중공 단면 관통 볼트: 볼트가 아닌 핀으로 설계하십시오

IDEA StatiCa Connection의 벤치마크는 그 결과를 보여 줍니다. 동일한 M16 8.8 볼트가 표준 볼트 검토는 통과하지만, 핀으로 모델링하면 만족하지 못합니다. 그 이유와 관통 볼트를 올바르게 설계하는 방법은 다음과 같습니다.

IDEA StatiCa Connection은 거의 모든 접합부 형상을 모델링하고 해석할 수 있습니다. 그러나 일부 연결은 비표준입니다. 적용된 규정에서 제공하는 일반 볼트 검토로는 이러한 연결의 거동을 정확하게 설명할 수 없습니다. 대표적인 예가 관통 볼트로 연결된 중공 단면(주로 RHS 또는 SHS)입니다. 관통 볼트는 단면의 양쪽 벽을 모두 통과하는 긴 볼트 또는 나사봉이며, 머리와 너트는 외측 면에 지압됩니다.

관통 볼트는 블라인드 볼트, Hollo-Bolt, 플로우 드릴 볼트 및 기타 특수 단측 패스너의 대안입니다. 나사봉, 너트, 와셔만 있으면 되므로 조달이 쉽습니다. 그러나 관통 볼트의 역학적 거동은 세 가지 점에서 일반적인 볼트 접합부와 다릅니다.

그림 1 HSS 벽체에 대한 연결: 단일 벽체의 볼트(왼쪽)와 양쪽 벽체를 관통하는 관통 볼트(오른쪽). 출처: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

주요 요점

• 슬리브가 없는 관통 볼트는 볼트로 분류하지 말고 모델에서 핀으로 모델링해야 합니다.
• 내부에 밀착 슬리브가 있는 비프리스트레스 볼트는 슬리브가 휨을 방지하는 경우 표준 볼트로 모델링할 수 있습니다.
• 슬리브가 볼트에 밀착되지 않고 틈새가 의도된 경우에는 볼트를 핀으로 모델링하십시오.
• IDEA StatiCa Connection에서는 이러한 유형의 연결에 마찰 볼트를 사용할 수 없다는 점에 유의해야 합니다.

관통 볼트가 일반 볼트와 다른 세 가지 점

1. 보강되지 않은 중공 단면에서는 볼트에 프리텐션을 도입할 수 없습니다

볼트를 조이면 집중 하중으로 양쪽 벽이 안쪽으로 밀립니다. 중공 단면의 유연한 면은 클램핑되지 않고 변형됩니다. 따라서 관통 볼트는 스너그 조임 볼트를 사용하는 지압형 연결로 제한됩니다. AISC 360-16 Table J3.1에 따른 최소 프리텐션의 약 10 %에 해당하는 스너그 조임 시공도, 벽체가 찌그러지지 않도록 박벽 단면에서는 신중하게 수행해야 합니다. 또한 부재 내부에 빈 공간이 있으므로 스너그 조임으로도 모든 판재를 견고하게 밀착시킬 수 없습니다.

그림 2 관통 볼트에 완전한 프리텐션을 도입할 때 발생할 수 있는 HSS 벽체의 변형. 출처: J. McCormick, Steel Tube Institute (2017)

2. 볼트는 볼트가 아닌 핀으로 거동합니다

판재는 클램핑되지 않으며 서로 접촉하지 않을 수도 있습니다. 따라서 볼트 축부에는 전단력과 휨이 작용하며, 표준 볼트 전단 검토만으로는 그 거동을 파악할 수 없습니다. 관통 볼트는 다음 항목을 검토하여 핀으로 설계해야 합니다.

• 전단력,
• 휨,
• 전단-휨 상호작용.

3. 연결된 플레이트의 지압 저항이 감소합니다

머리와 너트는 일반적인 볼트 접합부처럼 중공 단면 벽체의 외측 면과 내측 면 모두에 지압되지 않고 외측 면에만 지압됩니다. 그립(grip) 구간의 팽창이 구속되지 않으므로 플레이트가 구멍 주위에서 구속되지 않아 국부 좌굴이 발생할 수 있습니다. 지압 저항은 볼트가 아닌 핀의 지압 저항입니다. 이는 중공 단면 벽체와 연결된 플레이트 모두에 적용됩니다.

규정 배경

AISC 360-22, §J3.11(b) (AISC 360-16에서는 §J3.10(c)). 보강되지 않은 HSS를 완전히 관통하는 볼트는 §J7의 핀 지압 검토를 따릅니다.

Rn = 1.8·Fy·Apb, φ = 0.75, Apb = d·tdesign (J7-1)

여기서 “보강되지 않은”은 양쪽에서 볼트 머리와 너트로 구속되지 않고, 충전재나 보강재로도 보강되지 않은 벽체를 의미합니다. 볼트 전단(Eq. J3-1)과 연결된 부재의 나머지 한계 상태는 평소와 같이 검토합니다. AISC 360-16은 관통 볼트의 찢김 파괴(tear-out)를 다루지 않았으며, AISC 360-22에서는 동일한 조항이 볼트 찢김 파괴를 다룹니다. 볼트 간격이 좁거나 볼트가 부재 단부 근처에 있는 경우에는 합리적인 접근 방법이 필요합니다.

EN 1993-1-8. 이에 대한 별도의 절차는 없습니다. AISC와의 유추에 따라 Table 3.10의 핀 규정을 적용합니다.

Fb,Rd = 1.5·t·d·fy/γM0 (지압)

MRd = 1.5·Wel·fyp/γM0 (휨)

(MEd/MRd)2 + (Fv,Ed/Fv,Rd)2 ≤ 1 (전단-휨 상호작용)

슬리브가 있는 관통 볼트는 중공 단면 내부의 볼트가 스페이서 튜브를 통과하는 경우이며, 이 튜브의 내경은 표준 볼트 구멍과 같이 볼트에 밀착되는 크기입니다. 이 튜브는 볼트에 인장력이 작용할 때 중공 단면 벽체의 변형을 방지합니다. 이 경우 각 판재는 표준 볼트 연결과 유사하게 서로 클램핑됩니다. 또한 볼트에 완전한 프리텐션을 도입할 수도 있습니다(CIDECT Design Guide 9, §5.11; Kurobane et al. 2004). 실무에서는 튜브를 슬리브로서 단면에 용접하는 경우가 일반적입니다(Dutta et al. 1998; McCormick 2017). 이 경우 연결은 핀 접합부보다 일반적인 볼트 접합부에 가깝게 거동합니다(McCormick 2017).

그림 3 관통 볼트 위치의 HSS 볼트 슬리브 보강. 출처: M. Manor, Steel Tube Institute (2026)

벤치마크 사례

볼트 어셈블리: 표준 볼트의 거동

용접 SHS 110×110×10 mm는 S355 강재로 제작되며, 표준 M16 8.8 볼트로 단면을 관통하여 8 mm 플레이트에 볼트 접합됩니다. 볼트는 “지압 – 인장/전단 상호작용” 볼트 유형으로 모델링하며, 전단면은 나사부에 있습니다. 모델에는 연결된 플레이트에 작용하는 40 kN의 축력만 재하됩니다. 이 힘은 볼트에 전단력(V = 40 kN)으로 작용하며, SHS에는 전단력과 비틀림 모멘트를 발생시킵니다.

그림 4 관통 볼트를 표준 볼트로 모델링한 IDEA StatiCa Connection의 벤치마크 모델: 플레이트의 40 kN 힘, SHS의 단부 힘, 패스너 설정(M16 8.8, 나사부 전단면, 지압 – 인장/전단 상호작용).

EN 1993-1-8에 따른 볼트 검토

전단력은 거의 전부 첫 번째 전단면(40.0 kN)이 부담합니다. 두 번째 전단면의 잔여 전단력은 무시할 수 있는 수준(1.56 kN)이므로, 두 번째 벽체는 거의 참여하지 않습니다. 볼트는 인장-전단 상호작용 이용률 69.4 %로 검토를 통과하며, 이는 전단 이용률 66.3 %에 의해 결정됩니다.

그러나 보고서에는 경고가 추가됩니다. 연결된 플레이트 사이에 틈이 있고, 수치 모델에서는 볼트의 휨이 고려되지 않으며, 플레이트가 클램핑되지 않는다는 것입니다. 따라서 볼트의 전단 저항과 플레이트의 지압 저항이 부정확할 수 있습니다. 이것이 주의가 필요한 첫 번째 신호입니다.

그림 5 EN 1993-1-8에 따른 볼트 검토(M16 8.8): F_t,Ed = 3.91 kN, 두 전단면에서 F_v,Ed = 40.00/1.56 kN, F_b,Rd = 116.15 kN, 이용률은 인장 4.3 %, 전단 66.3 %, 상호작용 69.4 %이며, 관통 볼트 연결에 대한 경고가 표시됩니다.

볼트의 등가 빔 모델을 사용하면 결과를 쉽게 해석할 수 있습니다. 이 모델은 볼트 길이를 따라 단면력과 응력 분포를 보여 주며 동일한 전단 이용률을 재현하므로, 간단한 정확도 검증 수단이 됩니다.

그림 6 볼트의 등가 빔 모델: 첫 번째 전단면에서 V = 40 kN, 전단 응력 4V/3A = 339.6 MPa, V_Rd = 60.31 kN에 대한 전단 이용률 0.66. 이 모델은 IDEA StatiCa와 독립적으로 단면력과 이용률을 확인해 줍니다.

볼트 어셈블리: 핀으로서의 거동

동일한 모델을 이번에는 “Pin” 패스너로 구성합니다. 핀 요소는 전단력과 휨 모멘트를 부담합니다. 축력은 전달하지 않습니다.

그림 7 관통 볼트를 핀으로 모델링한 벤치마크 모델(플레이트와 SHS의 양쪽 벽을 관통하는 사용자 정의 D16 핀): 플레이트의 40 kN 힘과 SHS의 단부 힘.

EN 1993-1-8에 따른 핀 검토

핀의 휨이 거동에 가장 큰 영향을 미칩니다. 휨만으로도 이용률이 90.9 %에 달합니다. 지압 저항도 볼트로 해석한 경우보다 약 41 % 감소합니다(116.2 kN 대비 68.2 kN). 휨이 전단력과 조합되면 핀 검토를 만족하지 못합니다. 전단-휨 상호작용이 109.5 %에 도달하여 핀이 부적합합니다. 휨 모멘트는 핀이 중공 단면으로 들어가는 위치에서 최대가 됩니다.

그림 8 핀 검토(사용자 정의 D16 핀, f_yp = 640 MPa): F_v,Ed = 39.99 kN, M_Ed = 0.35 kNm, F_v,Rd = 77.21 kN, F_b,Rd = 68.16 kN, M_Rd = 0.39 kNm. 이용률은 전단 58.7 %, 휨 90.9 %, 상호작용 109.5 %입니다. 휨 저항은 EN 1993-1-8의 Table 3.10을 따릅니다.

등가 빔 모델(핀)의 결과

해석 모델은 IDEA StatiCa 지식 베이스 문서 Steel pins의 규칙에 따라 구성할 수 있습니다.

해석적 빔 모델은 IDEA StatiCa Connection 모델과 매우 근접하게 일치합니다. Connection에서는 핀에 하중을 가하는 플레이트의 두께 방향으로 하중이 균일하게 분포합니다. 등가 모델에서는 대신 보수적인 집중력을 사용합니다. 이로 인해 두 모델의 단면력과 이용률에 약간의 차이가 생기며, 빔 모델은 정확도와 타당성을 확인하는 유용한 수단이 됩니다.

전단 이용률 58.7 %는 핀 자체의 전단(51.8 %)이 아니라 연결된 플레이트의 핀 지압 검토에 의해 결정됩니다. 등가 빔 모델에서는 집중력 때문에 휨(0.93)과 전단-휨 상호작용(1.14)이 약간 더 높게 나타납니다. 핀은 예상대로 거동합니다.

그림 9 핀으로 모델링한 관통 볼트의 등가 빔 모델: 첫 번째 전단면에서 V = 40 kN, 핀이 SHS 벽체로 들어가는 위치에서 M = 0.36 kNm, M_Rd = 0.386 kNm에 대한 휨 이용률 0.93, 상호작용 1.14. 핀 지압은 연결된 플레이트에서 0.59, SHS의 두 벽체에서 0.52와 0.05입니다.

제작된 내부 슬리브가 있는 모델

McCormick(2017)은 슬리브를 관통 볼트 연결을 개선하는 가장 일반적인 방법 중 하나로 설명합니다.

“관통 볼트 연결의 성능을 개선하는 가장 일반적인 방법 중 하나는 관통 볼트가 지나가는 슬리브(또는 원형 튜브)를 설치하는 것입니다. 슬리브는 HSS에 구멍을 뚫고, 관통 볼트용 표준 구멍 지름과 같은 내경의 슬리브를 삽입한 다음, 슬리브를 제자리에 용접하여 구현합니다(Dutta et al. 1998). 슬리브를 사용하면 HSS 벽체의 변형을 방지하면서 볼트에 프리텐션을 도입할 수 있습니다. 그 결과 관통 볼트 연결은 핀 접합부보다 볼트 접합부에 가깝게 거동합니다.” (McCormick, Steel Tube Institute, 2017)

그림 10 내부 슬리브를 사용하여 제작한 RHS/SHS 부재.

IDEA StatiCa의 슬리브: 프리텐션이 없는 볼트

RHS/SHS 내부에 용접 슬리브를 모델링하고 볼트에 프리텐션을 도입하지 않는 경우, 위의 문서와 참고 문헌에 따라 IDEA StatiCa에서 관통 볼트를 표준 볼트로 모델링할 수 있습니다. 표준 볼트 모델이 유효하려면 슬리브가 볼트를 정확하게 구속해야 합니다. 슬리브와 볼트 사이에 틈새가 생기면 볼트는 다시 핀 거동을 보입니다.

• 슬리브를 “보강 부재” 제작 작업으로 모델링하더라도, 보고서에는 볼트의 휨이 고려되지 않는다는 경고가 여전히 표시됩니다. 
• 지압 검토는 연결된 판재에 대해 수행됩니다.

그림 11 내부 슬리브와 프리텐션이 없는 M16 8.8 볼트로 제작한 RHS/SHS 연결: EN 1993-1-8 Table 3.4에 따른 지압 저항 검토와 연결된 플레이트 사이의 틈에 대한 경고.

IDEA StatiCa의 슬리브: 마찰 볼트

IDEA StatiCa Connection에서는 이 모델에 마찰(미끄럼 저항) 볼트를 사용할 수 없습니다. 해석은 “플레이트 사이에 틈이 있으면 마찰형 볼트를 사용할 수 없습니다”라는 메시지와 함께 중단됩니다. 여기에는 다음과 같은 이유가 있습니다.

• 모델에서는 프리텐션이 슬리브로 전달되지 않습니다. 볼트는 전단 방향으로 강성이 증대되며, 볼트의 접선 방향 힘이 구멍에 인장과 압축으로 작용합니다. 그러나 축 방향으로는 볼트가 표준 볼트처럼 거동하므로 프리스트레스 상태가 형성되지 않습니다. 슬리브는 프리텐션에 의해 압축되지 않으므로 결과로 얻는 응력 상태는 오해를 일으킬 수 있습니다.

그림 12 내부 슬리브와 프리텐션이 도입된(마찰) 볼트로 제작한 RHS/SHS 연결: 플레이트 사이에 틈이 있으면 마찰형 볼트를 사용할 수 없다는 해석 보고 메시지.

결론

• 슬리브가 없는 관통 볼트는 볼트가 아니라 핀입니다. 프리텐션을 도입할 수 없고, 판재가 클램핑되지 않으며, 볼트 축부에는 전단력과 휨이 작용합니다.
• 이 경우 표준 볼트 검토는 안전하지 않습니다. 벤치마크(SHS 110×110×10, 8 mm 플레이트, M16 8.8, 40 kN)에서 볼트 검토는 69.4 %로 만족합니다. 핀 검토는 전단-휨 상호작용 109.5 %로 불만족이며, 휨만으로도 90.9 %입니다.
• 보고서의 경고를 확인하십시오. IDEA StatiCa Connection은 플레이트 사이의 틈을 경고합니다. 볼트의 휨이 고려되지 않으며 볼트 전단 저항과 플레이트 지압 저항이 부정확할 수 있습니다.
• 지압 저항이 약 41 % 감소합니다. 8 mm 플레이트의 핀 지압은 68.2 kN이며, 볼트 지압은 116.2 kN입니다.
• IDEA StatiCa Connection에서 핀으로 모델링하고 핀 재료에 볼트 강도 등급을 지정하십시오. 핀은 축력을 부담하지 않으므로 필요한 경우 인장 효과를 별도로 검토하십시오.
• 용접 슬리브를 사용하면 볼트 거동이 회복됩니다. 밀착되는 슬리브가 있으면 관통 볼트를 표준 지압 볼트로 모델링할 수 있습니다. 판재 사이에 틈이 있는 경우 IDEA StatiCa Connection에서는 마찰(프리텐션) 볼트를 해석할 수 없습니다.

참고 문헌

• AISC (2022). Specification for Structural Steel Buildings, ANSI/AISC 360-22. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• AISC (n.d.). Design Guide 24: Hollow Structural Section Connections, 2nd edition. American Institute of Steel Construction, Chicago, IL.
• CEN (2005). EN 1993-1-8:2005 Eurocode 3: Design of steel structures – Part 1-8: Design of joints. European Committee for Standardization, Brussels.
• Dutta, D., Wardenier, J., Yeomans, N., Sakae, K., Bucak, Ö. and Packer, J.A. (1998). Design Guide 7: For Fabrication, Assembly and Erection of Hollow Section Structures. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Kurobane, Y., Packer, J.A., Wardenier, J. and Yeomans, N. (2004). Design Guide 9: For Structural Hollow Section Column Connections. CIDECT, TÜV-Verlag, Köln.
• Manor, M. (2026). HSS Bolted Connections: Keep It Together With a Bolt of Confidence. Steel Tube Institute. steeltubeinstitute.org
• McCormick, J. (2017). Connecting Hollow Structural Section Members with Through-Bolts. Steel Tube Institute, July 2017. steeltubeinstitute.org

이 글의 저자: Lukas Juricek, Pavel Kalab, Martin Vild