체결 구멍을 엇갈리게 배치하는 이유

질문, 그리고 모두 그럴듯한 세 가지 답

“대부분의 문 경첩 나사 구멍은 왜 지그재그로 배치되어 있습니까?”라는 질문은 Engineering Stack Exchange에서 약 6,000회 조회되었습니다. 추천을 가장 많이 받은 세 답변은 서로 다른 세 가지 메커니즘을 제시합니다. 응력이 집중되는 평면을 피한다, 나사 사이에서 목재가 결을 따라 갈라지는 것을 막는다, 그리고 “두루마리 휴지의 절취선 같은 패턴”을 만들지 않고 더 많은 나사가 건전한 재료에 박힐 기회를 준다는 것입니다.

세 답 모두 실재하는 무언가를 가리킵니다. 그러나 어느 것도 관련 표준이 실제로 말하는 내용은 아니며, 표준 쪽이 더 흥미롭습니다.

유로코드 5가 실제로 주는 것

EN 1995-1-1에는 결에 평행한 열로 박은 못에 관한 조항이 있습니다. 못을 엇갈리게 하지 않으면 모두를 온전한 값으로 계산할 수 없습니다. 열은 유효 개수로 감소됩니다.

n_ef = n^k_ef

그리고 k_ef는 결 방향 간격에 따라 달라집니다.

이어서 조항은 이 감소가 “그 열의 못이 결에 수직으로 최소 1 d 엇갈려 있으면”(번역) 적용되지 않는다고 말합니다. 따라서 구멍을 지름 하나만큼 엇갈리게 한 보상은 0.7로, 간격이 좁고 선천공했다면 0.5로 감소되었을 열이 온전히 계산된다는 것입니다.

여기의 조항 번호와 표 번호는 EN 1995-1-1:2004+A2:2014 기준이며 이 판은 여전히 유효합니다. 두 번째 세대의 판이 있으나 최종 문구는 확인하지 않았고, 그 초안도 같은 생각을 간격이 아니라 유효 개수로 다루었습니다.

강구조 기준도 다른 화폐로 엇갈림에 보상합니다

인장재에 대각선으로 이어진 구멍 열이 있으면, 두 주요 강구조 기준 모두 경로의 대각선 구간에 대해 순폭에 일정량을 되더해 줍니다. AISC 360은 다음과 같습니다.

b_n = b_g − Σd_h + Σ s²/(4g)

여기서 s는 엇갈린 구멍 사이의 부재 길이 방향 피치, g는 폭 방향 게이지입니다. EN 1993-1-1은 같은 생각을 공제 방식으로 표현합니다. 구멍을 지나는 직선 경로와 지그재그 경로를 모두 검토하고 가장 작은 순단면적이 지배합니다.

이 항이 하는 일을 읽어 보십시오. 일직선으로 늘어선 구멍은 그 폭을 전부 빼앗습니다. 엇갈리게 하면 파단 경로가 대각선으로 가야 하므로 더 길어지고, 기준은 그 수고에 대해 s²/4g를 돌려줍니다. 전혀 다른 두 재료, 전혀 다른 두 파괴 형식인데도 두 기준 모두 구멍을 일렬로 두지 않는 것에 보상합니다.

목재에서 실제로 일어나는 파괴에는 이름이 네 개 있습니다

“약한 평면”은 통속적인 설명입니다. 목재 접합부 연구는 적어도 네 가지 취성 파괴 형식을 구분하며, 이들은 같은 것이 아닙니다.

• 할렬 — 결에 직각인 인장으로 인해 열을 관통하며 결을 따라 진행하는 균열입니다.
• 열 전단(열 뜯김) — 결 방향의 거의 평행한 전단 균열 두 개가 열을 포함한 좁은 띠를 뜯어냅니다.
• 군 뜯김 — 여러 열로 둘러싸인 블록 전체가 뽑혀 나옵니다. 체결재가 전체 두께를 관통하면 블록 전단, 일부만 박혀 있으면 플러그 전단이라고 합니다.
• 순단면 인장 — 구멍 사이에 남은 단면이 열을 따라가 아니라 부재를 가로질러 파괴됩니다.

나사 세 개가 한 열로 있는 경첩 날개에 대해 방어할 수 있는 진술은 좁습니다. 결 방향으로 일렬로 박은 나사는 할렬을 촉진할 수 있고, 의미 있는 횡방향 전단이 있다면 열 전단 경로도 가능합니다. 이를 블록 전단이나 군 뜯김이라고 부르면 틀립니다. 여러 열로 둘러싸인 블록이 없기 때문입니다.

그리고 이는 위험이지 확실한 결과가 아닙니다. 결 방향 일렬 배치, 지나치게 좁은 간격, 파일럿 구멍 없음, 건조한 목재, 갈라지기 쉬운 수종일수록 위험이 커집니다. 일렬로 박은 나사 중 많은 수는 아무것도 갈라지게 하지 않습니다.

그런데 경첩 표준은 다른 이야기를 합니다

이 글의 방향을 바꾼 부분이 여기입니다.

상업용 경첩의 구멍 배치는 즉흥적으로 정해진 것이 아닙니다. 템플릿 경첩은 ANSI/BHMA A156.7이 정하며, 이 표준의 명시된 목적은 치수 호환성입니다 — 적합한 경첩이라면 같은 템플릿으로 가공한 어떤 문과 문틀에도 맞도록 하는 것입니다. 이 표준은 엇갈림 배치가 목재 할렬을 막기 위한 것이라고 주장하지 않습니다.

두 가지는 동시에 참일 수 있으며 둘을 구분해 둘 가치가 있습니다. 엇갈림 배치의 역학적 이점은 실재하며 다른 기준에 규정되어 있습니다. 눈앞의 특정 배치는 부품이 호환되도록 표준화된 것입니다. 어떤 경첩의 모양이 목재 역학 때문이라는 것을 주된 이유로 입증할 수는 없었으며, 그렇게 주장하지도 않겠습니다.

다른 곳에도 적용할 수 있는 질문

여기서 얻을 유용한 습관은 “항상 엇갈리게 하라”가 아닙니다. 배치가 의도적으로 보이면 어떤 표준이 그것을 정했고 그 표준이 무엇을 최적화했는지 찾아보라는 것입니다. 때로는 강도이며, 그 경우 기준은 그것이 얼마의 가치인지 정확히 알려 줍니다 — 0.5에서 1.0으로 돌아가는 k_ef나 s²/4g 항처럼요. 때로는 호환성이며, 역학은 아무도 의도하지 않은 행운의 부수 효과입니다.

이 모든 것 아래에 있는 질문은 모재가 어떻게 거동하느냐입니다. 모재가 너트 역할을 할 수 없을 때와 플라스틱용 나사를 참고하십시오. 더 넓은 결정 순서는 나사 사양 지정(영어)에 있습니다.

참고 자료

• EN 1995-1-1:2004+A2:2014 — 유로코드 5, 8.3.1.1(8)항과 표 8.1, 8.2
• AISC 360, B4.3b절 — 엇갈린 구멍 열의 순폭
• EN 1993-1-1:2005+A1:2014, 6.2.2.2(4) — 엇갈린 구멍의 공제
• COST Action FP1402, Design of Connections in Timber Structures — 취성 파괴 형식
• ANSI/BHMA A156.7 — 템플릿 경첩 치수
• “Why are screw holes in most of the door hinges in zigzag orientation?”, Engineering Stack Exchange

이 페이지는 하나의 관례 뒤에 있는 논리와 설계 기준이 그것을 정량화하는 곳을 설명합니다. 특정 접합부의 값은 도면과 도면이 인용한 표준이 정합니다.

이 글은 1단계: 모재를 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

유로코드 5에서는 체결재를 엇갈리게 하면 간격을 줄일 수 있습니까?

아닙니다. 엇갈림 배치는 열 사이 최소 간격을 완화하지 않습니다. 8.3.1.1(8)항이 하는 일은 유효 개수 감소를 없애는 것입니다. 결에 평행한 못 열은 원래 n의 k_ef 제곱으로 계산되며, 간격이 좁고 선천공한 체결재에서는 k_ef가 0.5까지 낮아질 수 있습니다. 결에 수직으로 지름 하나 이상 엇갈리게 하면 열이 온전히 계산됩니다.

강구조 기준은 왜 엇갈린 구멍을 다룹니까?

대각선 구멍 열을 지나는 파단 경로가 직선 경로보다 길기 때문입니다. AISC 360 B4.3b절은 대각선 구간마다 s 제곱을 4g로 나눈 값을 순폭에 되더하며, s는 부재 길이 방향 피치, g는 폭 방향 게이지입니다. EN 1993-1-1은 같은 생각을 공제 방식으로 표현합니다. 직선 경로와 지그재그 경로를 모두 검토하고 가장 작은 순단면적이 지배합니다.

일직선으로 박은 나사는 목재를 갈라지게 합니까?

그럴 수 있으며, 결 방향 일렬 배치, 지나치게 좁은 간격, 파일럿 구멍 없음, 건조한 목재, 갈라지기 쉬운 수종일수록 위험이 커집니다. 확실한 결과는 아닙니다. 공식적인 파괴 형식은 서로 다릅니다. 할렬은 결에 직각인 인장으로 결을 따라 생기는 균열이고, 열 전단은 체결재 열을 따라 띠를 뜯어냅니다. 나사 세 개의 단일 열은 군 뜯김도 블록 전단도 아닙니다.

경첩 구멍은 강도 때문에 엇갈려 있습니까?

그것을 정한 표준에 따르면 아닙니다. ANSI/BHMA A156.7은 템플릿 경첩의 치수를 규정하며 명시된 목적은 치수 호환성입니다. 적합한 경첩이라면 같은 템플릿으로 가공한 어떤 문에도 맞도록 하는 것입니다. 엇갈림 배치의 역학적 이점은 실재하며 목구조와 강구조 설계 기준에 규정되어 있지만, 그것이 특정 경첩 배치의 이유라는 것은 입증할 수 없었습니다.

두루마리 휴지 절취선 비유는 정확합니까?

그림으로는 맞고 메커니즘으로는 틀립니다. 절취선이 있는 종이가 찢어지는 주된 이유는 절취선 부분의 순단면이 작고 노치가 의도적이기 때문입니다. 목재 접합부는 대개 결에 직각인 인장이나 결 방향 전단으로 파괴되며, 이는 겉보기에 비슷한 곳에서 끝나는 다른 과정입니다. 개념을 기억하는 데는 좋고 설명하는 데는 나쁜 비유입니다.