올바른 볼트 사이즈 선정 방법

볼트 조인트는 엔지니어링, 제조 및 건설에서 매우 당연하게 채택되는 결합 방법입니다. 조인트는 고정 장치로서 간단하게 너트, 볼트 시스템을 사용하는데, 시스템의 복잡성을 간과하고 대충 볼트와 너트의 사이즈를 크게 선정하곤 합니다. 이와 같이 근거 없는 높은 비용이 발생하는 고장과 불신을 초래할 수 있습니다.

1940년 11월 7일 아침, 미국 워싱턴의 타코마와 키탑 반도 사이에 있는 타코마 협로에 바람이 불었습니다. 그러나 그것은 매우 강한 바람은 아니었지만, 그대로 그 협곡을 가로질러 새로 개통된 이중 현수교를 움직이게 했습니다. 근처 카메라 가게 주인인 Barney Elliott 씨가 카메라를 꺼내 사고를 녹화하면서 역사에 기록될 만한 문서가 만들어졌습니다. 바람이 부는 날에는 다리가 흔들리고 휘청거렸다고 알려져 있었는데 이 날, 꼬인 부분이 이른바 비틀림 진동 모드로 바뀌면서 결국 다리가 무너졌습니다만, 다행히도 인명 사고는 없었습니다.2008년 Sound and Vibration 저널에 발표된 논문은 해당 현수교는 여러 볼트에 의해 함께 체결된 북쪽 중간 구간의 케이블 밴드에 설계 능력을 초과하는 힘이 발생하여 미끄러짐(마찰 그립 손실)으로 인해 증가된 공탄성 (aeroelastic) 출렁임에 의해 붕괴되었다고 강조했습니다. 타코마 협교의 붕괴는 오늘날에도 건설 공학 학생들에게 경고이자 교훈이 되고 있습니다.​

볼트를 설계된 축력에 맞게 체결하여 조인트에 압축력을 가해야 최상의 효과를 기대할 수 있습니다. 이것에서 조금이라도 벗어나면 조인트에 문제가 생길 수 있음을 의심해 보아야 합니다. 볼트 조인트의 경우, 완전히 조여진 볼트는 조인트에 가해지는 외부 하중의 일부분(load supported by bolt = Additional bolt load)만 지탱하면 됩니다. 볼트 조인트의 두 단적인 예는 강성 조인트(stiff joint)와 탄성 조인트(elastic joint)로, 강성 조인트는 강성이 낮은 볼트와 강성이 높은 조인트 재질로 이루어지며, 반대로 탄성 조인트는 강성이 높은 볼트와 강성이 낮은 조인트 재질로 구성됩니다. 그림과 같이 탄성 조인트는 외부 하중(applied force)의 작은 비율만 지탱하면 되지만, 강성 조인트는 외부하중의 대부분을 지탱해야 합니다.

Bill Eccles 씨는 볼트 조인트 분야의 전문 컨설턴트이자 볼트 조인트 기술에 대한 해박한 전문지식을 제공하는 볼트 사이언스라는 기업의 설립자로. 그는 볼트 조인트에 가해지는 힘과 그 관계를 이해하고 정량화하여 볼트의 크기를 결정하는 것이 중요하다고 생각합니다.​

"볼트의 일반적인 기능은 조인트에 체결력을 가하여 외부 하중이 주어졌을 때 조인트 분리나 횡방향 움직임이 발생하지 않도록 하는 것입니다. 볼트를 조이면 장력이 가해지며, 조인트를 압축하는 체결력을 제공하기 위해 약간 늘어납니다."
Bill 씨는 또한 가능한 큰 볼트를 사용하는 것이 최선의 해결책은 아니라고 강조합니다.​

"너무 큰 볼트를 사용할 경우 비용에 영향을 미칠 뿐만 아니라 조인트 두께(l)보다 볼트의 직경(d)이 커질수록 볼트의 신장량이 감소합니다. 이는 볼트 체결부에서 침하나 응력이완으로 체결력의 손실이 발생한다는 사실과 관련하여 복잡해집니다. 즉, 볼트를 완벽히 체결한다해도 조인트 재질이 일정 시간 동안 약간의 '압축'을 받게 되고, 사이즈가 큰 볼트를 사용할 경우 볼트의 신장량이 훨씬 줄어 볼트가 풀릴 수 있고, 조인트 사이의 갭을 형성할 수 있다는 것을 의미합니다."

그럼 작은 볼트는 어떻게 될까요?

"작은 볼트의 경우도 마찬가지로 이완 손실로 인해 볼트 축력이 다소 떨어지지만 볼트의 탄성이 더 높기 때문에 심각할 정도는 아닙니다."

Jeff Vogwell 박사는 영국 Bath 대학의 기계공학부 선임 강사입니다. 그가 보기에 필요한 볼트의 크기는 일반적으로 볼트 재료의 강도에 의해 결정됩니다. "사용되는 볼트 크기는 가해질 수 있는 장력의 양에 영향을 미칠 수 있습니다. 일반적으로 볼트 직경이 크거나 볼트 재료가 강할수록 가해질 수 있는 장력이 커집니다."
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Vogwell 박사는 볼트가 장력에 의해 고정되고 이로 인해 체결된 부재가 압축되는 것이 좋은 볼트 조인트라고 말합니다. 체결된 모재 사이의 마찰은 조인트에 미끄러짐(전단)이 발생하지 않도록 도와 볼트를 전단 변형으로부터 보호합니다. 체결부를 분리하려는 모든 힘은 먼저 모재 간의 ‘압축을 해제' 해야 하며, 압축되어 있는 체결부는 외부 하중이 주기를 갖고 반복적으로 발생할 때 볼트를 피로 파괴로부터 보호합니다.

"실린더 헤드를 차량의 엔진 블록에 고정하는 볼트를 조이는 것이 좋은 예입니다. 각 사이클마다 엔진 실린더의 가스 압력으로 인한 하중을 견디는 데는 높은 조임 토크가 매우 바람직합니다." 이와 같이 다수의 볼트 조인트의 복합적인 관계를 형성할 때에는 제작 전에 구조해석을 통해 무결성을 파악하는 것이 필수적입니다.

Nobuyoshi Nina는 Schlumberger Oilfield Services를 지원하는 시추 센터인 영국 글로스터셔의 Stonehouse Technology Center에서 일하는 기계 전문 관리자입니다.​

센터 설계 및 테스트 드릴 장비 및 볼트 조인트는 이 작업의 큰 부분을 차지합니다.

"드릴 장비의 볼트 조인트는 극한의 온도, 압력, 충격 및 진동 조건에서 작동해야 하기 때문에 매우 중요합니다. 시추 장비가 고장나면 작업 시간이 크게 손실되고 복구는 거의 불가능해질 것입니다.”​ 가장 강한 볼트 조인트를 만들기 위해 여러 가지 방법이 사용됩니다.

"적용에 필요한 체결력은 복잡한 알고리즘으로 컴퓨터로 계산되고 모델링되며, 노드락 와셔와 같은 풀림 방지 장치를 사용하여 볼트가 풀리면서 발생하는 '버킹오프(bucking off, 관용 표현으로, 라이더를 떨어뜨리려고 말이 뒷다리로 몸을 세우는 것을 의미)'를 방지합니다."라고 Nina 씨는 말합니다.

올바른 볼트 크기를 결정하는 방법은 무엇입니까?​

볼트 조인트의 목적은 두 개 이상의 부품을 함께 고정하는 것입니다. 그러나 구체적인 볼트 사용상의 목적은 조인트에 체결력을 생성하는 것일 뿐, 전단, 구부림 또는 과도한 동적 하중을 견디는 것은 아닙니다.​ 외부 하중이 가해지고 조인트에 침하가 발생하더라도 모재 간에 분리 또는 미끄러짐을 방지할 수 있을 만큼 충분한 체결력을 견딜 수 있는 볼트를 선택하는 것이 목표입니다. 침하로 인한 체결력 손실을 최소화하고 진동과 하중을 흡수할 수 있는 탄성 조인트를 만들기 위해서는 직경이 작고 클램프 길이가 긴 볼트를 선택하는 것이 항상 옳습니다. 볼트가 지나치게 크면 동일한 축력이 주어지더라도 더 작은 직경의 볼트만큼 늘어나지 않습니다. 약간의 침하가 발생해도 체결력은 크게 손실됩니다. 또한 두꺼운 볼트는 얇은 볼트에 비해 탄성이 약하기 때문에 모재보다 훨씬 큰 하중을 흡수하여 쉽게 피로 파괴에 노출됩니다.​

볼트가 크다고 해서 체결력이 항상 더 큰 것은 아니며, 조인트가 더 강해지는 것도 아닙니다. 대신 체결 하중이 낮고 피로파괴 위험이 높으며 비용이 증가하며 작업성이 좋지 않은 조인트가 될 확률이 높습니다.​

조인트에 적합한 볼트를 선택하는 절차는 다음과 같습니다.​

• 먼저, 체결부에 적용되는 모든 하중 케이스를 파악합니다. (축/전단하중, 모멘트, 온도 등)
• 조인트에 필요한 체결력을 결정합니다. (kN, kgf 등)
• 체결력을 견딜 수 있는 최소 볼트 직경, 재질 및 등급을 선택합니다. (HM12, A2-70 등)
• 효과적인 풀림방지 솔루션을 선택합니다. (노드락 와셔 등)
• 가장 적절한 체결 방법을 결정합니다. (윤활, 공구 등)