그렇게 정리된 사이트는 없는 것 같고요.. 도서로 보셔야 하는데... 제가 어제 오늘 외근이라서, 오늘 저녁에 사무실에서 책을 좀 보고 말씀드리겠습니다.
다만 아주 기본적인 구조계산은 가능하셔야 하는데.. 철재 제품은 2차모멘트, 단면계수 등 필요한 상수가 모두 제시되고 있어서 하루 정도만 투자하시면 가능하실거여요.. 이 부분도 보실만한 책이 있는지 찾아 보겠습니다.
주말에 무언가 정리를 해서 올려 드리려고 시간을 보냈는데, 이게 정리하다 보니 책 한권이 나오겠더라고요.
최대한 정리를 해보려고 했으나, 질문을 주신 목적을 만족시키는 적절한 답변은 이 공간에서 불가능하다는 결론에 도달을 했습니다. 기대를 하셨는데 실망을 드려서 죄송합니다.
그럼에도 극히 기본적인 사항과 제가 평소에 검토를 하는 프로세스 만이라도 알려 드리는 것이 좋을 것 같아서 그 부분만 답변을 드리겠습니다.
1. 부재끼리 접합을 하는데 있어서 힘에 견디는 원리 (전단과 인장)
부재를 서로 접합을 할 경우, 우리는 그 부재가 서로 분리되지 않는 것을 목적으로 접합을 하게 됩니다.
이 때, 부재를 분리하려고 하는 힘은, (나사못이나, 일반못의 관점에서 볼 때) 크게 전단력(파란색)과 인장력(붉은 색)으로 구분을 합니다.
즉 못이 부러지려는 힘이 전단력이고, 못이 뽑히는 힘이 인장력입니다.
만약 못이 뽑히는 힘보다 부러지려는 힘이 절대적이라면, 나사못보다 일반못을 사용하게 됩니다. 왜냐면 나사못은 부러지려는 힘에 대응하는 강도가 일반못에 비해서 현저히 낮기 때문입니다. 그래서 목구조에서 구조체의 결합은 일반못으로 하게 됩니다.
하지만 철재 구조물에서는 목구조와는 다르게 부재의 두께가 상대적으로 얇아서 일반못을 사용할 경우 접합력이 나오지 않게 되므로, 인장/전단력과는 무관하게 나사못을 사용할 수 밖에 없습니다.
문제는 이 나사못이 (못의 관점에서) 전단력에 약하기 때문에, 인장력(파란색)으로 당길 경우 나사못이 훼손될 가능성이 커지게 됩니다. 그래서 이 때 사용하는 것이 마찰력이라는 개념입니다.
2. 마찰력
부재 간의 마찰력이란 나사못을 조여서, 두 부재가 밀착을 하게 되고 이 서로 밀착된 부분이 강한 마찰력을 가지도록 하는 힘입니다. (노란색 점선 구간)
즉 파란색으로 당길 때 나사못 자체가 버티는 것이 아니라 나사못은 두 부재 간의 마찰력이 생기도록 서로 밀착해 주는 역할을 하게 되는 셈입니다.
이 당기는 힘 (파란색)이 너무 커지면 나사못 만으로 충분한 마찰력을 만들어 낼 수 없으므로, 볼트로 넘어가게 됩니다.
4. 부재를 고정할 때, 어떤 나사를 얼마 간격으로 사용해야 하는가?
이 부분이 책 한권인데요.
나사를 선택할 때의 어려움은.. 나사산의 간격과 높이에 따라 각 나사가 부재를 접합해 주는 힘이 결정이 됩니다. 또는 이 나사산은 부재 두께하고도 관련이 있습니다.
즉 부재가 얇은데 나사산이 넓은 것을 사용하면 서로 물리는 면적이 너무 적어서 쉽게 헐거워 지기 때문입니다.
또 한가지 고려해야 할 사항은, “풀림”입니다. 마감재에서 나사못을 선호하는 것은 그 작업의 편리함도 있지만, 부재와 나사산 사이의 마찰력이 강해서 나사못이 풀릴 염려가 거의 없기 때문입니다. 반대로 볼트는 이 “풀림”이 매우 중요한 이슈가 될 수 있습니다. 볼트의 풀림은 나사산의 간격하고도 연관이 있습니다. 나사산의 간격이 좁을수록 풀림의 정도가 줄어들게 됩니다. (즉 작업성과 풀림은 서로 대척관계입니다.)
이 부분은 아래 문서에 맛보기로 나와 있습니다.
https://www.fastenal.com/content/feds/pdf/Article%20-%20Screw%20Threads%20Design.pdf
5. 부재 두께와 나사산 그리고 나사의 지름
이 부분은 상당히 복잡하기에 대부분의 국가는 표준사양으로 이를 정하고 있습니다. 유료라서 파일을 올려 드릴 수는 없고, ISO 표준으로 이를 정하고 있지만 이 표준 역시도 우리가 상상하는 “이런 소재의 이런 두께에는 이런 나사를 사용한다”라고 나와 있지 않고, 구조계산의 원리만 나와 있습니다. 즉, 사실상 모든 나사는 구조계산을 통해서 선택이 되어야 하는 것이 원칙입니다.
6. 나사못 머리의 크기와 모양
서로 두께가 있는 부재를 연결할 때는 크게 중요하지 않지만.. 구조 역할의 부재에 얇은 마감재를 시공할 때는, 마감재가 나사못의 머리를 뚫어 버리고 탈락이 될 수 있기 때문에.. 이 때는 나사못의 머리 모양과 크기가 중요한 이슈가 될 수 있습니다.
다만 이 부분도 책 한권일 수 밖에 없는 것이, 마감재의 인장/전단강도하고도 관련이 있기 때문입니다. 아주 오래전 이 문제를 보다 쉽게 해결하기 위해서 만들어 낸 것이 “와셔”입니다. 즉 나사못 머리의 크기는 나사못의 지름과 비례관계로만 만들고, 마감재의 강도에 따른 머리 지름의 변화는 “와셔”로 해결을 하자는 주장이고, 매우 합리적인 이론이라서 쉽게 표준으로 정리가 되었습니다. 문제는 “와셔”의 두께와 지름을 어떻게 정하느냐인데.. 이 역시 표준에는 계산식만 나와 있기에, 엄밀히는 모두 구조계산을 통해서 선정이 되는 식입니다.
그럼에도 불구하고 이 역시 경험을 토대로 세워진 원칙은
나사못이 충분한 인장강도를 발현한다는 전재로...
금속마감재는 4/두께여야 한다는 것입니다. 즉 0.5mm 두께의 철판은 와셔지름이 최소 8mm입니다. 이 지름이 나사못 지름보다 작다면 와셔는 필요로 하지 않습니다.
7. 나사못의 간격
더 복잡한 문제는 나사못의 간격입니다. 이 간격에 따라서 모든 것이 달라지기 때문입니다.
예를 들어 나사못 하나의 응력이 약하면 필요한 만큼의 나사못을 추가하면 되기 때문입니다.
그래서 각 나사마다의 인장력과 전단력이 표도 주어 지게 되고, 구조기술사는 이 표를 근거로 필요한 나사의 간격을 정할 수 있습니다.
이와 관련하여 가장 잘 정리된 문서는 아래에 있습니다.
https://roymech.org/Useful_Tables/Screws/Strength.html
다만 아주 기본적인 구조계산은 가능하셔야 하는데.. 철재 제품은 2차모멘트, 단면계수 등 필요한 상수가 모두 제시되고 있어서 하루 정도만 투자하시면 가능하실거여요.. 이 부분도 보실만한 책이 있는지 찾아 보겠습니다.
관습적으로 사무실에 있는 상세를 가져와 복사 붙여넣기하다
답답했는데 기대되네요 ~
주말에 무언가 정리를 해서 올려 드리려고 시간을 보냈는데, 이게 정리하다 보니 책 한권이 나오겠더라고요.
최대한 정리를 해보려고 했으나, 질문을 주신 목적을 만족시키는 적절한 답변은 이 공간에서 불가능하다는 결론에 도달을 했습니다. 기대를 하셨는데 실망을 드려서 죄송합니다.
그럼에도 극히 기본적인 사항과 제가 평소에 검토를 하는 프로세스 만이라도 알려 드리는 것이 좋을 것 같아서 그 부분만 답변을 드리겠습니다.
1. 부재끼리 접합을 하는데 있어서 힘에 견디는 원리 (전단과 인장)
부재를 서로 접합을 할 경우, 우리는 그 부재가 서로 분리되지 않는 것을 목적으로 접합을 하게 됩니다.
이 때, 부재를 분리하려고 하는 힘은, (나사못이나, 일반못의 관점에서 볼 때) 크게 전단력(파란색)과 인장력(붉은 색)으로 구분을 합니다.
즉 못이 부러지려는 힘이 전단력이고, 못이 뽑히는 힘이 인장력입니다.
만약 못이 뽑히는 힘보다 부러지려는 힘이 절대적이라면, 나사못보다 일반못을 사용하게 됩니다. 왜냐면 나사못은 부러지려는 힘에 대응하는 강도가 일반못에 비해서 현저히 낮기 때문입니다. 그래서 목구조에서 구조체의 결합은 일반못으로 하게 됩니다.
하지만 철재 구조물에서는 목구조와는 다르게 부재의 두께가 상대적으로 얇아서 일반못을 사용할 경우 접합력이 나오지 않게 되므로, 인장/전단력과는 무관하게 나사못을 사용할 수 밖에 없습니다.
문제는 이 나사못이 (못의 관점에서) 전단력에 약하기 때문에, 인장력(파란색)으로 당길 경우 나사못이 훼손될 가능성이 커지게 됩니다. 그래서 이 때 사용하는 것이 마찰력이라는 개념입니다.
2. 마찰력
부재 간의 마찰력이란 나사못을 조여서, 두 부재가 밀착을 하게 되고 이 서로 밀착된 부분이 강한 마찰력을 가지도록 하는 힘입니다. (노란색 점선 구간)
즉 파란색으로 당길 때 나사못 자체가 버티는 것이 아니라 나사못은 두 부재 간의 마찰력이 생기도록 서로 밀착해 주는 역할을 하게 되는 셈입니다.
이 당기는 힘 (파란색)이 너무 커지면 나사못 만으로 충분한 마찰력을 만들어 낼 수 없으므로, 볼트로 넘어가게 됩니다.
3. 나사못과 불트의 종류
이 부분은 아래 사이트가 가장 잘 되어 있습니다.
https://www.boltdepot.com/Catalog.aspx
4. 부재를 고정할 때, 어떤 나사를 얼마 간격으로 사용해야 하는가?
이 부분이 책 한권인데요.
나사를 선택할 때의 어려움은.. 나사산의 간격과 높이에 따라 각 나사가 부재를 접합해 주는 힘이 결정이 됩니다. 또는 이 나사산은 부재 두께하고도 관련이 있습니다.
즉 부재가 얇은데 나사산이 넓은 것을 사용하면 서로 물리는 면적이 너무 적어서 쉽게 헐거워 지기 때문입니다.
또 한가지 고려해야 할 사항은, “풀림”입니다. 마감재에서 나사못을 선호하는 것은 그 작업의 편리함도 있지만, 부재와 나사산 사이의 마찰력이 강해서 나사못이 풀릴 염려가 거의 없기 때문입니다. 반대로 볼트는 이 “풀림”이 매우 중요한 이슈가 될 수 있습니다. 볼트의 풀림은 나사산의 간격하고도 연관이 있습니다. 나사산의 간격이 좁을수록 풀림의 정도가 줄어들게 됩니다. (즉 작업성과 풀림은 서로 대척관계입니다.)
이 부분은 아래 문서에 맛보기로 나와 있습니다.
https://www.fastenal.com/content/feds/pdf/Article%20-%20Screw%20Threads%20Design.pdf
5. 부재 두께와 나사산 그리고 나사의 지름
이 부분은 상당히 복잡하기에 대부분의 국가는 표준사양으로 이를 정하고 있습니다. 유료라서 파일을 올려 드릴 수는 없고, ISO 표준으로 이를 정하고 있지만 이 표준 역시도 우리가 상상하는 “이런 소재의 이런 두께에는 이런 나사를 사용한다”라고 나와 있지 않고, 구조계산의 원리만 나와 있습니다. 즉, 사실상 모든 나사는 구조계산을 통해서 선택이 되어야 하는 것이 원칙입니다.
이 것을 더 복잡하게 만드는 것은.. 나사산의 간격 뿐만이 아니라 나사산의 각도에 따라서도 강도가 변한다는 것입니다.
https://en.wikipedia.org/wiki/Screw_(simple_machine)
그럼에도 불구하고 경험을 토대로 세워진 원칙은.. (철의 경우)
나사의 지름은 전체 부재 두께의 1.5배 이상
나사산의 간격은, 부대 두께에 최소 나사산 3개가 물릴 수 있어야 한다는 것입니다. 그러면 현장에서 요구하는 최소한의 나사못 강도를 발현할 수 있습니다.
하지만 이 역시 어려운 것이.. 칼라강판처럼 얇은 철판은 오히려 나사산 간격이 넓어야 합니다. 즉 철판 속에서 나사산이 물리는 것이 아니라 나사산 자체가 철판을 지탱하고 있는 개념이어야 한다는 것입니다.
이 부분은 아래 문서에 어느 정도 정리되어 있습니다.
https://us.sfs.com/learn-more/fine-thread-vs-coarse-thread-screw
또한 목조용 나사못 역시 목재의 강도에 따라서 나사산의 간격을 정하고 있습니다.
https://www.woodmagazine.com/hardware/use-the-right-pocket-screw-thread-type-for-the-material
또한 점점도 부재가 얇아지는 추세에 맞추어 새로운 규격의 나사도 등장하고 있습니다.
https://www.assemblymag.com/articles/94391-screwdriving-for-sheet-metal-assembly
일반적인 규격의 나사산 규격은 아래에 나와 있습니다.
https://www.trfastenings.com/knowledge-base/thread-geometries/metric-coarse-standard
6. 나사못 머리의 크기와 모양
서로 두께가 있는 부재를 연결할 때는 크게 중요하지 않지만.. 구조 역할의 부재에 얇은 마감재를 시공할 때는, 마감재가 나사못의 머리를 뚫어 버리고 탈락이 될 수 있기 때문에.. 이 때는 나사못의 머리 모양과 크기가 중요한 이슈가 될 수 있습니다.
다만 이 부분도 책 한권일 수 밖에 없는 것이, 마감재의 인장/전단강도하고도 관련이 있기 때문입니다. 아주 오래전 이 문제를 보다 쉽게 해결하기 위해서 만들어 낸 것이 “와셔”입니다. 즉 나사못 머리의 크기는 나사못의 지름과 비례관계로만 만들고, 마감재의 강도에 따른 머리 지름의 변화는 “와셔”로 해결을 하자는 주장이고, 매우 합리적인 이론이라서 쉽게 표준으로 정리가 되었습니다. 문제는 “와셔”의 두께와 지름을 어떻게 정하느냐인데.. 이 역시 표준에는 계산식만 나와 있기에, 엄밀히는 모두 구조계산을 통해서 선정이 되는 식입니다.
그럼에도 불구하고 이 역시 경험을 토대로 세워진 원칙은
나사못이 충분한 인장강도를 발현한다는 전재로...
금속마감재는 4/두께여야 한다는 것입니다. 즉 0.5mm 두께의 철판은 와셔지름이 최소 8mm입니다. 이 지름이 나사못 지름보다 작다면 와셔는 필요로 하지 않습니다.
또한 부재의 종류에 따라서 점점 더 정밀한 계산이 가능해 지면서, 각 재료별 나사못의 종류도 다양해 졌습니다. 물론 부식의 문제도 고려를 했어야 했고요. 이 부분은 아래 문서에서 맛보기로 볼 수 있습니다.
https://www.indexfix.com/docs/ft-ros-en.pdf
7. 나사못의 간격
더 복잡한 문제는 나사못의 간격입니다. 이 간격에 따라서 모든 것이 달라지기 때문입니다.
예를 들어 나사못 하나의 응력이 약하면 필요한 만큼의 나사못을 추가하면 되기 때문입니다.
그래서 각 나사마다의 인장력과 전단력이 표도 주어 지게 되고, 구조기술사는 이 표를 근거로 필요한 나사의 간격을 정할 수 있습니다.
이와 관련하여 가장 잘 정리된 문서는 아래에 있습니다.
https://roymech.org/Useful_Tables/Screws/Strength.html
7. 각관 등 각종 형강의 계산
이 부분은 100% 구조계산의 몫인데, 기본적인 것은 어렵지 않습니다.
우선 각 형강의 모양을 선택하는 것은 디자인과 경제성의 영역입니다. 각 형강별로 필요한 응력이 주어지므로, 모양과 구조 형태는 상관관계가 없습니다. 그저 어떤 형태를 선택하는 것이 가장 경제적이며, 디자인과 부합을 하느냐에 의해서만 결정이 됩니다.
각 형강별 구조계산에 필요한 단면계수, 단면2차모멘트 등은 아래 표에 정리되어 있습니다.
https://m.blog.naver.com/PostView.naver?isHttpsRedirect=true&blogId=thegoldman&logNo=30019682111
이를 통해서 단면2차모멘트라는 것을 구하게 되고,
https://kr.misumi-ec.com/tech-info/categories/technical_data/td01/a0201.html
https://blog.naver.com/PostView.nhn?blogId=mjfafa0104&logNo=221336219944&redirect=Dlog&widgetTypeCall=true&directAccess=false
이 것을 바탕으로 설계를 하게 되는데, 철재에서 가장 중요한 이슈는 "처짐"입니다.
이 "처짐"만 만족을 하면 대부분의 부재는 문제가 되지 않습니다. 처짐 계산은 아래의 식으로 하게 됩니다.
https://blog.naver.com/PostView.naver?blogId=mjfafa0104&logNo=221416826156&parentCategoryNo=&categoryNo=22&viewDate=&isShowPopularPosts=false&from=postView
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과정이 이러하므로, 표준은 크게 두가지 방향에서 접근을 하게 됩니다.
1. 구조 부재 : 위의 여러가지 자료를 바탕으로 구조기술사가 계산
2. 마감 부재 : 각 마감재 제조사에서 필요한 나사못의 간격과 규격을 제공
우리나라는 2번이 거의 부재한 나라이므로, 해외 유사 자재의 체결 표준에 의존하고 있는 형편입니다.
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속시원한 답이 되지는 못하겠지만, 너무 방대한 자료라서 나름 최소의 양으로 설명을 드리려 노력을 하였습니다.
추가 질문을 주시면 성심껏 답변 드리겠습니다.