김성근님의 글
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안녕하세요...

저는 건축구조설계업무에 종사하는 사람입니다.
저의 업무중 Bolt의 설계가 필요한 일이 생겼습니다.
그런데, bolt의 직경, 나사부의 길이 등은 해결했는데,
bolt Head부의 직경 및 두께는 무엇을 근거로 정하는 것인지 궁금해서
여러분의 가르침을 듣고자 질문 올립니다.

참고로 제가 설계하고자 하는 Bolt는 인장력만 저항하면 됩니다.
마찰접합은 아니구요. 단, 재질은 고력bolt의 재질과 동일합니다.

여러분의 가르침을 부탁드립니다.

----------------- [답 변] -------------------

볼트 머리의 폭(6각면의 변길이)은 볼트 직경의 1.5배

볼트 머리 높이는 볼트 직경의 0.75배 하면 무난합니다.

매우 큰 볼트로 생각되는데 웬만하면 규격에 있으니 기계설계도표편람을 참고하시기 바랍니다.

저도 잘 모르지만 제가 느끼는 바로는
1. 볼트의 축방향에서 걸리는 전단응력과 그에 대한 안전율에 의해서
2) 볼트를 죄고 풀때의 비틀림응력
2) 볼트 머리부의 제조과정에서의 문제점
예로 볼트의 머리부는 일반적으로 대형의 것은 열간단조, 소형의 것은 `포머`라는 기계를 이용하여 냉간단조 또는 온간단조로 작업함.
그런데 얇고 넓은 종류는 단조작업시 많은 제약이 따름.
즉 소성가공이 잘 안되고 금형 및 공구의 빠른 마모등의 난점 발생.
3) 체결하는 공구(스패너,몽키 스패너, 렌치....)에 의한 적정 폭 유지의 필요성.---직경이 작으면 스패너에 의해 문드러져 헛돌수도....
말도 안되는 소리인지 모르겠지만 강도 설계만으로 M30 볼트의 HEAD두께를 5mm로 만들었다면 체결은 어떻게 하실지.
아마 볼트머리부가 금방 문드러지거나, 아차 실수라도 하면 안전사고......
볼트머리부에 힘이 걸리지 않을 경우 얇은 원형의 모양을 한 경우도 본 기억이 있음.
단 이경우는 볼트가 헛돌지 않게 축에 세레이션등의 가공이 필수임.
4) Bolt Head의 직경은 Head면에 발생하는 지압에 대한 응력
5) 직경의 크기는 클수록 좋겠지만 이것도 소성가공이 유리한 방향으로....
6) 너트의 두께는 볼트머리의 두께보다 두꺼움.
이것은 위의 1항에서 말한 축방향에서의 전단응력을 고려한 설계로 알고 있음.
이상의 것은 제가 생각하는 바이고 실제는 이것이 아닐수도 있습니다.
예로 M20 볼트의 경우 사용되는 재질에 따라 강도는 현격한 차이를 나타냅니다.
즉 연강과 고장력강 볼트의 경우인데 이를 경우를 이야기 해보면
고장력강의 볼트는 강도에 맞게 설계할수 있겠죠.
볼트의 머리 두께도 지금의 절반으로 직경(폭)도 절반으로......
그러나 이럴 경우 표준품이 되지 않기 때문에 볼트 한개당 제조 원가가 표준 고장력강 볼트의 제조원가에 비해서 몇백배가 될 수도 있겠죠.
볼트 머리를 만들기 위한 금형 및 공구를 새로 만들어야 되는데,
그리고 그때마다 다르게 제작한다면 공구(스패너)는 어떻게 조달하실려고....
단지 무게만을 경감시키기 위해서 이렇게 복잡하게 할 필요는 없을거라고 판단되어집니다.

이게 제일 중요함.
볼트를 설계할때 설계치와 생각하고 있는 안전율보다 더 크게 만든 이유는
볼트의 사용 환경측면에서의 고려임.
즉, 철구조물, 선박, 항공, 자동차, 등의 어떤 한분야에 대한 것만 고려한 것이 아님.
그래서 규격을 정하는 사람들이 이정도면 문제가 없을거라고 정했고, 이에 따라 스패너 등의 볼트공구의 규격이 정해졌다고 보면 됨.
볼트의 머리부를 작게한 부분의 예
승용차의 바퀴부의 타이어 휠과 브레이크부의 연결부- 자동차의 타이어 교체시 풀고 조으는 볼트임.

김선영님 답변감사합니다.

그런데, 제가 알고싶은것은 Bolt Head의 직경과 두께가 무슨 근거로
직경의 1.5배와 0.75배 정도면 충분한가를 알고 싶습니다.

제가 설계하려는 것은 큰 Bolt도 있지만 작은 Bolt도 있습니다.
즉, 중량을 최적화시킬수 있는 방법을 알고자합니다.

제가 생각하는바로는
1. Bolt Head의 두께는
1) Bolt에 걸리는 인장력에 의한 Head 부위의 Punching Shear
2) Head 면에 생기는 반력에 의한 Bending Moment
2. Bolt Head의 직경은
1) Bolt Head면에 발생하는 지압응력
등이 설계기준이라고 생각하는데 이것을 근거로 계산해보면
설계도표편람의 대부분 Data들이 갖고있는 1.5배 및 0.75배의 값들이
너무 크지않나 생각합니다.

물론, 얼마정도의 안전율이 Bolt 설계시 필요한건지, 혹은 앞의 사항들
말고도 또다른 검토사항이 있는건지 알고 싶습니다.

참고로 제가 앞의식을 검토한 식은 허용응력도 설계법에 의한 식을 기준으로 했었습니다.

고견 부탁합니다.