볼트 연결

소개

본질적으로, 볼트 연결은 하나 이상의 부재에서 다른 부재로, 그리고 기초로 힘을 전달합니다. 이는 지압, 인장, 그리고 경우에 따라 마찰을 통해 이루어집니다. 볼트 연결은 거의 모든 유형의 접합부에 적합합니다. 그러나 대부분의 경우, 접합부의 결과적인 강성은 전체 설계에서 재검토되지 않으며, 이는 때로는 간과해서는 안 됩니다. 볼트는 표준 및 지역에 따라 다양한 크기(아래 참조)와 등급(볼트 재료)으로 제공됩니다. 일부 국가에서는 미터법과 야드파운드법 크기 모두에 접근할 수 있는데, 이는 때로는 양날의 검이 될 수 있습니다! 제가 발견한 바와 같이, 설계자와 엔지니어를 돕는 스마트폰 앱과 YouTube 동영상도 있습니다...

구조 수업으로 돌아가 보면, 우리가 처음으로 다룬 연결 중 하나는 예제 강구조 포털 프레임에서 가져온 '단순한' 볼트 연결이었습니다. 그 당시가 얼마나 오래 전인지 보여주기 위해, 우리는 연필과 모눈종이를 사용했습니다! 그 결과로 나온 계산은 A4 용지 한 면을 넘지 않았습니다.

세상이 얼마나 많이 변했는지!

그 초기 시절에는 방법과 사고방식의 변화를 상상조차 할 수 없었지만, 그것은 또 다른 날, 또 다른 기사에서 다룰 주제입니다.

볼트 접합부 연결

핵심 질문은 이것입니다: 볼트 연결이 종종 '단순하다'고 묘사되더라도 과연 단순하다고 볼 수 있을까요? 연결은 복잡합니다(우리가 좋아하든 싫어하든). 이를 이해하고 설계하는 것은 엔지니어의 몫입니다. 물론 '단순한' 형태도 있고, 전통적인 방법으로 연결을 설계하고 검토할 수 있습니다. 이것은 모든 연결 엔지니어가 시작해야 할 출발점이지만, 더 나은 방법이 있지 않을까요?

설계를 수행하는 방법은 여러 가지가 있지만, 많은 옵션들이 적용 범위를 좁히거나 핵심 효과를 무시함으로써 프로세스를 지나치게 단순화합니다. 가장 큰 문제 중 하나는 여전히 포락 하중과 비동시 하중 효과에 대한 의존입니다. 이것이 우리가 정말로 피해야 할 과도한 단순화일까요? 아마도 그렇습니다! 많은 회사들이 일련의 스프레드시트를 채택했지만, 이는 검증 및 최신 상태 유지에 대한 우려도 제기합니다.

저는 또한 전단력만을 기반으로 하나의 하중 조합으로 도면에 단부 반력을 기재했던 것을 기억합니다. 항상 강구조 제작자가 연결을 설계하도록 했습니다 :-). 그런 시절은 분명히 지나갔습니다. 그러나 너무 많은 엔지니어들이 구식 방법을 고수하면서 구식 접근 방식과 현대적인 설계 기준 및 방법을 혼합하려 하고 있으며, 이는 비효율적이고 과설계된 연결로 이어집니다.

볼트 연결의 장단점

볼트 접합부 연결은 설치, 유지보수 및 검사가 비교적 용이하다는 장점이 있습니다. 그러나 생각만큼 제작 비용이 저렴하지 않을 수 있습니다. 더 많은 재료가 필요하고, 볼트 구멍(비용이 더 많이 듦)과 더 큰 응력 집중이 발생할 수 있습니다. 또한 현장 문제를 야기할 수 있습니다(경험에서 말씀드리는 것입니다). 예를 들어, 잘못된 볼트(또는 볼트 없음)가 빔과 함께 배송되는 경우가 있습니다. 일부 상황에서는 볼트 연결에 추가적인 내력이 있어(올바르게 시공된 경우) 설계자에게 어느 정도 안도감을 줄 수 있습니다. 그러나 어떤 연결도 완벽하지 않습니다! 많은 파괴 사례가 불량한 볼트 상세에 기인합니다. 예를 들어, 거꾸로 삽입되거나 의도된 용도에 맞지 않는 볼트 조립 등이 있습니다. 따라서 상세 규정을 고려하고 특별한 조치 사항을 제작/설치 도면/정보에 명시하는 것이 매우 중요합니다.

'단순한' 연결을 선택하여 프로세스를 단순화하려는 시도는 종종 제작 비용이 더 많이 드는 접합부로 이어질 수 있습니다. 설계 비용보다 재료 비용과 CO₂를 더 고려해야 할 시점이 된 것 같습니다...

반대로, 볼트 연결이 기하학적 형상이나 적용 하중, 또는 두 가지 모두로 인해 더 복잡해질수록 설계와 규정 검토가 더욱 어려워집니다. 복잡한 연결을 더 단순한 부분으로 분해하는 단순한 접근 방식은 효과가 없을 것입니다.

설계 함정

연결을 설계할 때 발생할 수 있는 많은 문제들이 있지만, 저희 헬프데스크에서 가장 많이 접하는 것은 볼트에 그러한 힘이 적용되지 않는데도 볼트에 '예상치 못한' 인장력이 발생하는 경우입니다.

이러한 인장력과 인장 응력은 어디서 오는 것일까요? 접합부 설계에서 유연한 플레이트로 인해 발생하는 프라잉 힘을 살펴보시기 바랍니다. 이는 때로는 전단력 성분보다 더 불리할 수 있습니다! 참고로, 이것이 설계에 어떤 영향을 미치는지 확인하고 싶다면, 강재 재료를 여러 자릿수 증가시켜 보십시오. 단계적으로 수행하면, 유연성이 감소함에 따라 볼트 힘이 '예상된' 결과에 가까워지는 것을 확인할 수 있습니다.

볼트 연결에서 발생할 수 있는 또 다른 측면은 미끄럼 방지 연결 또는 고장력 볼트가 필요한 경우입니다. 이는 설계 접근 방식뿐만 아니라 현장 작업에도 영향을 미칩니다. 현장에서 이러한 볼트의 시험 및 인증은 문제가 많고 비용이 많이 듭니다. 젊은 엔지니어 시절, 가능하면 이를 피하라는 조언을 들었습니다. 그 이유를 이제는 알 것 같습니다.

볼트는 일반적으로 볼트 구멍을 통과합니다. 이를 여유 구멍이라고 합니다. 볼트 직경이 증가함에 따라 여유 구멍의 직경도 증가해야 합니다. 또한 재료 마감 또는 표면 처리가 적용되는 경우 여유를 늘려야 합니다. 용융 아연 도금이 좋은 예입니다.

이 기사의 시작 부분에서 제가 처음 사용했던 접근 방식, 즉 단순 하중 조합에서 단부 반력을 구하고 일반적으로 계수를 곱한 후 올림하는 방식을 언급했습니다. 이는 부재의 크기와 내력을 기반으로 표로 작성되었을 수도 있습니다. 이 접근 방식은 오늘날에도 많은 국가에서 사용되고 있으며, 연결 설계에서 문제를 야기할 수 있습니다. 문제는 균형의 문제입니다. 즉, 엔지니어링과 결과적인 상세 사이의 균형입니다. 구조 설계는 발전했고 사용되는 소프트웨어도 마찬가지입니다. 실제로, 소프트웨어 없이는 구조물을 (효율적으로) 설계할 수 없다고 주장할 수 있습니다. 볼트 연결을 모델링하고 설계하기 위해 이 모든 소프트웨어를 어떻게 가장 잘 활용할 수 있을까요?

CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 접근 방식

IDEA StatiCa는 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 기술을 어떻게 활용할까요? 이 방법론은 IDEA StatiCa Connection에 내장되어 있습니다. 볼트는 종속적인 비선형 스프링으로 처리됩니다. 이를 통해 모든 연결 기하학적 형상과 모든 적용 하중에 대해 모델링, 계산 및 규정 검토가 가능합니다. 또한 안정성 및 기타 효과도 검토할 수 있습니다. 결국 '단순한' 접근 방식으로는 충분하지 않을 가능성이 높습니다!

종종 인용되는 주장 중 하나는 이것이 '호두를 깨기 위해 대형 해머를 사용하는' 접근 방식이라는 것입니다. 그러나 최근 릴리스에서는 AI, 비주얼 프로그래밍 및 API 개선을 활용하여 단순 연결을 더욱 쉽게 모델링하고 설계할 수 있도록 하고 있으며, 컴퓨터의 성능을 활용하여 간단한 연결의 비용과 CO₂ 비용을 절감하고 있습니다.

여기에 더해, Autodesk, Trimble, CSi, Nemetshek 등의 공급업체가 제공하는 여러 주요 FEA/BIM 솔루션에서 하중 효과/연결을 추출하는 기능도 있습니다. 이는 하중 효과나 연결 자체가 Checkbot을 통해 IDEA Connection으로 전달되어 효율성과 정확성에 실질적인 영향을 미칩니다. Checkbot은 서로 다른 솔루션 간의 원활한 정보 교환을 위한 일종의 허브입니다.

IDEA StatiCa Connection은 두 가지 장점을 모두 갖추고 있습니다! 규정 검토가 가능한 정확하고 검증 가능한 결과를 제공합니다.

한 가지 확실한 것은, 저는 다시는 볼트 연결을 단순하게 취급하지 않을 것입니다!