볼트는 가한 하중의 두 배를 받을 수 있습니다

추가 힘은 어디서 오는가

플랜지, 앵글 다리 또는 엔드 플레이트가 당겨지며 휘면 볼트 선 바깥쪽 접촉면이 압축 상태로 남을 수 있습니다. 남아 있는 이 접촉이 되밀어 냅니다. 그러면 볼트는 가한 인장력과 이 접촉 반력을 모두 평형시켜야 합니다.

이런 일이 생기는 이유는 접촉면이 밀 수만 있고 당길 수는 없기 때문입니다. 하중 가까운 부분이 들리면 원래 넓게 퍼져 있던 압축이 남은 접촉부로 집중되고, 이 집중된 반력이 지렛대 팔 위에 작용합니다.

흔히 하는 말이지만 사실이 아닌 두 가지

“편심 하중이 지렛대 작용을 일으킨다.” 그것만으로는 아닙니다. 부재가 휘면서 볼트 선 바깥쪽에서 접촉을 유지해야 합니다. 강성이 충분한 플랜지나 바깥쪽 접촉이 사라지는 형상에서는 지렛대 작용이 무시할 만하거나 전혀 없을 수 있습니다. 아래에서 설명할 두 배 증가를 얻은 같은 시험 시리즈에서, 플랜지 32 mm, 볼트 20 mm, 웨브 중심선에서 볼트까지 70 mm인 시험체는 분리 전 볼트 힘이 거의 증가하지 않았습니다.

“회전 중심은 플랜지 가장자리다.” 실제 받침점은 남아 있는 압축 접촉 영역입니다. 계산에서는 플랜지 끝에 있다고 이상화하지만 실제로는 하중, 플랜지 두께, 볼트와 웨브 사이 거리, 지지부의 강성에 따라 움직입니다. 물리적 가장자리에 있다고 가정하면 탄성 해석에서 비안전 측이 될 수 있습니다.

얼마나 커지며 피로에 무엇을 하는가

끝단에서 접촉하는 마주 보는 T-스텁에서 분리 시 측정된 지렛대 힘은 가한 하중과 거의 같았습니다. Q/T ≈ 1.0이므로 볼트는 약 2T를 받았습니다. 이것이 제목의 두 배이며, 그 형상에 대한 시험 결과일 뿐 일반적으로 적용할 설계 계수가 아닙니다.

기억할 만한 부분은 피로에 미치는 결과입니다. 이 사례들 사이에서 가한 하중은 바뀌지 않았기 때문입니다.

세 경우 모두 볼트당 0–25 kip의 같은 가한 하중 범위였습니다. 형상만으로 수명이 대략 두 자릿수만큼 달라졌습니다. 또한 지렛대 작용은 평균 응력만이 아니라 응력 범위를 키운다는 점에 주의하십시오. 그래서 피로에까지 영향을 미치며, 볼트 굽힘이 나사산 골의 국부 응력 범위를 더 높일 수 있습니다.

더 세게 조이는 것은 해결책이 아닙니다

본능은 그렇지만 시험 결과는 이를 뒷받침하지 않습니다. 볼트의 초기 체결 축력은 극한 하중에서의 지렛대 힘에 실질적인 영향을 주지 않는 것으로 나타났습니다. 지렛대 반력은 굽힘과 접촉의 기하학적 결과이며 초기 체결력은 지렛대를 없애지 않습니다.

초기 체결력이 실제로 하는 일은 한쪽 벌어짐을 늦추는 것입니다. 그러면 사용 하중 사이클을 기울기가 작은 선형 영역 안에 머물게 할 수 있고, 이 영역에서 볼트는 하중 중 작은 몫만 받습니다. 이는 가치 있는 효과이며 일반적인 인장 조인트에서 초기 체결력이 주는 것과 같습니다. 몫을 줄이는 것이 아니라 분리까지의 여유를 주는 것입니다.

두 전통이 이를 설명하지만 같은 모델은 아닙니다

강구조 실무(AISC Manual Part 9, Design Guide 29)는 T-스텁을 극한 강도 소성 메커니즘으로 다루며 지렛대 팔, 임계 두께, 지렛대 힘을 사용합니다. 기계 설계 실무(VDI 2230-1)는 초기 체결력이 가해진 단일 볼트를 컴플라이언스로 다룹니다. 벌어짐 한계 전에는 볼트 추가 하중이 가한 하중의 일정 비율이고, 한쪽 벌어짐 후에는 이 선형 관계가 벌어짐 작도로 대체됩니다.

두 방식은 같은 물리적 상황을 서로 다른 가정으로 설명하며 서로 바꿔 쓸 수 없습니다. 표기에도 주의해야 합니다. 고전 문헌은 지렛대 힘을 Q로 쓰지만 현행 AISC Manual은 실제 지렛대 힘에 소문자 q를 쓰고 대문자 Q는 무차원 강도 승수에 씁니다. 한 출처의 공식을 다른 출처의 기준으로 읽는 것은 실제로 틀리기 쉬운 경로입니다. 같은 구분은 볼트 그룹이 하중을 나누는 방식에도 이어지며, 거기서는 두 규격이 계수뿐 아니라 임계값에서도 다릅니다.

지렛대 작용은 단순히 “단순 모델이 무너지는 지점”도 아닙니다. 접촉은 이상화된 벌어짐 임계값보다 먼저 줄어들기 시작할 수 있으므로, 조인트가 아직 닫힌 것으로 간주되는 동안에도 일정 하중 계수 모델이 이미 낙관적일 수 있습니다. 볼트는 스프링입니다의 부분 가장자리 벌어짐에 관한 설명도 이 점을 가리킵니다.

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

편심 하중이 걸리면 항상 지렛대 작용이 생깁니까?

아닙니다. 지렛대 작용이 생기려면 볼트 선 바깥쪽에 압축 접촉이 남은 채로 부재가 휘어야 하며, 그래야 남은 접촉이 지렛대 팔 위에서 되밀어 냅니다. 강성이 충분한 플랜지나 바깥쪽 접촉을 잃는 형상에서는 거의 또는 전혀 생기지 않습니다. 다른 시험체에서 볼트 힘이 두 배가 된 같은 시험 시리즈에서도, 플랜지 32 mm에 웨브 중심선에서 볼트까지 70 mm인 시험체는 분리 전 볼트 힘이 거의 증가하지 않았습니다.

초기 체결력을 높이면 막을 수 있습니까?

지렛대 힘 자체는 없앨 수 없습니다. 시험에서 초기 체결 축력은 극한 하중의 지렛대 작용에 실질적인 영향을 주지 않았습니다. 반력은 볼트를 얼마나 세게 당기느냐가 아니라 굽힘과 일방향 접촉에서 나오기 때문입니다. 다만 초기 체결력을 높이면 한쪽 벌어짐이 늦어져 사용 사이클을 볼트가 작은 몫만 받는 선형 영역에 머물게 할 수 있습니다. 따라서 메커니즘을 없애지는 못하지만 피로에는 도움이 됩니다.

추가 하중을 얼마로 가정해야 합니까?

기본값으로 쓸 수치는 없습니다. 볼트 인장력을 두 배로 만드는 약 1.0의 Q/T 비는 끝단에서 접촉하는 마주 보는 T-스텁의 결과이며, 같은 연구의 다른 시험체는 거의 아무것도 보이지 않았습니다. 지렛대 작용은 플랜지 두께, 볼트와 웨브 사이 지렛대 팔, 지지부 강성과 접촉 형상에 따라 달라지므로 설계 방법은 이를 표로 주지 않고 계산합니다.

왜 특히 피로에서 그렇게 중요합니까?

평균 응력만이 아니라 응력 범위를 키우기 때문입니다. 보고된 시험에서 정적 Q/T 값 0.02, 0.19, 0.45는 동일한 가한 하중 범위에서 첫 사이클 볼트 응력 범위 2.2, 3.7, 10.4 ksi를 만들었고, 피로 수명은 3,000,000회 이상에서 약 32,000회로 떨어졌습니다. 볼트 굽힘은 나사산 골의 국부 응력 범위를 공칭 축 방향 값보다 더 높일 수도 있습니다.

참고 자료

• Kulak, Fisher & Struik, Guide to Design Criteria for Bolted and Riveted Joints, 제2판, 17장 (지렛대 작용: §17.3–17.5, 그림 17.6–17.10)
• Thornton, W. A. (1985). Prying Action — A General Treatment. AISC Engineering Journal
• VDI 2230 Blatt 1:2015-11 — Systematic calculation of highly stressed bolted joints (§5.3.2–5.3.3, 하중 계수와 벌어짐 한계)

Q/T 비, 볼트 응력 범위와 피로 수명은 Guide 17장에 기술된 시험체에서 측정한 결과이며 해당 형상에만 해당합니다. 일반적인 지렛대 계수는 없습니다. 지렛대 작용을 없애는 임계 플랜지 두께는 ANSI/AISC 358-22 §13.5에 정의되어 있습니다.