B,  표면처리를 한 것은 A의 범위에 속한다. KS에는 토오크 계수 K의 평균치만이 아니라 1 생산 로트에 대하여 그 표준편차도 규정하고 있다.
고장력 볼트세트의 토오크 계수측정 K 값은    로 주어 진다.
   T : 체결 토오크 치 (Kgf.m) , N : 축력(tonf), d : 나사의 호칭지름
 등 급 B A S
추 천 볼 트 규 격 M 16 이하 M20, M22, M24, M27 M 30 이상
토오크 계수의 범위 0.190 ∼ 0.150 0.150 ∼ 0.110 0.120 ∼ 0.080
표 준 편 차 0.013 0.010 0.010
토오크 K 값 환산표 ( A 등급 )
d N K 0.110 0.115 0.120 0.125 0.130 0.135 0.140 0.145 0.150
M20 18.2 T
(Kgf)
40 42 44 46 47 49 51 53 55
M22 22.6 55 57 60 62 65 67 70 72 75
M24 26.2 69 72 75 79 82 85 88 91 94

4. 온도 의존성
고장력 볼트용 재료는 당연히 열처리를 시행하여 필요로 하는 강도,경도,인성,연신율 등과 같은 기계적 성질이 확보된다.  이 열처리는 통상 퀜칭-템퍼링으로 이루어지며 퀜칭온도는 800~900도, 템퍼링은 400~600도에서 이루어 진다. 화재시의 변질을 고려하면 템퍼링 온도는 400도 이상이 필요하다고 생각된다.  

가열. 냉각 후의 인장강도와 잔류 체결력 위의 그림은 고장력 볼트를 가열하여 최고온도에서 약 1 시간 유지한 후 냉각시킨 경우 인장강도와 잔류 체결력의 변화를 표시했다. 그림에서 보는 바와 같이 인장강도는 템퍼링온도에서 하강하기 시작하며 잔류 체결력은 500도 부근에서 상온의 체결력에 비해 20 %정도 급격히 감소한다. 따라서, 고장력 볼트 부품은 뜨임 열처리가 되어 있으므로 넛트를 용접한다든가 볼트 주변에서 용접을 하며 볼트의 기계적 성질이 열화하여 볼트의 장력이 감소할 수도 있다. 5. 미끄럼 내력
 고장력 볼트 마찰 접합부에서 볼트 1개당 미끄럼 내력을 Rs 라고 하면 다음과 같은 식으로 된다.
 Rs = m.μ.Ni  m = 전단면의 수, μ = 접합면의 미끄럼계수 . Ni  = 고장력 볼트의 초기도입 축력(예장력: t)이다.
미끄럼 계수는 접합면의 표면상태에 따라 값이 다른데 종래 행해진 실험에서 대표적인 값은 다음과 같다.
    광명단 도포    : 0.15~0.25
    아연도금상태  : 0.1~0.30
    흑피상태        : 0.2~0.35
    연마한 표면    : 0.2~0.35
    산화염 취부면 : 0.25~0.60
    블라스 취부면 : 0.25~0.60
    다크로 처리    : 0.45 ~0.50
마찰접합 이음부의 미끄럼 계수의 산출은  미끄럼 계수( μ )  =    이다. P는 미끄럼 하중 , N은 볼트의 축력, n은 볼트의 개수, m은 마찰면 수이다.