수나사

3. 볼트 접합의 파괴 형식

3. 1. 전단 접합

4. 볼트 종류와 등급

볼트의 종류와 등급은 KS 규격에 따라 정해진다. 교량이나 건축물에 사용되는 고강도 볼트 중 구형 규격인 F13T, F11T는 수소 취성에 의한 볼트 탈락 등의 문제로, F13T는 도입 후 얼마 지나지 않아, F11T는 1981년 이후 제조 중지 및 사용 금지되었다.^[11][12] 이러한 볼트가 사용된 시기에 건설된 교량은 안전성에 대한 우려로 2021년 현재에도 사용 상황 조사가 이루어지는 경우가 있다.^[13]

토르크 형 고력 볼트는 주로 구조물이나 철골 건축물에 사용된다. 일본 강구조 협회와 일본 도로 협회의 규격을 만족하며, 머리 부분은 둥글고, 나사부 선단은 "핀 테일"이라고 불린다. 정해진 조임 토크에 도달하면 핀 테일이 파단된다. 조임에는 셔 렌치가 사용되며, 천천히 조임으로써 조임 축력이 안정되고, 파단으로 인해 측정（계측）할 필요 없이 조임력 확인이 가능하다. 파단 유무에 따라 조임 누락 확인도 용이하며, 타격계 공구 사용 시 발생하는 소음도 없다.

4. 1. 표기법

4. 2. 설계볼트장력

5. 볼트 구멍

고장력 볼트의 구경과 구멍의 형태에 따라 구멍 치수가 정해진다. 구멍의 종류로는 표준 구멍, 대형 구멍, 단슬롯 구멍, 장슬롯 구멍이 있다.^[14][15][16]

5. 1. 표준 구멍

5. 2. 기타 구멍

6. 고장력볼트 접합 설계 강도

고장력볼트 1개의 접합 설계강도는 접합 종류(마찰접합, 지압접합 등)에 따라 설계미끄럼강도, 설계인장강도 및 설계전단강도, 볼트구멍의 설계지압강도 등을 계산하여 가장 작은 값을 채택하여 구한다.

6. 1. 설계미끄럼강도

• : 미끄럼계수(페인트칠하지 않은 블라스트 청소된 마찰면은 0.5)
• : 필러계수
• * 필러를 사용하지 않은 경우와 필러내 하중 분산을 위해 볼트를 추가한 경우 또는 필러내 하중 분산을 위해 볼트를 추가하지 않은 경우로써 접합되는 재료 사이에 한개의 필러가 있는 경우 1.0
• * 필러내 하중 분산을 위해 볼트를 추가하지 않은 경우로써 접합되는 재료 사이에 2개 이상의 필러가 있는 경우 0.85
• : 설계볼트장력(kN)
• : 전단면의 수(마찰접합 및 지압접합에만 적용)

6. 2. 설계인장강도 및 설계전단강도

• $A\_b$ : 고장력볼트의 공칭단면적(mm²)

6. 3. 볼트구멍의 설계지압강도

• 표준구멍, 대형구멍, 단슬롯 구멍의 모든 방향에 대한 지압력 또는 장슬롯 구멍이 지압력 방향에 평행인 경우

• :$\backslash phi\; =0.75$
• :$R\_n=1.2L\_c\; t\; F\_u\; (\backslash leq\; 2.4dtF\_u)$ 두 값 중 작은 값 채택^[1]

• :$\backslash phi\; =0.75$
• :$R\_n=1.5L\_c\; t\; F\_u\; (\backslash leq\; 3.0dtF\_u)$ 두 값 중 작은 값 채택^[1]

• 장슬롯 구멍에 구멍방향에 수직방향으로 지압력을 받을 경우
• :$\backslash phi\; =0.75$
• :$R\_n=1.0L\_c\; t\; F\_u\; (\backslash leq\; 2.0dtF\_u)$ 두 값 중 작은 값 채택^[1]

6. 4. 지압접합에서 인장력과 전단력 조합

7. 볼트와 나사의 차이점

볼트와 나사는 그 구별이 명확하지 않다. ''기계 공학 핸드북(Machinery's Handbook)''에서는 용도에 따른 학문적인 구분을 제시한다.^[3] 이에 따르면 볼트는 부품의 나사산이 없는 구멍을 통과해 너트로 고정하는 반면, 나사는 자체 나사산이 있거나 내부 나사산을 만들어 사용된다. 하지만 실제로는 체결구 설명에 모호성이 있어, 사람이나 국가에 따라 동일하거나 다른 체결구를 나사 또는 볼트라고 부르기도 한다.

볼트는 볼트 조인트를 만드는 데 쓰이는데, 너트의 축 방향 힘과 볼트 생크(도웰 핀)의 측면 전단력 고정 역할이 결합된 방식이다. 많은 볼트는 나사산이 없는 매끄러운 생크를 가지는데, 이는 더 강력한 도웰 핀 역할을 하기 때문이다. 이러한 생크는 볼트와 나사의 특징으로 제시되기도 하지만, 정의라기보다는 사용에 따른 부수적인 특징이다.^[4]

고정되는 부품에 자체 나사산을 만드는 경우는 나사라고 부른다.^[3] 목나사처럼 나사산이 테이퍼진 경우 너트를 쓰지 않거나,^[3] 판금 나사 등 나사산 형성 나사의 경우가 이에 해당한다. 나사는 항상 조립을 위해 돌려야 하지만, 캐리지 볼트처럼 설계상 돌아가지 않고 너트만 돌아가는 볼트도 있다.^[3]

7. 1. 볼트

구조 부재에서 긴 방향으로 볼트 중심선을 연결하는 선을 게이지 라인(gauge line)이라고 하며, 게이지 라인 사이의 간격을 게이지(gauge)라고 한다. 볼트 중심 사이 간격은 피치(pitch)라고 한다. 부재의 가장자리에 있는 볼트 중심에서 측면 끝까지의 거리를 '측단 거리', 길이 방향의 최외단 볼트 중심에서 부재 끝까지의 거리를 '연단 거리'라고 한다.

볼트와 나사의 구별은 명확하게 정의되어 있지 않다. ''기계 공학 핸드북(Machinery's Handbook)''에 따르면, 학문적인 구분은 그 의도된 용도에 있다.^[3] 볼트는 부품의 나사산이 없는 구멍을 통과하여 너트를 사용하여 고정하도록 설계되었다. 반대로 나사는 자체적인 나사산이 있거나, 자체적으로 내부 나사산을 절삭하는 부품에 사용된다. 이 정의는 실제로 사용되는 적용 분야에 따라 체결구 설명에 모호성을 허용하며, 나사와 볼트라는 용어는 동일하거나 다른 체결구에 대해 다양한 사람이나 다른 국가에서 널리 사용된다. 영국식 용어에서 ''캡 나사(cap screw)''는 머리까지 나사산이 있는 볼트이다.

볼트는 종종 볼트 조인트를 만드는 데 사용된다. 이는 너트가 축 방향 클램핑 힘을 가하고 볼트 생크가 도웰 핀 역할을 하여 측면 전단력에 대해 조인트를 고정하는 조합이다. 이러한 이유로, 많은 볼트는 나사산이 없는 매끄러운 생크를 가지고 있는데, 이는 더 좋고 더 강력한 도웰 핀을 만들기 때문이다. 나사산이 없는 생크의 존재는 종종 볼트와 나사의 특징으로 제시되지만,^[4] 이는 정의하기보다는 그 사용에 부수적인 것이다.

체결구가 고정되는 부품에 자체 나사산을 형성하는 경우, 이를 나사라고 한다.^[3] 이는 나사산이 테이퍼진 경우(예: 전통적인 목나사의 경우) 너트의 사용을 배제하거나,^[3] 판금 나사 또는 기타 나사산 형성 나사가 사용될 때 가장 명확하다. 나사는 항상 조립하기 위해 돌려야 한다. 많은 볼트는 조립 중에 도구나 캐리지 볼트와 같이 회전하지 않는 볼트의 설계에 의해 제자리에 고정되며, 해당 너트만 돌려진다.^[3]

7. 2. 나사

볼트와 나사의 구별은 명확하게 정의되어 있지 않다. ''기계 공학 핸드북(Machinery's Handbook)''에 따르면, 학문적인 구분은 그 의도된 용도에 있다.^[3] 볼트는 부품의 나사산이 없는 구멍을 통과하여 너트를 사용하여 고정하도록 설계되었다. 반대로 나사는 자체적인 나사산이 있거나, 자체적으로 내부 나사산을 절삭하는 부품에 사용된다. 이 정의는 실제로 사용되는 적용 분야에 따라 체결구 설명에 모호성을 허용하며, 나사와 볼트라는 용어는 동일하거나 다른 체결구에 대해 다양한 사람이나 다른 국가에서 널리 사용된다.

볼트는 종종 볼트 조인트를 만드는 데 사용된다. 이는 너트가 축 방향 클램핑 힘을 가하고 볼트 생크가 도웰 핀 역할을 하여 측면 전단력에 대해 조인트를 고정하는 조합이다. 이러한 이유로, 많은 볼트는 나사산이 없는 매끄러운 생크를 가지고 있는데, 이는 더 좋고 더 강력한 도웰 핀을 만들기 때문이다. 나사산이 없는 생크의 존재는 종종 볼트와 나사의 특징으로 제시되지만,^[4] 이는 정의하기보다는 그 사용에 부수적인 것이다.

체결구가 고정되는 부품에 자체 나사산을 형성하는 경우, 이를 나사라고 한다.^[3] 이는 나사산이 테이퍼진 경우(예: 전통적인 목나사의 경우) 너트의 사용을 배제하거나,^[3] 판금 나사 또는 기타 나사산 형성 나사가 사용될 때 가장 명확하다. 나사는 항상 조립하기 위해 돌려야 한다. 많은 볼트는 조립 중에 도구나 캐리지 볼트와 같이 회전하지 않는 볼트의 설계에 의해 제자리에 고정되며, 해당 너트만 돌려진다.^[3]

8. 볼트 머리 종류

볼트는 나사와 마찬가지로 다양한 머리 디자인을 사용하며, 이는 볼트를 조이는 데 사용되는 도구와 결합하도록 설계된다. 일부 볼트 머리는 볼트를 제자리에 고정하여 움직이지 않도록 하고, 너트 끝에만 도구가 필요한 경우도 있다.

많은 볼트는 외부 렌치 대신 드라이버 헤드 피팅을 사용한다. 드라이버는 측면에서가 아닌 체결구와 일직선으로 적용된다. 이들은 대부분의 렌치 헤드보다 작으며 일반적으로 동일한 양의 토크를 가할 수 없다. 드라이버 헤드는 나사를 의미하고 렌치는 볼트를 의미한다고 가정하는 경우가 있지만, 이는 잘못된 것이다. 예를 들어, 코치 스크류(래그 스크류)는 테이퍼진 목재 나사 나사산이 있는 큰 사각형 머리 나사로, 철물을 목재에 부착하는 데 사용된다. 볼트와 나사 모두에 적용되는 헤드 디자인에는 알렌, Torx, 육각형 및 스플라인 헤드가 있다. 이러한 현대적인 디자인은 다양한 크기를 아우르며 상당한 토크를 전달할 수 있다. 드라이버 스타일 헤드가 있는 나사산 체결구는 너트와 함께 사용되는지 여부에 관계없이 종종 머신 스크류라고 한다.^[6]

; 육각 구멍 부착 볼트

머리 부분은 원기둥 형으로 육각형의 구멍이 있다. 조임에는 육각 렌치를 사용한다. 고부하·고토크가 필요한 체결부에 적용한다. 또한 육각 볼트에 비해 머리 부분이 작고, 자그리 구멍에 머리 부분을 가라앉혀서 사용되는 경우도 많다. (JIS B1176) "캡 볼트", "내부 육각 볼트", "헥스 볼트" 등으로도 불린다. 일반 육각 볼트에 비해 머리 부분이 작아지고, 공간 절약으로 외관도 깔끔하다. 또한 무언가에 부딪혔을 때 돌릴 수 없게 될 위험이 작다.^[10]

• 버튼 캡 볼트: 머리 부분의 원기둥부가 버튼처럼 반구형이 된 육각 구멍 부착 볼트. 냄비 볼트라고도 한다 (JIS B1174)
• 접시 캡 볼트: 머리 부분이 역원뿔 대 형상으로 된 육각 구멍 부착 볼트. 볼트 머리 부분을 부착면에 내고 싶지 않을 때 사용된다.

8. 1. 일반적인 볼트 머리

• 와셔 조립 육각 볼트
• : 와셔가 달린 육각 볼트. 와셔를 조립하고 나서 나사산을 전조하기 때문에 와셔는 빠지지 않는다. (JIS B1187)

8. 2. 기타 볼트 머리

9. 볼트 종류

강재를 이용해 구조물을 만들 때 볼트를 이용해 강재끼리 접합하는 방식을 '볼트 접합'이라고 한다. 볼트 접합은 시공 시 특별한 기술이 필요 없는 장점이 있다. 주요 건물의 접합부에는 '고장력 볼트'를 사용한다. 볼트 접합 시 볼트 배치는 규칙적인 '정렬 배치'와 불규칙적인 '불규칙 배치'(엇모배치)가 있다. 불규칙 배치가 구조적으로 우수하지만, 일반적으로는 정렬 배치를 많이 사용한다.

10. 볼트 재료

KS 규격에 따라 볼트의 종류와 등급이 정해진다. 강철 패스너는 강도 수준에 따라 2, 5, 8 등급 등으로 나뉜다. F10T(M20)와 같이 표기하는데, F는 마찰접합용(For friction grip joint), 10은 인장강도 10tf/cm²을 의미하고, T는 인장 시험에 따른 인장강도를 나타낸다.^[7] M20은 호칭을 나타낸다.

몇 가지 볼트의 설계볼트장력은 다음과 같다.^[7]

필요한 강도와 상황에 따라 다양한 재료를 패스너에 사용할 수 있다.^[7]

• 강철 패스너 (2, 5, 8 등급): 강도 수준에 따라 분류한다.
• 스테인리스강 패스너 (마르텐사이트계 스테인리스강, 오스테나이트계 스테인리스강): 내식성이 필요한 곳에 사용한다.
• 청동 및 황동 패스너: 방수 용도로 쓰인다.
• 나일론 패스너: 경량이면서 방수가 되어야 하는 곳에 사용한다.

11. 볼트 접합 (AISC 기준)

강재를 이용해 구조물을 만들 때 볼트를 이용해 강재끼리 접합한다. 이를 '볼트 접합'이라고 하는데, 시공 시 특별한 기술이 필요 없는 장점이 있다. 주요한 건물의 접합부에는 '고장력 볼트'를 사용한다. 볼트 접합 시 볼트 배치는 규칙적인 '정렬 배치'와 불규칙적인 '불규칙 배치'(엇모배치)가 있다. 불규칙 배치가 구조적으로 우수하지만, 일반적으로는 정렬 배치를 많이 사용한다.^[1]

구조 부재에서 긴 방향으로 볼트 중심선을 연결하는 선을 게이지 라인(gauge line)이라고 하며, 게이지 라인 사이 간격을 게이지(gauge)라고 한다. 볼트 중심 사이 간격은 피치(pitch)라고 한다. 부재 가장자리에 있는 볼트 중심에서 측면 끝까지 거리를 '측단 거리', 길이 방향 최외단 볼트 중심에서 부재 끝까지 거리를 '연단 거리'라고 한다.^[1]

볼트 접합에는 전단 접합, 인장 접합이 있다. 전단 접합은 두 개 혹은 세 개의 피접합재가 양쪽으로 인장되면서, 볼트 구멍 벽이 볼트에 전단력을 가하는 방식으로 접합을 유지하는데, 이에 따라 피접합재가 두 개인 경우 1면 전단 파괴, 세 개인 경우 2면 전단 파괴가 일어날 수 있다. 인장 접합은 볼트 축 단면이 인장력으로 저항하는 접합을 말한다. 인장 파괴는 볼트가 끊어지는 것을 말한다. 그밖에 피접합재 가장자리가 파괴되는 방식인 '연단부 파괴', '측단부 파괴'가 있다.^[1]

고장력 볼트 접합 설계 강도는 접합 종류(마찰 접합, 지압 접합 등)에 따라 설계 미끄럼 강도, 설계 인장 강도 및 설계 전단 강도, 볼트 구멍의 설계 지압 강도 등을 계산하여 가장 작은 값을 채택하여 구한다.^[3]

20세기에는 구조용 볼트 비용 감소와 강도 증가로 인해 리벳이 구조용 볼트로 대체되었다. 미국 강철 건설 연구소(AISC)에서는 볼트 구조 연결에 대한 요구 사항을 명시하고 있다.^[9]

11. 1. 전단 마찰 연결

11. 2. 지압 연결

12. 역사

과거에는 너트와 볼트가 수작업으로 제작되어 서로 호환되지 않았다. 조셉 휘트워스는 1841년에 표준화를 제안했지만, 즉시 실현되지는 않았다.^[2]

1851년 만국 산업 박람회를 위해 영국 런던 수정궁 건설 시, 표준화된 크기의 너트와 볼트를 사용하여 공사 기간 단축 및 비용 절감에 성공했다. 호환 가능한 너트와 볼트 사용은 매우 성공적이어서 휘트워스 표준이 널리 채택되었다. 영국 표준으로는 1905년에 공식 채택되었다.^[2]

대한민국에서는 과거 F13T, F11T 등의 고력 볼트가 사용되었으나, 지연 파괴(수소 취성) 문제로 인해 제조 중지 및 사용 금지되었다.^[11][12] 해당 볼트가 사용된 교량 등에 대한 안전성 우려로 인해 2021년 현재에도 사용 상황 조사가 이루어지고 있다.^[13]

참조

_[1] 웹사이트 Bolt | Definition of Bolt by Merriam-Webster http://www.merriam-w[...] 2016-04-11
_[2] 뉴스 Solved: the mystery of how Victorians built Crystal Palace in just 190 days https://www.theguard[...] 2024-09-16
_[3] 서적 Machinery's Handbook Industrial Press 1980
_[4] 서적 Dyke's Automobile and Gasoline Engine Encyclopedia null A. L. Dyke 1919
_[5] 웹사이트 What is a bolt? https://web.archive.[...] 2017-02-13
_[6] 웹사이트 Common Machine Screws That Are Used In Everyday Lives https://www.choongng[...] 2024-10-09
_[7] 웹사이트 Fastener Material Selection http://www.thomasnet[...]
_[8] 웹사이트 Fasteners Materials: A usefull reference guide - Boulons Plus https://www.precisio[...] 2024-10-09
_[9] 서적 Steel construction manual American Institute of Steel Construction 2005
_[10] 문서 "作業工具の全て" グランプリ出版 2004-09-10
_[11] 웹사이트 철골Q&A http://www.sasst.jp/[...] 건축철골구조기술지원협회 2023-08-19
_[12] 웹사이트 고력 볼트의 지연 파괴가 진행되는 교량의 진단 - 구조물 유지보수 연구센터 (CAESAR) https://www.pwri.go.[...] 국립연구개발법인토목연구소 2023-08-19
_[13] 웹사이트 현도 방부 정차장선 신교(하행선)의 볼트 빠짐에 따른 긴급 점검 결과 및 향후 대응에 대해 - 야마구치현 홈페이지 https://www.pref.yam[...] 야마구치현 2023-08-19
_[14] 문서 건축구조기준 일부개정안(KS 반영)
_[15] 문서 볼트 구멍 및 카운터 보어지름(KS B ISO 273) 2010
_[16] 서적 강구조공학 구미서관 2019