볼트 구멍 및 접합면 공사방법 ㅣ 철골공사 실무

출처: NCS학습모듈, " 강구조시공 볼트접합",교육부(20??)

 

볼트 구멍 및 접합면 공사방법

 

1) 구멍 뚫기 일반사항

       구멍 뚫기는 요구되는 지름으로 정확하게 가공하고 드릴 및 리머 다듬질을 사용하여 마무리해야 한다. 가조립하기 전에 구멍을 뚫을 때에는 자동 천공기를 사용한다. 판 두께 13mm 이하 강재에 구멍을 뚫을 때에는 눌러 뚫기(press punching)에 의하여 뚫을 수 있으나 구멍 주변에 생긴 손상 부분은 깎아서 제거한다.

 

2) 볼트 구멍의 치수 및 정밀도

       볼트의 구멍 직경, 피치 및 연단 거리는 다음 표에 따른다. 볼트 구멍의 수직 각도는 1/20 이하이어야 하며 볼트 구멍의 허용 오차를 준수한다. 그러나 마찰 이음일 경우에는 한 볼트군의 20%에 대하여 +1.0mm까지 인정할 수 있다.

볼트 구멍의 허용 오차

       구멍 제작 시 중심선 축에서 구멍의 어긋남은 ±1mm 이하로 하며, 볼트 그룹에서 처음볼트와 마지막 볼트의 최대 연단 거리의 오차는 ±2mm 이하로 한다. 다만 볼트 구멍 간 허용오차는 ±0.5mm 이하로 한다.

       마찰 이음으로 부재를 조립할 경우에는 구멍의 어긋남은 1.0mm 이하로 하고 지압 이음으로 부재를 조립할 경우에는 구멍의 어긋남은 0.5mm 이하로 한다.

 

3) 고장력 볼트 구멍 관리하기

       고장력 볼트의 구멍은 볼트 직경이 20mm 미만의 경우에는 볼트 직경 +1mm 이내이고 볼트직경이 20mm 이상의 경우는 볼트 직경 +1.5mm 이내가 되도록 규정하고 있다.
       마찰 접합의 경우에는 힘의 전달 구조가 리벳과 다르기 때문에 리벳의 구멍 크기를 적용할 필요성은 없을 것이다. 볼트 구멍과 볼트축부와의 간격이 크게 되면 미끄럼이 생긴 후의 변형량은 크게 되고 미끄러질 때 생기는 충격에 대해서도 크게 나타난다.
       볼트 구멍의 뚫기는 부재 표면에 대하여 직각이어야 하고 원형이 되도록 부재를 수평으로 하여 정확한 위치에서 드릴로 구멍을 뚫는 것을 원칙으로 한다. 펀칭 머신에 의하여 구멍을 뚫는 경우에는 구멍 주위가 거칠거나 균열과 노치 등이 생겨서 접합부 내력을 저하시키므로 가능한 사용하지 않는 것이 바람직하다.
       조립 부재를 정확하게 접합하기 위해서는 각각의 구멍을 정밀하게 뚫어야 하고 각 부재의 구멍 중심을 일치시키는 것이 중요하다. 구멍 주변에 생기는 찌그러짐이나 변형, 불순물 등은 접합 시 부재 사이에 틈을 생기게 하고 볼트의 조임 시 마찰력을 저하시키므로 제거해야 한다. 찌그러짐, 불순물 등은 바린크리머를 사용하여 쉽게 제거할 수 있지만, 그라인더 등을 사용하는 경우에는 부재가 결손되지 않도록 주의한다.

구멍 드릴 및 가공 장비

 

4) 볼트 구멍의 어긋남 수정

       접합부 조립 시에는 겹쳐진 판 사이에 발생한 2mm 이하의 볼트 구멍의 어긋남은 리머로써 수정한다. 구멍의 어긋남이 2mm를 초과할 때는 접합부의 안전성 검토를 실시한다.

 

5) 마찰 접합면 조립 정밀도 확인

       고장력 볼트 접합부가 적절하게 시공되기 위해서는 마찰면 처리가 적절해야 할 뿐만 아니라 부재 간 접합면을 밀착시키고 볼트 구멍의 어긋남이 없도록 해야 한다. 그러기 위해서는 접합면에 생기는 변형이나 상처 등은 부재 조립 전에 수정할 필요가 있다.
       공사 현장에서의 시공은 공장에서 제작된 부재를 접합하는 과정이기 때문에 접합부의 조립정밀도는 단위 부재의 정밀도에 크게 좌우된다. 공장에서 제작된 단위 부재의 정밀도는 철골 공사 표준 시방서에 규정된 정밀도 지침에 따르고 있지만, 이 규정은 단위 부재에 대한 것이기 때문에 접합부에 결집되는 부재 간의 상대적인 치수 차이는 단위 부재 허용차의 누적이 될 가능성이 있다.

       한편, 접합부의 정밀도는 철골 세우기 순서와 접합 순서 등에도 좌우된다. 이와 같이 제작 오차와 세우기 오차가 원인이 되어 적절한 접합부의 정밀도가 확보되지 못하는 경우가 있을 수 있다. 이런 현상이 발생하면 결과적으로 부재 접합면에 틈새가 생기거나 볼트 구멍의 어긋남의 형태로 시공 오차가 나타나게 된다.
       접합면에 발생하는 틈새는 접합부의 미끄럼 내력과 강성에 커다란 영향을 미치기 때문에 틈새가 생기는 경우에는 다음에 따라서 적절한 필러 플레이트를 삽입해서 틈새를 1mm 이하로 한다. 틈새가 1mm 이하일 때는 일반적으로 철골 부재 접합부에 이용되는 덧판 두께로 볼트 체결에 의해서 접합면 밀착이 가능하기 때문에 필러의 삽입은 필요하지 않다. 하지만 극후판재의 경우에는 볼트 체결만으로 접합면 밀착이 어렵기 때문에 신중히 대처할 필요가 있다. 필러 표면의 상태는 마찰 접합의 경우 양면 모두 접합면과 동일한 상태이어야 한다.

접합부 단차 수정

● “건축 공사 표준 시방서 06010”의 품질 관리 구분 ‘나’, ‘다’에서 접합되는 부재의 표면 높이가 서로 차이가 있는 경우 다음과 같이 처리한다.

● 접합부 표면의 높이 차이 처리방법(건물)

● “건축 공사 표준 시방서 06010”의 품질 관리 구분 ‘라’는 우천에 노출되어 있어 부식의 우려가 있는 교량의 경우에는 접합부 표면 높이 차이의 정도에 따라 다음과 같이 처리한다.

● 접합부 표면의 높이 차이 처리 방법(교량)

● 끼움재의 재질은 모재의 재질과 관계없이 사용할 수 있고 끼움재는 양면 모두 마찰면으로 처리한다.

 

       블라스트 표면 처리에 의한 강판의 흑피 제거는 1.6mm 두께를 한도로 적용한다. 이것보다 얇은 강판에 블라스트 가공을 하면 강판 변형이 생겨 사용할 수 없게 된다. 또한 필러로 이용되는 강재의 재질은 모재의 강종에 관계없이 400MPa급의 강재로 한다. 인장 접합의 경우에도 접합면이 밀착되는 것이 중요하기 때문에 틈새가 발생하면 필러를 삽입하는 것을 원칙으로 한다.
       그 외에 ㄷ형강, Ｉ형강의 플랜지에서와 같이 플랜지 면이 평행하지 않은 면에 체결되는 볼트에는 부가적인 휨응력이 발생하여 나사부 등에 응력 집중도가 높아지는 문제가 발생한다. 고장력 볼트 규격에서는 이러한 편심을 고려하여 어느 정도의 편심 응력은 흡수 가능하도록 기계적 성질이 규정되어 있지만 큰 편심 응력이 생기는 것은 바람직하지 않기 때문에 1/20의 경사를 초과하는 경우에는 구배가 있는 와셔를 사용하여 보정하도록 하고 있다.

       여러 개의 볼트 열을 이루어 접합되는 경우에는 그림과 같이 구배를 가지는 강판을 이용하여 평와셔를 적용하는 것이 바람직하다.

구배를 가지는 판재의 적용

 

6) 마찰면 처리

       마찰 접합에서 마찰면의 상태는 접합부의 미끄럼 내력에 큰 영향을 미친다. 흑피, 도료, 먼지, 기름, 들뜬 녹, 용접 스패터(spatter) 등이 접합부의 마찰면에 있으면 마찰력이 현저하게 저하되므로 철골의 제작 및 조립 전에 제거한다.
      건축 공사 표준 시방서에서는 마찰면으로서 자연 발생된 붉은 녹을 대상으로 허용 전단응력도를 규정하고 있다. 이 경우에는 마찰면의 미끄럼 계수(외관상 마찰 계수)로서 0.45이상을 요구한다.
       흑피가 강재의 표면을 덮고 있는 것은 발청을 막기 때문에 부재, 이음판 등의 구멍 뚫기를 한 후, 구멍 주변의 찌그러짐, 불순물을 제거하고 디스크 그라인더로 와셔 외경의 2배 이상의 범위에 있는 흑피를 제거한다. 흑피를 제거하는 범위는 볼트를 조임 하였을 때 접합면으로 오는 힘의 분포에 의해 정해진다. 와셔 외경의 2배는 거의 볼트의 표준 피치에 가까운 것이므로 실제 흑피 제거범위는 연속된 상태가 된다. 그라인더로 흑피를 제거할 때, 마찰면에 확실한 접촉을 확보하기 위하여 면이 훼손되지 않도록 주의해야 한다. 최근 많이 이용되는 흑피 제거 방법으로는 블라스트 처리(쇼트 블라스트, 그릿 블라스트)가 있다. 약간의 설비가 필요하지만 작업 능률이 좋을 뿐 아니라 그라인더 사용 시와 같이 마찰면이 훼손되는 현상은 없다. 이 방법에 의하면 처리 직후의 상태에서도 0.45 이상의 미끄럼 계수를 확보할 수 있다.

        이음판은 가공 후 여러 장씩 겹쳐서 보관되는 경우가 많으므로 발청되기 어려운 상태이다. 또한, 이음판은 수송과 설치 등을 고려하여 볼트로 조임 해 두는 경우가 많아서 발청 되기 어렵다. 이로 인하여 이음판에는 완벽한 블라스트 처리가 요구된다.
       두께 6mm 미만의 경량 형강 등을 사용하여 설계상 미끄럼 계수를 0.23(≒0.45/2)으로 한경우에는 흑피를 제거할 필요는 없으나, 들뜬 흑피, 들뜬 녹 등은 제거해야 한다.
       특수한 마찰면 처리를 선택한 경우에는 미끄럼 내력 시험에 의해 미끄럼 계수값을 확인해 둘 필요가 있다. 이 경우에는 실제의 부재 접합부에 가까운 조건의 시험편을 이용하는 것이 바람직하지만 보통은 2면 마찰의 표준 시험편에 의한 경우가 많다. 이때 마찰면은 실제로 사용하는 방법과 동일한 처리를 해야 한다.