고장력 볼트 및 Torque Shear Bolt

1. 개요

- 고장력 볼트 접합 : 고장력 볼트를 조여서 생기는 인장력으로 접합재 상호간에 발생하는 마찰력으로 접합하는 방식

 

- 고장력 볼트는 높은 인장강도를 가지며, 일반적으로 철골부재의 접합부분에 토크렌치 또는 임팩트렌치를 사용하여      단단히 죄어서 그 마찰력에 의해 접합한다.

 

- 장점

• 시공시에 리벳팅에 비해 작업 공구에 의한 소음이 적고, 좁은 곳에서 작업이 가능하다.
• 화기를 사용하지 않으므로 리벳이나 용접이음보다 화재 위험성이 없다.
• 고장력 볼트는 다른 볼트와 비교시 작업에 큰 숙련도가 요구되지 않는다.
• 불량 부분의 수정이 쉽다.

 

2. 고장력 볼트 체결방법

1) Torque 법(마찰접합)

• 조임토크와 조임력의 선형관계를 이용한 조임 관리방법
• 나사면 및 자리면의 마찰 등에 의해 초기 조임력의 편차가 발생하여, 조임 작업시의 마찰특성의 관리 정도에 따라 크게 변동한다.
• 풀림방지를 위한 균일한 조임력을 얻고자 하는 경우에 사용된다.
• 항복적 대비 80%의 토크값에서 권장한다.
• 1종부터 3종까지 있으며, 인장강도는 80 ~130 kg/mm2

(1) 장점 : 작업이 우수하고, 효율적이다.

(2) 사용공구 : 토크렌치 (수동식, 전동식)

(3) 종류

가). 임팩트 렌치 사용 체결

• 토크 값을 감각에 의해 추정하는 방법으로 중앙에서 단부로 체결한다.
• 1차 조임 75% 체결
• 2차 조임 100% 체결

나). 축력계가 장착된 Torque Wrench 사용 체결

• 축력계로 Torque를 컨트롤하여 체결한다.
• 규정 Torque값으로 균일하게 조임이 가능하다.

다). Nut 회전법

• 1차 조임 후 금 메김(실선표시) 실시
• 2차 조임 후 회전량 검사(120 ˚ ±30˚ = OK)

(4) 검사

가). 1개 군 볼트수가 6개 이하인 경우 : 1개 이상 샘플링 검사 실시

나). 1개 군 볼트수가 7개 이하인 경우 : 2개 이상 샘플링 검사 실시

 

2) 함복점 체결법

- 나사 부품의 기계적 강도 값과 사용조건에 관한 인자에 의하여 영향을 받는다.

  (사용조건 인자 : 윤활상태, 체결부재 표면상태, 체결속도, 체결력 등)

- 일반적인 사용환경 조건에서는 마찰계수 값( μ)= 약0.12 정도 적용

 

(1) 항복 조임 축력법

(2) 항복 조임 토크법 : 토크법을 이용해 체결기준 토크를 결정할 떄는 항복 조임토크 값의 80% 정도를 이용하면 적절하다.

 

3) 회전각 법

- 볼트 머리부와 너트의 상태 회전각(조임 회전각)을 지표로 하여 초기 조임력을 관리하는 바업ㅂ이다.

- 탄성역 조임과 소성역 조임의 가운데에서 사용된다.

 

(1) 소성역 회전각법

• 소성역(소성 영역) : 탄성역을 지나면 가했던 힘을 제거해도 원래의 상태로 돌아오지 않고 신장이 발생하여 영구 변현량을 보이게 되는 영역
• 엔진 등과 같이 협소한 장소에서 제한된 수량의 볼트를 사용해야 할 경우에는 소성역까지 사용하면 효과적이다.

가).소성역 회전각법의 볼트 선정

• 항복점의 산포가 적은 재료의 볼트를 선정한다.
• 볼트가 인장력을 받으므로 늘어날 수 있는 여유 나사부의 확보가 반드시 필요하다.
• 전산 나사의 사용을 검토한다.
• 볼트의 내구성을 신뢰할 수 있는 제품을 사용한다.

나). 공구

• 회전각의 검출 : 각도불할 눈금판(분도기), 전기적인 검출기 등
• 소성역 조임 : 볼트 머리부 또는 너트의 모양을 이용한 육안에 의한 각도관리가 일부 가능하다.

 

3. 고장력 볼트 및 토크쉐어 볼트(Torque Shear Bolt)

1) 고장력 볼트

(1) 기호

• 사용강도 계산 = 인장강도표기 x 항복점표기 = 40kg/mm2 x 60% = 24kg/mm2

2) 토스쉐어 볼트 (Torque Shear Bolt)

(1) 개요

• 고장력 볼트와 같이 마찰접합용으로 사용된다.
• 고장력 볼트 사용시 체결을 위한 절차 및 관리가 복잡하므로, 현장에서 보다 편리하게 정확한 시공을 위해 개발되었다.
• 볼트 몸체와 Pin Tail 사이에 파단 홈이 있어, 비틀림 파단시까지 체결하면 Pin Tail이 전단되어 필요로 하는 체결 축력을 얻을 수 있다.

(2) 기호

< 토크쉐어 볼트와 고장력 볼트의 강도등급 표시 >

 

(3) 볼트 길이 설계

- 볼트는 체결부 두께를 고려하여 적정한 길이로 선정하여야 한다.

- 볼트 체결 후 잔여 볼트 길이(여유길이)는 나사산의 3개 정도의 길이로 한다.

 

  L = T + t + H + 3P

 

∴ L = 볼트길이, T = 체결 대상물 두께, t = 너트 두께, P = 볼트 피치, H = 와셔 총두께

 

(4) 특성

가). 장점

• 마찰 접합으로 접합 강성이 우수하다.
• 수정이 용이하고, 풀림이 없다.
• 설비가 간단하고, 소음이 적다.
• 시공이 단순하고, 공기단축이 가능하다.

나). 단점

• 타 볼트에 비해 고가이다.
• 조임 검사가 필요하다.
• 접촉면 처리와 마무리 관리 정도가 어렵다.
• 숙련공이 필요하다.

 

4. 결론

고장력 볼트 사용에 따른 문제점

(1) 고장력 볼트 접합에서는 부재간의 접합을 장기간 유지해야 하므로 볼트의 재질, 형상, 치수, 기계적 성질 등 제조방법을 사전에 확인해야 함.

(2) 1개 접합부에 많은 고장력 볼트를 배치하는 경우 먼저 체결된 볼트의 축력이 크게 변함.

(3) 체결이 완료된 고장력 볼트에 시간경과에 따른 고장력 볼트의 축력부분에 문제가 발생함.

(4) 마찰 접합부에서는 마찰면의 표면상태와 미끄럼계수와의 관계를 사전에 파악하여야 함.

(5) 볼트구멍의 크기, 모재의 강도, 이음부의 판두께 차이, 볼트의 Grip 등과 미끄럼 내력관계를 고려해야 함.