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금속 정보/금속 가공

볼트 사이즈의 결정 방식, 강도 계산 방법을 알아보자

by KaNonx카논 2022. 10. 24.
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볼트 사이즈의 결정 방식, 강도 계산 방법을 알아보자

"이 부품의 볼트 사이즈는 어느 정도가 적정할까?"
"볼트 사이즈를 결정하려면 무엇을 근거로 하면 좋을까? 안전율의 기준은?"
"볼트강도 계산 방법을 알고 싶다"

이런 고민을 하고 계시는 설계자 분들이시라면

이번 포스팅을 참조해 주시기 바랍니다.

 

볼트 사이즈를 결정할 때 무엇을 기준으로 해야 할지 모르거나

강도 계산 잘 못한다는 의식이 있거나 하는 분도 있을지도 모릅니다.

이에 본 포스팅에서는볼트 사이즈를 정하기 위해서 필요한 전제 지식과

실제의 강도 계산 방법을 해설합니다.

 

소개하는 것은 간단한 계산 방법이기 때문에 설계 초심자도 꼭 참고로 봐주세요.

 


1.[필요한 정보는 2개] 볼트 사이즈의 결정 방식

볼트 사이즈는 가담한 힘에 대해서 볼트가 그 기능을 할 수 없게 되는

한계치에 안전률을 고려하고 결정합니다.

 

여기에서는 볼트 사이즈를 정하기 위해서 필요한 2개의 정보,

"안전률""강도의 한계치."에 대해서 해설합니다.

 

1-1. 최대의 안전율을 사용한다

강도 계산은실제로 볼트에 걸리는 하중을 크게 견적할 필요가 있습니다.

즉, 실제의 하중보다 높게 안전률을 고려하는 것인데,

그 수치로는 언윈(Unwin)에 의한 값을 사용하면 됩니다.

 

엄밀히 말하면 많은 조건을 고려하여 상세한 계산을 실시합니다.

그러나 조금 지나친 설계가 허용되거나 받은 하중의 크기를 정확히 알지 못하는 경우는

이 안전률을 이용하여 간이적으로 선정하는 것을 추천합니다.

 

응력 집중 계수 등 다양한 인자를 고려할 필요가 없어지고

수고를 들이지 않고 강도를 계산할 수 있기 때문입니다.

 

언원의 안전율

정하중 동하중
한쪽 만 되풀이 재하 두 만 되풀이 재하 충격, 변동 하중
3 5 8 12

※상소는 재료가 강철의 경우 수치를 나타낸다.

 

1-2. 강도의 한계 값은 항복점에

볼트 사이즈를 결정할 때 언윈의 안전률을 곱한 하중이

강도의 한계치를 넘지 않도록해야 합니다.

 

강도의 한계 값으로는 인장 강도, 항복점이 꼽히는데, 후자를 고르도록 하죠.

 

언원의 안전률은 경험적으로 결정된 추정치 때문에

이론적 근거가 부족하다는 결점이 있습니다.

 

그래서 언원의 안전율을 사용할 때는, 항복점을 골라잡는 것이 안전합니다.

 

아래 표는볼트의 사이즈 강도 구분별로 항복 하중을 정리한 것입니다.

강도 계산 시 활용하세요.

 

※강도 계산을 간단하게 하기 위해서, 항복점(단위 kN/mm2)이 아니라 항복 하중(단위 kN)의 수치를 올리고 있습니다.

 

볼트의 항복 하중(단위 kN)

나사 사이즈 유효 단면적(mm^2) 강도 구분
4.6 6.8 8.8 10.9 12.9
M4 8.78 2.1 4.2 5.6 8.3 9.7
M5 14.2 3.4 6.8 9.1 13.3 15.6
M6 20.1 4.8 9.6 12.9 18.9 22
M8 36.6 8.8 17.6 23 34 40
M10 58.0 13.9 28 37 55 64
M12 84.3 20 40 54 79 93
M16 157 38 75 100 148 173
M20 245 59 118 162 230 270

 

2.[계산 예를 소개] 볼트의 강도 계산 방법

지금까지 설명하고 온 내용을 누른 뒤 실제 볼트의 강도 계산 방법를 해설합니다.

 

이번 계산 조건은 아래 그림처럼 측면에 2개의 볼트로

설치한 부품의 첨단에 500N의 정적 하중이 걸린 경우를 상정합니다.

기본적인 계산 순서로 해서는 다음과 같은 맥락에서 실시하면 됩니다.


순서 ①:볼트에 걸리는 하중을 확인한다
순서 ②:하중에 안전률을 곱해서 항복 하중과 비교한다

2-1. 순서 ①:볼트에 걸리는 하중을 확인한다
우선 해야 할 일은 볼트에 걸리는 하중을 확인하는 것입니다.

 

나사부에 걸리는 하중의 종류나 크기를 정하지 못하면

볼트 사이즈를 정하지 못하기 때문입니다.


볼트에 걸리는 하중은 모멘트 계산에 의해서 구합니다.

모먼트 계산의 핵심은 부품에 힘이 가해질 때 움직이지 않는 점을 보기입니다.

윗 그림과 같이 부품의 첨단에 수직 하중 F1이 걸리면

A점을 지점에 부품이 회전하게 움직이며 볼트를 빼내힘 F2이 기능합니다.

이 뽑아 힘에 대해서 2개의 볼트는 저항하기 때문에 

A점을 중심으로 한 모먼트의 균형을 생각하면 다음의 식이 성립됩니다.

F1×120=F2×30×20


이 식을 정리하면 볼트 1개에 걸린 장력 F2는

F2=(500×120)/(30×2)=1000N=1kN


로 산출할 수 있었습니다.

 



2-2. 순서 ②:하중에 안전률을 곱해서 항복 하중과 비교한다


이번에는 정적 하중 때문에 안전률은 3입니다.

볼트에 걸리는 하중으로 안전률을 확인하면,

F2×3=3kN


으로 항복 하중의 표에서
적절한 크기의 볼트는 "강도 구분 4.6의 M5볼트"것으로 조사됐습니다.

이상이 볼트의 강도 계산 방법이 됩니다.

 


정리


이번에는 볼트 사이즈를 결정하는 방법에 대해서 해설했습니다.

소개한 안전률과 강도의 사고 방식으로 안전하게 효율적인 강도 계산되게 됩니다.

이번 소개한 내용이 참고가 되면 다행이라고 생각합니다.

 

 

 

 

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