느슨한 볼트는 약한 이음이 아니라 다른 이음을 만듭니다

이 문서는 건물과 교량용 구조용 강재 사양서입니다. 2020년 6월 11일자 RCSC Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts로, 118쪽 전체를 무료로 받을 수 있습니다. 차량에 관해서는 아무 말도 하지 않으며 여기서도 그 숫자를 차량에 적용하지 않습니다. 거의 어떤 무료 문서도 하지 않는 일을 하기 때문에 인용합니다. 하나의 용어집에서 두 종류의 전단 이음을 나란히 정의합니다.

직접 보지 못한 사진 속 차대를 진단하지 않으며 차량 이름도 밝히지 않습니다.

한 용어집의 두 정의

사양서의 표현에 따른 정의입니다.

볼트도 구멍도 판도 같습니다. 다른 것은 하중 경로입니다. 한쪽에서는 두 체결면 사이 마찰로 하중이 건너가므로 볼트에 전단으로 전달되지 않습니다. 다른 쪽에서는 판이 미끄러져 금속끼리 닿고, 볼트 몸통이 틈을 가로질러 하중을 운반하며 구멍 벽이 판으로 전달합니다.

어느 종류인지 결정하는 양도 정의되어 있습니다. 평균 미끄럼 계수는 “the ratio of the frictional shear load at the faying surface to the total normal force when slip occurs”입니다. 마찰 전단 하중을 수직력으로 나눈 값입니다. 수직력이 없으면 마찰 하중도 없습니다.

어떤 문장보다 식이 더 단호하게 말합니다

5.4절은 볼트당 공칭 미끄럼 저항을 제시합니다. 항을 읽는 것이 논거의 전부입니다.

• µ, 표면 상태에 따른 평균 미끄럼 계수
• D_u, 건축 구조물 1,13, 교량 구조물 1.00
• h_f, 필러 계수 1.0 또는 0.85
• T_m, 최소 볼트 초기 체결력
• n_s, 미끄럼 면 수
• k_sc, 같은 볼트가 외부 인장도 받을 때의 저감

모두 서로 곱합니다. 다음은 표준의 문장이 아니라 계산에 대한 이 사이트의 해석이지만 산술은 명확합니다. 미끄럼 저항은 초기 체결력에 정비례합니다. 초기 체결력을 절반으로 줄이면 저항도 절반입니다. 0으로 만들면 줄일 것이 남지 않습니다.

따라서 조이지 않은 이음은 조인 이음보다 조금 나쁜 상태가 아닙니다. 범주가 바뀌었습니다. 이제 아무도 선택하지 않은 다른 정의의 설계 기준이 적용됩니다.

볼트가 구멍에 닿기 전까지 움직이는 거리

4.1절 해설은 사진이 제기하는 질문에 숫자로 답합니다.

틈새는 얼마입니까? 표 3.1은 공칭 구멍 치수를 제시하며 아래 틈새는 이 사이트가 뺄셈한 결과입니다.

표준 틈새는 1/2~7/8 in에서 1/16 in이고, 1 in에서 1/8 in으로 두 배가 된 뒤 유지됩니다. 표 한 단계에서 두 배가 된다는 지적은 이 사이트의 것이고 표준은 구멍 지름만 인쇄합니다.

3/4 in 볼트가 표준 구멍에 있으면 틈새는 1/16 in입니다. 두 배인 이론상 최대 미끄럼은 1/8 in, 약 3.2 mm입니다. 관찰값은 틈새의 약 절반인 1/32 in, 약 0.8 mm입니다. 같은 볼트를 대형 구멍에 넣으면 틈새가 세 배가 되어 이론상 최대가 3/8 in, 약 9.5 mm입니다.

지지하는 이음과 몸통이 구멍 벽에 닿는 이음 사이의 거리는 몇 밀리미터뿐입니다. 해설은 하중을 가하기 전에도 흔히 일어난다고 덧붙입니다. “Acceptable inaccuracies in the location of holes within a pattern of bolts usually cause one or more bolts to be in bearing in the initial, unloaded condition.”

볼트 등급보다 표면이 더 많은 일을 합니다

살펴볼 또 다른 항은 체결품 특성이 아닌 µ입니다. 사양서는 두 값을 줍니다.

• A급, µ = 0.30. 도장하지 않은 깨끗한 밀 스케일 강재, 블라스트 세정 강재의 A급 코팅 표면, 또는 용융 아연 도금 표면
• B급, µ = 0.50. 도장하지 않은 블라스트 세정 강재 또는 그 위의 B급 코팅 표면

B급은 A급의 5/3이라는 것은 이 사이트의 나눗셈입니다. 접촉면 블라스트 세정은 밀 스케일을 남긴 경우보다 미끄럼 저항을 약 2/3 더 줍니다. 볼트는 달라지지 않았습니다. 용융 아연 도금은 B급이 아니라 A급에 명시됩니다.

일주일 사이 두 번째로 접촉면이 관통하는 하드웨어보다 중요했습니다. 다른 사례는 전류가 준비된 표면을 건너고 체결품은 압력만 유지하므로 스타 와셔를 금지한 본딩 표준이었습니다. 같은 형상에 다른 두 역할이며, 둘 다 체결품은 직접 일하는 대신 체결 축력을 제공합니다.

손조임이 허용되지 않기 시작하는 곳

손조임 이음은 기본적으로 허용됩니다. 4.2절은 초기 체결이 의무인 경우, 4.3절은 미끄럼 임계 이음이어야 하는 경우를 열거합니다. 움직이는 구조물이라면 두 항목을 볼 만합니다.

• 큰 하중 역전을 받는 이음과 하중 방향 역전이 없는 피로 하중을 받는 이음은 초기 체결해야 합니다
• 하중 방향 역전이 있는 피로 하중, 대형 구멍, 대부분의 슬롯 구멍, 접촉면 미끄럼이 구조물 성능을 해치는 경우에는 미끄럼 임계 이음이 필요합니다

해설은 첫 사례를 한 문장으로 설명합니다. “must be slip-critical joints since slip may result in back and forth movement of the joint and have potential for accelerated fatigue failure”. 왕복 운동입니다. 한 번 미끄러져 지압되는 것이 아니라 구멍 벽에 닿고 돌아왔다가 다시 닿습니다.

사진의 메커니즘이며 볼트가 아니라 구멍이 손상된 이유입니다. 이 사양서에서 손조임이 실제로 뜻하는 것은 다른 질문이므로 여기서 반복하지 않습니다.

커진 구멍은 다른 구멍입니다

두 규정이 논리를 마무리합니다. 구멍 형식은 설명만이 아니며 저항 계수가 다릅니다.

둘 다 이 사이트의 관찰입니다. 첫째, 긴 슬롯은 표준 구멍보다 미끄럼 저항이 30% 줄어듭니다. 둘째, 허용 응력 계수는 정확히 1.50을 하중 계수로 나눈 값입니다. 1.50 ÷ 0.85 = 1.7647을 1.76으로, 1.50 ÷ 0.70 = 2.1429를 2.14로 인쇄했습니다. 두 행 모두 정확히 일치하지만 표준은 관계를 말하지 않습니다.

표 3.1 해설은 허용 변형을 넘는 구멍을 “When the dimensions of bolt holes are such that they exceed these permitted variations, the bolt hole must be treated as the next larger type.”이라고 합니다. 커진 구멍은 주석이 붙은 표준 구멍이 아닙니다. 저감이 따르는 대형 구멍이고, 계속 커지면 슬롯입니다.

핵심 정리

• 미끄럼 저항은 초기 체결력에 비례합니다. 초기 체결력은 식의 곱셈 항이므로 0이면 저항도 감소가 아니라 0입니다
• 초기 체결력 없는 이음은 다른 설계 사례로, 볼트 전단 강도와 재료 지압 강도가 지배합니다
• 구멍 벽까지 거리는 짧습니다. 이론상 최대는 틈새의 두 배, 관찰값은 약 절반이며 3/4 in 볼트는 이론상 약 3.2 mm, 실제로 1 mm 미만입니다
• 표준 구멍 틈새는 7/8 in까지 1/16 in이고 1 in에서 1/8 in으로 두 배가 됩니다
• 마찰을 운반하는 것은 볼트가 아니라 접촉면입니다. 블라스트 세정 0,50, 밀 스케일 0.30이며 용융 아연 도금은 낮은 등급입니다
• 역전 피로 하중에서는 손조임 이음이 허용되지 않습니다. 미끄럼이 왕복 운동이 되기 때문입니다
• 공차보다 커진 구멍은 다음 큰 형식으로 재분류되고 각 단계에서 저항이 줄어듭니다
• 어떤 숫자도 차량에 해당하지 않습니다. 구조용 강재 사양서를 수치가 아니라 논리 때문에 인용했습니다

사진 속 볼트는 의도한 방식으로 하중을 운반한 적이 없습니다. 약간 큰 구멍 속 핀이었고 접촉한 둘 중 프레임이 더 연했습니다.

두 범주는 처음부터 있지 않았습니다. 이 사양서는 1951년 모든 이음을 노출 강재에서 초기 체결하는 리벳 하나 자리에 볼트 하나를 넣는 규칙으로 시작했고, 종류 구분은 3년 뒤 생겼습니다.

이음이 움직이도록 설계되는 경우도 있으며 그때는 사양 형태가 완전히 달라집니다. 한 미국 연방 규정은 부품이 계속 미끄러지도록 볼트를 조이라고 요구하고 토크는 전혀 언급하지 않습니다.

이 글은 여섯 단계 중 하나에만 해당하지 않습니다. 여러 단계를 아우르거나 조립 후에 나타나는 문제입니다. 관련 결정은 영어 글 Specifying a screw에서 설명합니다.

자주 묻는 질문

조이지 않은 볼트는 왜 하중만 덜 받지 않고 구멍을 손상합니까?

이음의 범주가 바뀌기 때문입니다. RCSC에서 미끄럼 저항은 미끄럼 계수, 초기 체결력과 다른 계수의 곱이므로 초기 체결력이 없으면 저항도 없습니다. 판은 몸통이 구멍 벽에 닿을 때까지 미끄러지고 하중 경로는 볼트 전단과 연결 재료의 지압으로 바뀝니다.

볼트 이음은 얼마나 미끄러질 수 있습니까?

4.1절 해설은 이론상 최대를 구멍 틈새의 두 배로, 실험실과 현장 관찰값을 틈새의 약 절반으로 제시합니다. 표준 구멍의 3/4 in 볼트 틈새는 1/16 in이므로 이론상 약 3.2 mm이고 관찰값은 1 mm 미만입니다.

표준 볼트 구멍의 틈새는 얼마입니까?

표 3.1에서 이 사이트가 뺄셈한 결과 1/2~7/8 in 볼트는 1/16 in, 1 in 이상은 1/8 in입니다. 대형 구멍은 1/2 in에서 1/8 in, 5/8~7/8 in에서 3/16 in, 1 in에서 1/4 in, 그 이상에서 5/16 in입니다.

미끄럼 임계 이음이란 무엇입니까?

전단 또는 전단과 인장을 전달하며 볼트가 접촉면의 체결 축력인 초기 체결력을 제공하고 준비된 접촉면이 계산 가능한 미끄럼 저항을 내는 이음입니다. 반대인 전단/지압 이음은 볼트 전단 강도와 연결 재료 지압 강도로 설계합니다.

표면 처리가 이음 용량을 바꿉니까?

미끄럼 저항에는 큰 영향을 줍니다. 평균 미끄럼 계수는 깨끗한 밀 스케일과 용융 아연 도금을 포함한 A급이 0,30, 도장하지 않은 블라스트 세정 강재 또는 B급 코팅인 B급이 0.50입니다. 이 사이트의 나눗셈으로 B급은 A급의 5/3이며 볼트는 바뀌지 않습니다.

언제 손조임 대신 초기 체결을 요구합니까?

4.2절은 적용 규정이 요구할 때, 큰 하중 역전, 방향 역전 없는 피로 하중, 인장 피로를 받는 그룹 120 조립품, 인장 또는 전단·인장을 함께 받는 그룹 144나 150 조립품에 초기 체결을 요구합니다.

역전 피로 하중에는 왜 미끄럼 임계 이음이 필요합니까?

해설은 미끄럼이 왕복 운동을 일으켜 피로 파손을 가속할 수 있기 때문이라고 합니다. 한 번의 미끄럼은 볼트를 구멍에 대지만 역전 하중은 다시 돌아왔다가 재차 부딪히게 합니다.

볼트 구멍이 표보다 크면 어떻게 됩니까?

표 3.1 해설은 다음 큰 형식으로 취급하라고 합니다. 서류상 변경만이 아닙니다. 미끄럼 저항 계수는 표준 구멍 1.00에서 대형 구멍 0,85, 긴 슬롯 0.70으로 떨어집니다.

자동차나 기계에도 적용됩니까?

직접 적용되지 않으며 이 페이지도 그렇게 주장하지 않습니다. RCSC는 건물과 교량의 구조용 이음을 다룹니다. 마찰 이음과 지압 이음의 차이를 특히 명확히 설명하고 전체를 무료로 읽을 수 있어 인용했습니다.

참고 자료

• RCSC, Specification for Structural Joints Using High-Strength Bolts, 11 June 2020. 전체 118쪽 무료. 용어집, 표 3.1, 4.1~4.3절 및 5.4절
• r/Justrolledintotheshop, 조이지 않은 서스펜션 암 볼트와 그 손상 사진에서 질문이 나온 곳

RCSC 사양서 118쪽 전체를 무료 다운로드로 읽었습니다. 건물과 교량의 구조용 강재 사양이며 차량, 기계 또는 다른 대상에는 적용되지 않습니다. 어떤 숫자도 옮겨 적용해서는 안 됩니다. 두 전단 이음을 구분하는 방식 때문에 인용했지 숫자를 적용하려는 것이 아닙니다. 직접 보지 못한 포럼 사진의 차대를 진단하지 않으며 제조사나 모델도 밝히지 않습니다. 다음은 사양서의 진술이 아니라 이 사이트의 산술 또는 해석입니다. 식 5.6에서 초기 체결력이 곱셈 항이므로 미끄럼 저항이 정비례하고 없으면 0이라는 결론, B급과 A급의 5/3 비율, 표 3.1에서 볼트 지름을 빼 얻은 틈새와 1 in에서 1/16이 1/8 in으로 두 배가 된다는 관찰, 3/4 in 볼트의 미끄럼 거리, 허용 응력 계수가 정확히 1.50을 해당 하중 계수로 나눈 값이라는 두 행의 일치입니다. 식 5.6과 계수 및 표 3.1은 추출 텍스트가 아니라 인쇄면을 렌더링한 이미지에서 확인했습니다. 표 5.2의 최소 초기 체결력은 옮기지 않았습니다. 이 페이지에 필요 없고 맥락에서 떼기 쉬운 수치이기 때문입니다. 초기 체결력과 유효 단면적의 일반 관계도 제시하지 않습니다. 검증에 필요한 나사산 피치와 면적식이 문서에 없습니다. AISC 360, EN 1090, ASTM F3125는 읽지 않았습니다. 포럼 글만 읽고 답글은 읽지 않았습니다. 손조임의 뜻과 너트 회전법은 이전 글에 있어 반복하지 않습니다.