볼트 허용하중과 강도 등급 해석데이터 – 안전한 설계검증
볼트는 다양한 구조물과 기계를 조립하는 데 필수적인 요소이며, 그 성능은 허용하중에 따라 크게 달라집니다.
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허용하중이란 볼트가 견딜 수 있는 최대 힘을 의미하며, 이를 초과하면 볼트가 파손될 위험이 있습니다. 따라서 볼트의 재질과 크기에 따른 적절한 허용하중과 강도를 이해하고 설계에 반영하는 것이 매우 중요합니다.
특히, 볼트의 강도와 재질에 따라 허용하중이 달라지므로, 올바른 볼트를 선택하는 것이 필수적 요소로 볼트의 허용하중에 대해 자세히 설명하고, 실무에서 이를 어떻게 적용할 수 있는지 사례를 통해 쉽게 이해할 수 있도록 알아보겠습니다.
볼트 허용하중이란?
볼트의 허용하중은 볼트가 견딜 수 있는 최대 하중을 의미하며, 이를 초과할 경우 볼트가 파손되거나 손상될 수 있습니다.
| 볼트 호칭 규격 | 강도 등급 | 체결 토크 (Nm) | 허용하중 (kgf) | 허용하중 (N) |
|---|---|---|---|---|
| M3 | 6.8 | 0.2 | 100 | 980 |
| M3 | 8.8 | 0.25 | 150 | 1470 |
| M3 | 10.9 | 0.3 | 200 | 1960 |
| M3 | 12.9 | 0.4 | 250 | 2450 |
| M4 | 6.8 | 0.5 | 150 | 1470 |
| M4 | 8.8 | 0.6 | 200 | 1960 |
| M4 | 10.9 | 0.7 | 300 | 2940 |
| M4 | 12.9 | 0.8 | 398 | 3980 |
| M5 | 6.8 | 1.0 | 200 | 1960 |
| M5 | 8.8 | 1.2 | 250 | 2450 |
| M5 | 10.9 | 1.5 | 300 | 2940 |
| M5 | 12.9 | 1.7 | 350 | 3430 |
| M6 | 6.8 | 1.8 | 250 | 2450 |
| M6 | 8.8 | 2.0 | 300 | 2940 |
| M6 | 10.9 | 2.5 | 350 | 3430 |
| M6 | 12.9 | 3.0 | 398 | 3980 |
| M8 | 6.8 | 4.0 | 300 | 2940 |
| M8 | 8.8 | 5.0 | 400 | 3920 |
| M8 | 10.9 | 6.0 | 500 | 4900 |
| M8 | 12.9 | 7.0 | 600 | 5880 |
| M10 | 6.8 | 8.0 | 500 | 4900 |
| M10 | 8.8 | 10.0 | 600 | 5880 |
| M10 | 10.9 | 12.0 | 700 | 6860 |
| M10 | 12.9 | 14.0 | 800 | 7840 |
볼트의 허용하중은 주로 볼트의 크기, 재질, 그리고 강도 등급에 따라 달라지며 일반적으로 강도 등급이 높을수록 더 높은 허용하중을 가지며, 이는 볼트의 체결력과 내구성에 중요한 역할을 합니다.
볼트 강도 등급과 허용하중
볼트는 강도 등급에 따라 서로 다른 허용하중을 가지기 때문에 사용환경에 따른 용도에 맞게 볼트를 선택하는것이 중요합니다.
| 사용 조건 | 추천 볼트 종류 | 재질 | 용도 | 추천 볼트 크기 |
|---|---|---|---|---|
| 고강도 요구 환경 | 12.9 강도 볼트 | 합금강 | 중장비, 구조물 연결 부위, 고하중 조립 | M8 ~ M20 |
| 일반적인 구조물 조립 | 8.8 강도 볼트 | 탄소강 | 건축물, 기계 조립, 일반 구조물 | M6 ~ M16 |
| 내부 습도가 높은 환경 | 스테인리스 볼트 (SUS304, 316) | 스테인리스 스틸 | 해양 구조물, 화학 공장, 실내 배관 | M4 ~ M12 |
| 고온 환경 | 니켈 합금 볼트 | 니켈 합금 | 터빈, 엔진 부품, 고온 배관 | M6 ~ M16 |
| 진동 및 충격이 많은 환경 | 스프링 와셔와 함께 사용하는 볼트 | 탄소강, 스테인리스 | 자동차 엔진, 공장 기계, 고정 장치 | M5 ~ M14 |
| 내마모성이 중요한 환경 | 티타늄 볼트 | 티타늄 | 항공기 부품, 스포츠 장비, 의료 기기 | M4 ~ M10 |
| 고부하 작업 (Heavy Load) | 10.9 또는 12.9 강도 볼트 | 합금강 | 교량, 고층 건물 구조물, 크레인 부품 | M12 ~ M30 |
| 해양 환경 | 스테인리스 볼트 (SUS316) | 스테인리스 스틸 | 선박, 해양 플랫폼, 부식 환경 | M6 ~ M20 |
| 극저온 환경 | 저온용 특수 볼트 (크리오제닉 볼트) | 니켈 합금, 스테인리스 | 액화가스 저장탱크, 극지 연구 시설 | M8 ~ M24 |
| 전기 절연 필요 환경 | 플라스틱 또는 세라믹 볼트 | 플라스틱, 세라믹 | 전기 설비, 고전압 장비, 절연이 필요한 부품 | M4 ~ M12 |
예를 들어, SUS304 재질의 볼트에서 12.9 강도 등급은 매우 높은 강도를 나타내며, 높은 하중을 견딜 수 있습니다.
그러나, 실무 경험에 따르면 12.9 강도 등급의 SUS304 볼트를 M3 규격에서 2Nm의 토크로 체결할 경우, 볼트가 파손될 수 있습니다. 따라서 실제 현장에서는 6.8 강도 등급의 값을 참고하는 것이 보다 안전한 선택일 수 있습니다.
실무 테스트 사례 볼트 허용하중 검증
볼트의 허용하중을 확인하기 위해 실제로 솔리드웍스와 같은 해석 툴을 사용하여 테스트를 진행할 수 있습니다.
예를 들어, M4 볼트의 허용하중이 177kgf(=1770N)일 때, 전단 하중을 80% 수준인 1416N으로 설정하여 해석을 수행하면, 볼트의 응력이 항복강도에 근접하게 나오는 것을 확인할 수 있습니다.
이 과정에서 고정 지오메트리, 외부 하중 설정 등을 통해 해석을 보다 정확하게 진행할 수 있으며, 이를 통해 실무에서 사용할 볼트의 허용하중을 검증할 수 있습니다.
추가 테스트 다른 강도 등급의 볼트 허용하중 검토
강도 등급이 12.9인 나사의 경우 허용하중이 398kg(=3980N)으로 설정됩니다.
이때 전단 하중을 3184N으로 설정하여 해석을 진행하면, 항복강도를 초과하는 결과가 나타납니다. 이를 통해, 실무에서 강도 등급에 따른 볼트 선택이 얼마나 중요한지 알 수 있습니다. 또한, 테스트 결과를 통해 예상 외의 문제가 발생할 수 있는지 여부를 사전에 확인할 수 있습니다.
볼트의 허용하중은 구조물이나 기계의 안전성과 성능에 직접적인 영향을 미칩니다.
강도 등급과 재질을 고려하여 적절한 볼트를 선택하는 것은 매우 중요하며, 해석 툴을 활용한 테스트는 이 선택을 더욱 신뢰할 수 있게 만듭니다.
실무에서 정확한 허용하중을 이해하고 적용함으로써, 안전한 설계와 제조가 가능하기 때문에 실무자는 볼트 허용하중에 대한 깊은 이해는 실무자들에게 필수적인 지식으로, 이를 바탕으로 더욱 안전하고 신뢰성 높은 작업을 수행할 수 있을 것입니다.
