길이는 맞았는데 체결부가 풀렸습니다

길이가 실제로 하는 일

체결부를 붙잡는 것은 나사를 늘여서 만들어 낸 체결 축력입니다. 이 늘어남은 탄성 변형입니다 — 나사는 당겨져서 원래대로 돌아가려는 스프링입니다 —. 그리고 늘어나는 부분은 머리와 첫 번째 물린 나사산 사이에 끼인 길이, 곧 체결 길이입니다.

다만 그것이 스프링 전체는 아니며, 이 근사가 마치 모델 자체인 것처럼 쓰이기 때문에 정확히 짚어 둘 필요가 있습니다. VDI 2230은 볼트의 탄성 컴플라이언스를 다섯 부분의 직렬 연결로 구성합니다. 머리, 몸통, 하중을 받는 자유 나사부, 물린 나사부, 그리고 너트 또는 암나사 구멍 영역입니다. 체결 길이는 그중 가장 크고 설계자가 직접 정하는 부분이기 때문에 결과를 좌우합니다 — 나머지가 영이어서가 아닙니다.

짧은 나사가 받은 것을 더 많이 잃는 이유

머리 아래와 나사산에서는 표면 거칠기가 하중을 받아 눌려 평평해집니다. 이것이 접촉면 자리잡음이며, 한 가지 성질 때문에 이해해 둘 가치가 있습니다. 이것은 백분율이 아니라 절대 거리입니다. 몇 마이크로미터의 돌기가 눌리는 양은 나사가 M2이든 M12이든 똑같이 몇 마이크로미터입니다.

반면 체결 축력을 저장하는 늘어남은 절대량이 아닙니다. 체결 길이에 비례해 커집니다. 따라서 같은 몇 마이크로미터가 긴 나사보다 짧은 나사에서 초기 체결력의 훨씬 큰 비율을 빼앗습니다 — 작은 나사가 초기 체결력을 더 큰 비율로 잃는 것과 같은 이유를 반대쪽에서 본 것입니다.

• 체결 길이를 늘리는 편이 대개 지름을 키우는 것보다 쌉니다. 스페이서나 더 긴 보스는 나사산, 공구, 구멍을 바꾸지 않고 스프링을 늘립니다
• 피로에 대한 답이기도 합니다. 더 길고 덜 강한 나사는 변동하는 외부 하중을 더 적게 분담합니다. 하중이 나사와 체결부의 상대 강성에 따라 나뉘기 때문입니다
• 체결 길이가 아닌 길이에는 이 중 어느 것도 해당하지 않습니다. 늘어난 길이가 너트 밖으로 튀어나온 긴 나사는 예전과 같은 스프링을 가집니다

그래서 더 길게 지정하면 — 바로 여기서 잘못됩니다

막힌 암나사 구멍에서 너무 긴 나사는 바닥에 닿습니다. 머리가 표면에 닿기 전에 나사 끝이 구멍 바닥에 먼저 닿는 것입니다. 드라이버에는 여전히 저항이 느껴지고, 토크는 계속 올라가고, 토크 렌치도 딸깍 소리를 냅니다.

같은 계산은 구멍의 반대쪽 끝에서도 문제를 일으킵니다. 암나사 구멍에는 바닥이 있고, 탭이 멈춘 자리의 불완전 나사부가 있으며, 드릴 깊이보다 짧은 유효 나사 깊이가 있습니다 — 그리고 나사산 물림 길이는 구멍의 밀리미터가 아니라 하중을 받는 나사산 수로 셉니다.

길이가 생각하는 곳에 있지 않은 두 군데

• 기준점은 머리 형상에 따라 달라집니다. 접시머리 나사의 표기 길이는 머리를 포함한 전체 길이이고, 대부분의 다른 머리는 머리 아래부터 잽니다. 따라서 “M3 × 10”은 머리에 따라 쓸 수 있는 나사 길이가 다르며, 이는 호칭이 알고 있으리라 은근히 전제하는 것들 중 하나입니다
• 불완전 나사부는 나사가 아닙니다. 나사부가 몸통과 만나는 곳에는 하중을 지지하지 못하는 불완전한 나사산이 있습니다. 불완전 나사부가 너트나 암나사 구멍 안에 놓이면 물림 길이는 도면이 암시하는 것보다 짧아지며, 그것도 응력이 가장 높은 끝에서 짧아집니다

돌출 길이에 관한 관행은 여기서 나왔으며, 하나의 규칙이 아니라 여러 관행입니다. 규정에 따라 면일치, 한 피치, 또는 두 피치를 요구하며, 익숙한 “완전 나사산 두 개”는 ISO 요구 사항이 아니라 현장 습관입니다. 공통점은 그 이유입니다. 너트 면과 딱 맞게 끝나는 나사는 그것만으로는 아무것도 말해 주지 않습니다. 끝에 가장 가까운 나사산이 불완전한 것이기 때문입니다 — 그래서 점검은 불완전한 부분이 너트 밖에 있음을 확실히 보여 줄 만큼 나사산이 보이도록 요구하는 것입니다. 어느 관행을 적용할지는 경험칙이 아니라 해당 사양서가 정할 문제입니다.

그러니 질문은 “얼마나 길게”가 아닙니다

• 이 길이 중 얼마가 체결 길이입니까? 대부분이라면 체결부는 잘 거동합니다. 대부분이 암나사 구멍 안에 있거나 너트 밖으로 튀어나와 있다면, 그 길이는 보이는 만큼의 효과를 내지 못합니다
• 구멍이 막힌 구멍입니까, 그리고 유효 나사 깊이는 얼마입니까? 드릴 깊이가 아니라 — 탭이 끝나기 전까지의 깊이입니다
• 호칭은 어느 기준점을 씁니까? 접시머리는 전체 길이로, 나머지는 머리 아래부터 잽니다
• 지키려는 초기 체결력의 상한은 무엇이 정합니까? 길이는 그중 얼마가 남는지를 정하고, 강도 등급은 처음에 얼마까지 걸 수 있었는지를 정합니다. 하나의 질문의 두 절반입니다
• 이 체결부에 변동 하중이 걸릴 것으로 예상됩니까? 그렇다면 체결 길이는 조립 변수만이 아니라 피로 변수이며, 의사결정 순서에서 보통보다 더 앞에 와야 합니다(영어)

여담: 전단 문제, 대개는 잘못된 질문

여기에는 정당한 설계 방식이 두 가지 있고, 서로 바꿔 쓸 수 없습니다. 미끄럼 임계 이음은 체결 축력이 만든 접촉면 사이의 마찰로 횡하중을 전달하며, 미끄러져서는 안 된다는 전제로 설계합니다. 지압형 이음은 체결 부품의 전단과 구멍 벽면의 지압으로 하중을 전달하며, AISC는 같은 고장력 볼트가 두 방식 모두에 쓰인다고 명시합니다 — 대부분의 지압형 접합에는 밀착 조임 볼트로 충분합니다.

따라서 질문은 “나사가 핀처럼 작용하고 있는가”가 아니라 이 체결부가 둘 중 어느 쪽으로 설계되었는가입니다. 미끄러진 미끄럼 임계 이음은 설계의 근간을 잃은 것이며, 접촉면에서의 움직임은 초기 체결력을 풀어 버리는 메커니즘입니다. 지압형 이음은 볼트에 지압으로 기대고 있다고 해서 파손된 것이 아닙니다. 그것이 본래 역할입니다.

체결 부품이 실제로 전단을 받는 경우, 나사가 없는 몸통을 전단면에 두면 단면이 더 크고 응력을 집중시키는 나사산 골도 없습니다 — AISC 360은 나사부가 전단면에서 제외된 경우에 포함된 경우보다 높은 공칭 전단 응력을 부여하며, 반대 방향으로 보면 대략 0.83의 비율입니다. 둘 다 허용되며, 나사부 포함 값으로 설계하는 것은 실수가 아니라 정당한 선택입니다. 다만 그렇다면 몸통 길이는 남는 치수가 아니라 의도적으로 정한 치수라는 뜻입니다.

그 치수가 실제로 얼마가 되는지도 마음대로 정할 수 있는 것이 아닙니다. 제품 표준은 나사부 길이를 빼고 거기에 다섯 피치를 더 뺍니다. 그래서 짧은 부분 나사 볼트는 흔히 하는 뺄셈보다 몸통이 짧습니다.

이 글은 2단계: 나사산를 다룹니다. 전체 순서는 모재, 나사산, 머리, 구동부, 표면 처리, 문서이며, 순서를 바꾸면 재작업이 되는 이유는 영어 글 Specifying a screw에 설명되어 있습니다.

자주 묻는 질문

더 긴 나사가 더 강합니까?

늘어난 길이가 체결 길이일 때만 그렇습니다. VDI 2230은 볼트 스프링을 머리, 몸통, 자유 나사부, 물린 나사부, 너트 또는 암나사 구멍 영역이라는 다섯 부분의 직렬 연결로 구성하며, 체결 길이는 그중 가장 크고 설계자가 직접 정하는 부분입니다. 체결 길이가 길면 같은 체결 축력을 더 큰 늘어남으로 저장하므로 체결부가 접촉면 자리잡음에 덜 민감해지고, 나사가 변동 외부 하중을 더 적게 분담합니다. 너트 밖으로 튀어나온 나사부는 아무것도 보태지 않으며, 암나사 구멍 안에 물린 나사부는 대체 길이를 통해 기여합니다.

막힌 구멍에 비해 나사가 너무 길면 어떻게 됩니까?

바닥에 닿습니다. 머리가 표면에 닿기 전에 나사 끝이 구멍 바닥에 닿으므로, 토크는 나사를 체결부에 맞서 늘이는 대신 구멍 바닥으로 밀어붙이는 데 쓰입니다. 머리가 끝내 닿지 않는 극단적인 경우에는 체결 축력이 전혀 없고, 그 직전까지는 초기 체결력이 남은 만큼뿐인데 이는 예측할 수 없고 대개 턱없이 부족합니다. 어느 쪽이든 공구는 체결부가 아닌 다른 것을 나타내는 숫자를 보여 주므로, 막힌 구멍의 체결부가 뚜렷한 원인 없이 풀릴 때 가장 먼저 확인할 만합니다.

작은 나사가 큰 나사보다 초기 체결력을 더 많이 잃는 이유는 무엇입니까?

접촉면 자리잡음은 절대 거리이고 탄성 늘어남은 그렇지 않기 때문입니다. 머리 아래와 나사산에서 표면 거칠기가 눌리는 몇 마이크로미터는 크기와 관계없이 몇 마이크로미터인 반면, 체결 축력을 저장하는 늘어남은 체결 길이에 비례합니다. 따라서 같은 손실이 짧은 나사에서는 초기 체결력의 훨씬 큰 비율을 빼앗습니다. 이는 품질 문제가 아니라 기하학적 결과이며, 체결 길이를 늘리는 것이 직접적인 해결책입니다.

너트 밖으로 나사산이 몇 개 나와야 합니까?

하나의 규칙은 없습니다. 사양에 따라 면일치, 한 피치, 또는 두 피치를 요구하며, 익숙한 “완전 나사산 두 개”는 ISO 요구 사항이 아니라 현장 습관입니다. 공통점은 이유입니다. 나사 끝에 가장 가까운 나사산이 불완전한 것이므로, 너트 면과 딱 맞게 끝나는 나사만으로는 너트가 완전히 물렸다는 것을 보여 주지 못합니다. 어느 관행을 적용할지는 해당 사양서가 정할 문제입니다.

나사가 없는 몸통을 전단면에 두어야 합니까?

그러면 전단 내력이 커집니다. 몸통은 나사부보다 단면이 크고 응력을 집중시키는 나사산 골이 없으며, AISC 360은 나사부가 전단면에서 제외된 경우에 더 높은 공칭 전단 응력을 부여합니다. 그러나 둘 다 허용되며, 더 낮은 나사부 포함 값으로 설계하는 것도 정당한 선택입니다. 먼저 물어야 할 것은 어떤 종류의 체결부인가입니다. 미끄럼 임계 이음은 접촉면 사이의 마찰로 하중을 전달하며 미끄러지지 않도록 설계하고, 지압형 이음은 체결 부품을 통해 전단을 전달하도록 설계하며, 같은 고장력 볼트가 두 방식 모두에 쓰입니다.

참고 자료

• ASME B1.1 — Unified Inch Screw Threads (UN, UNR and UNJ Thread Form)
• VDI 2230 Blatt 1 — 고응력 볼트 체결부의 체계적 계산