1. 서론
고장력 볼트의 조임 방법에는 토크관리법, 너트회전법, 조합법이 있다.
본 기술자료에서는 요구되는 볼트장력이 볼트에 균일하게 도입되도록 볼트 조임기기를 이용하여 사전에 조정된 토크로 볼트를 조이는 토크 관리법에서 토크를 계산하는 방법에 대해 알아보고자 한다.
토크란, 볼트나 너트를 조이거나 풀 때 스패너나 렌치를 돌리기 위한 힘(회전력)을 말한다.
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2. 고장력 볼트
고장력 볼트 세트의 구성은 고장력볼트 1개, 너트 1개와 와셔2개로 구성된다.
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기계적 성질에 따른 세트의 종류 |
적용하는 구성부품의 기계적 성질에 따른 등급 |
|||
|---|---|---|---|---|
|
고장력볼트 |
너트 |
와셔 |
||
|
1종 |
A1) |
F8T |
F10 |
F35
|
|
B2) |
||||
|
2종 |
A1) |
F10T |
F10 |
|
|
B2) |
||||
|
4종 |
A1) |
F13T |
F13 |
|
주 1) 토크계수값이 A는 표면윤활처리
2) 토크계수값이 B는 방청유 도포상태
표 2.1-1 고장력볼트의 종류와 등급 (KCS 14 31 25)
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너트의 기계적 성질에 따른 등급 |
경도 |
표시기호 |
보증 하중 |
|
|---|---|---|---|---|
|
최소 |
최대 |
|||
|
F8 |
HRB 85 |
HRB 100 |
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KS B 1010 표 3의 고장력 볼트 인장하중 (최소)과 같다. |
|
F10 |
HRB 95 |
HRC 35 |
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|
|
F13 |
HRC 30 |
HRC 40 |
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|
표 2.1-3 너트 제품의 기계적 성질 및 표시기호 (KCS 14 31 25)
*KS B 1010 2022에 따르면 너트 등급 F8은 생산하지 않는다.
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와셔의 기계적 성질에 의한 등급 |
경도 |
|---|---|
|
F35 |
HRC 35~45 |
표 2.1-4 와셔 제품의 기계적 성질 (KCS 14 31 25)
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고장력볼트의 호칭 |
조임길이1)에 더하는 길이2)(mm) |
|---|---|
|
M16 M20 M22 M24 M27 M30 |
30 35 40 45 50 55 |
주 1) 조임길이는 볼트접합되는 판들의 두께 합이다.
2) 조임길이에 더하는 길이는 너트 1개, 와셔 2개 두께와 나사피치 3개의 합이다. 다만 TS볼트의 경우에는 위의 값에서 와셔 1개의 두께를 뺀 길이를 적용한다.
표 2.1-5 고장력 볼트의 조임길이에 더하는 길이 (KCS 14 31 25)
실제 시중에서 구할 수 있는 나산의 길이는 KS 기준에 따라 5mm단위로 공급되고 있으므로 선정된 길이에 가장 가까운 것을 선택하여 사용하면 된다.
고장력 볼트의 길이 산정식은 다음과 같다.
볼트 체결 후 너트 위로 나오는 볼트의 길이를 여유길이라 하며, 보통 나사산 3개 정도의 길이로 한다.
체결물 두께에 더하는 길이
|
볼트의 호칭 |
와셔의 두께 (T) |
너트의 높이 (H) |
볼트의 피치 (P) |
체결물 두께에 더하는 길이 |
|
|---|---|---|---|---|---|
|
계산값 |
추천값 |
||||
|
M16 |
4.5 |
16 |
2.0 |
31.0 |
30 |
|
M20 |
4.5 |
20 |
2.5 |
36.5 |
35 |
|
M22 |
6.0 |
22 |
2.5 |
41.5 |
40 |
|
M24 |
6.0 |
24 |
3.0 |
45.0 |
45 |
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일본교량건설협회 Design Data Book에서는 다음과 같이 설명하고 있다.
高力ボルトの長さ (Design data book)
3. 볼트조임축력
볼트의 조임은 설계볼트 장력에 10%를 증가시켜 KDS 14 31 25 표 3.1-4에 명시된 표준볼트장력을 얻을 수 있도록 한다.
|
고장력볼트의 등급 |
고장력볼트호칭 |
공칭단면적 (mm2) |
설계볼트장력1) (kN) |
표준볼트장력 (kN) |
시험볼트 장력의 평균값 범위2) (kN) |
|---|---|---|---|---|---|
|
F8T |
M16 M20 M22 M24 |
201 314 380 452 |
84 131 163 189 |
92 144 179 208 |
85~95 135~150 170~185 195~215 |
|
F10T |
M16 M20 M22 M24 M27 M30 |
201 314 380 452 572 708 |
105 164 203 236 307 376 |
116 180 223 260 338 414 |
105~120 170~185 210~230 245~270 315~355 390~435 |
|
F13T |
M16 M20 M22 M24 |
201 314 380 452 |
136 213 264 307 |
150 234 290 338 |
140~155 220~240 275~300 320~350 |
표 3.1-4 고장력볼트의 설계볼트장력과 표준볼트장력 및 장력의 범위 (KDS 14 31 25)
4. 토크 렌치의 종류
토크렌치는 체결 작업에 이용하는 경우와 검사 측정에 사용하는 경우로 나누어진다.
(1) 체결 작업용
체결 작업에 이용하는 경우 미리 설정한 토크 값에 도달하면 소리와 진동으로 알려주는 시그널형과 측정한 토크 값을 디지털 화면에 표시해 주며 미리 설정한 토크 값에 도달하면 소리와 진동으로 알려주는 디지털형이 있다.
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(2) 검사 측정용
검사 측정시 직접 토크값을 판독하는 직독형과 측정한 토크값을 디지털로 표시해주는 디지털형이 있다.
(출처 : https://kr.misumi-ec.com/tech-info/categories/assembly/as01/a0396.html )
5. 조임 토크값의 계산
(1) 볼트의 유효 단면적
ISO 898-1 9.1.6.1.1에서는 볼트의 유효 단면적을 다음과 같이 계산하고 있다.
(2) 토크계수값
토크계수값 시험은 각 로트의 고장력볼트 세트에 대해 5개 이상 실시하고 토크의 평균과 편차를 조사하여 제작자 검사 결과와 비교하되, 토크가 5%이상 다를 경우에는 재검사를 실시해야 한다.
토크계수값은 표 2.1-2의 규정에 적합해야 한다.
|
구분 |
토크계수값에 따른 세트의 종류 |
|
|---|---|---|
|
A |
B |
|
|
토크계수값의 평균값 |
0.110~0.150 |
0.150~0.190 |
|
토크계수값의 표준편차 |
0.010 이하 |
0.013 이하 |
표 2.1-2 토크계수값 (KCS 14 31 25)
다음은 한국미스미 홈페이지의 메카니컬 표준 부품 기술 정보에서는 다음과 같이 제시하고 있다.
출처 :
https://kr.misumi-ec.com/pdf/tech/mech/1521.pdf
https://kr.misumi-ec.com/pdf/tech/mech/1611.pdf
(3) 조임 토크값의 계산
KS B 1010에서는 다음과 같이 토크 계수값을 계산한다.
토크 계수값 산정식을 T에 대해 정리하면 다음과 같다.
|
고장력 볼트의 등급 |
고장력 볼트 호칭 |
공칭단면적 (mm2) |
설계볼트장력1) (kN) |
표준볼트장력2) (kN) |
시험볼트 장력의 평균값 범위3) (kN) |
토크 계수값4) k |
조임 토크값5) (kN‧m) |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
|
F8T |
M16 M20 M22 M24 |
201 314 380 452 |
84 131 163 189 |
92 144 179 208 |
85~95 135~150 170~185 195~215 |
0.15 |
0.221 0.432 0.591 0.749 |
|
F10T |
M16 M20 M22 M24 M27 M30 |
201 314 380 452 572 708 |
105 164 203 236 307 376 |
116 180 223 260 338 414 |
105~120 170~185 210~230 245~270 315~355 390~435 |
0.15 |
0.278 0.540 0.736 0.936 1.369 1.863 |
|
F13T |
M16 M20 M22 M24 |
201 314 380 452 |
136 213 264 307 |
150 234 290 338 |
140~155 220~240 275~300 320~350 |
0.15 |
0.360 0.702 0.957 1.217 |
고장력볼트의 조임 토크값
주 1) KS B 1010 표3에 규정된 볼트의 최소 인장하중에 0.67을 곱한 값.
2) 표준볼트 장력값은 설계볼트 장력에 1.1을 곱한 값
3) 시공 전 축력계로 측정한 시험볼트 5세트의 장력 평균값 범위
4) 토크 계수값은 가정한 값임.
5) 조임토크값 : k x d x N/1000 ←N(표준볼트 장력)
6. 결론
고장력 볼트의 체결치 토크렌치의 토크값 계산에 대해 알아보았다.
(1) 토크렌치의 토크값 계산 순서는 다음과 같다.
i. 고장력 볼트의 등급과 호칭을 확인한다.
ii. 설계볼트 장력과 표준볼트 장력을 계산한다.
iii. 시험을 통해 토크계수값을 확인한다.
iv. 조임 토크값을 계산한다.
고장력볼트의 적정 조임 토크값을 산정하여 현장에서 볼트 조임시 소정의 인장력이 도입 되도록한다.
(2) 볼트의 길이는 조임길이(볼트접합되는 판들의 두께 합)에 더하는 길이(너트 1개, 와셔 2개 두께와 나사피치 3개의 합)으로 적용하도록 한다.
참고문헌
[1] KCS 14 31 25 볼트 접합 및 핀 연결
[2] KS B 1010 마찰 접합용 고장력 6각 볼트ㆍ6각너트ㆍ평와셔의 세트
[3] KS B 0201 미터 보통 나사
[4] 01 Design data book 社団法人日本橋梁建設協会
[5] ISO 898-1 Mechanical properties of fasteners made of carbon steel and alloy steel
[6] 한국미스미 홈페이지 https://kr.misumi-ec.com/
[7] TOHNICHI America https://www.tohnichi.com/torque-technical-data.htm
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국내 설계 업계에서 근무하고 있습니다.
교량, 지중 구조물 등의 설계에 참여하였고, 해석 프로그램은 주로 MIDAS Civil을 사용하였습니다.
여러분께 도움이 되었으면 합니다.
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