항공산업기사 필답시험 고득점전략 #6

충분한 강도를 얻기 위한 리벳 크기와 리벳의 개수를 구하시오.

리벳에 관한 문제는 꾸준히, 다양한 형태로 출제된다. 출제된 모든 문제를 외우려 하지 말고 이해하여, 어떤 형태의 문제든 다 맞히자.

• 많은 문제가 아래 그림처럼 리벳의 지름(D), 길이(L), 벅테일의 높이와 지름을 묻는다.
• 조금 난이도를 높이면, 리벳의 규격을 주고서 리벳의 지름과 벅테일의 높이와 지름을 계산하라고 한다.
• 리벳의 규격을 주고 설명하라고 나오기도 한다.
• 가장 어려운(?) 문제는 판재 결합 시 필요한 리벳의 개수를 구하는 문제다.

위의 그림과 교과서에 나오는 대로 설명하면,

• 알맞은 리벳의 지름(D)은 두꺼운 판재 두께(T)의 세 배다. $D = 3T$
• 리벳을 쳤을 때 적절한 벅테일(Buck tail)의 지름(①)은 리벳 지름(D)의 $1.5$배이고, 높이(③)는 리벳 지름(D)의 $0.5$ 배이다.
• 위와 같이 벅테일을 만들기 위해서는 판재 밖으로 빠져나오는 리벳의 길이(①)는 리벳 지름(D)의 $1.5$ 배가 적당하다.
• 따라서 리벳의 전체 길이는 두 판재의 두께에 판재 밖으로 빠져나온 리벳의 길이를 더한 값이다.

(예시 1) 리벳의 직경을 정할 때 어떻게 하는가?

작업할 판재 중 두꺼운 판재 두께의 3배로 정한다.

(예시 2) 작업할 판재의 전체 두께는 G, 리벳의 직경은 D이다. 필요한 리벳의 전체 길이를 구하시오.

위 그림에서 보는 바와 같이 전체 길이 $L = G + 1.5D$이다.

만약 두 판재의 두께(T)를 모두 0.04in로 주고 리벳의 직경과 길이를 구하라는 문제가 있다면, 어떻게 계산해야 할 지 생각해 보자.

• 리벳의 지름 $D = 3T = 3 \times 0.04 = 0.12 inch$
• 리벳의 길이 $L = G + 1.5D = 2 \times 0.04 + 1.5 \times 0.12 =  0.26 inch$

그리고 리벳 규격에서 지름과 길이는 32분의 몇 인치와 16분의 몇 인치로 나타내므로 바꿔서 표시하면 다음과 같다. 소수를 분수로 바꾸는 방법은 간단하다. 분자와 분모에 같은 값(32 또는 16)을 곱하면 된다.

예를 들어 0.245는 $\frac{0.245}{1}$와 같으므로, 분모를 16으로 만들고 싶으면 분자와 분모에 16을 곱한다. 그러면 $\frac{0.245 \times 16}{1 \times 16} = \frac{4}{16} = \frac{1}{4}$이다.

 

위와 같은 방식으로 문제의 답을 분수로 표현하면 아래와 같다.

• 리벳의 지름 $D = 0.12 = \frac{0.12 \times 32}{1 \times 32} = \frac{4}{32} = \frac{1}{8} inch$
• 리벳의 길이 $L = 0.26  = \frac{0.26 \times 16}{1 \times 16} = \frac{5}{16} inch$

(예시 3) 리벳의 강도를 충분히 얻기 위한 성형머리(Shop Head, Buck Tail)의 크기는? (단, 리벳 지름은 D이다.)

성형머리의 지름은 1.5D이고, 성형머리의 높이는 0.5D이다.

(예시 4) AN 470 DD - 5 - 6 리벳을 사용하여 작업했을 때 적절한 벅테일의 크기는? (소수점 셋째 자리까지 쓰시오.)

먼저 리벳 규격을 해석해 보자.

• AN: 미국 공군 및 해군 규격
• 470: 유니버설 머리리벳 (universal head rivet)
• DD: 재질이 2024 (A-1100, AD-2117, D-2017, B-5056)
• 5: 리벳 지름 $\frac{5}{32} inch$
• 6: 리벳 길이 $\frac{6}{6} inch$

따라서

• 벅테일의 지름은 1.5D이므로: $1.5 \times \frac{5}{32} = 0.235 [in]$ 이다.
• 벅테일의 높이는 0.5D이므로: $0.5 \times \frac{5}{32} = 0.078 [in]$ 이다.

(예시 5) 위 그림에서 ①, ②, ③의 길이를 리벳 지름(D)을 이용하여 표시하시오.

• ① = 1.5D
• ② = 1.5D
• ③ = 0.5D

(예시 6) 다음과 같은 조건이 주어질 때 필요한 리벳의 개수를 구하시오.

두께가 40/1000 in, 길이가 2.75 in 인 2024 T3 알루미늄 판재를 AD리벳으로 결합하려면 몇 개의 리벳이 필요한가? (단, 2024 T3 판재의 극한인장응력은 60000psi, AD리벳 1개당 전단강도는 388 lb, 안전계수는 1.15 이다.)

 

계산 문제는 풀이과정을 반드시 적어야 하므로 공식을 알고 있어야 하지만, 아무 생각 없이 외우면 외우기 힘들다. 아래와 같이 생각하면 너무 쉽다.

어떤 판재에 작용하는 하중이 100이다. 리벳 한 개가 견딜 수 있는 하중은 5이다. 그럼 리벳이 몇 개 있어야 판재의 하중 100을 견딜 수 있는가? 단, 안전을 고려하여 1.15배의 개수를 구하라.

답: 리벳 20개가 있어야 100을 견딘다. 거기에 안전을 고려하여 1.15배 하면 23개이다.

 

공식으로 만들어 보자.

$$ 리벳의\, 개수 = 안전계수 \times \frac{판재에\, 작용하는\, 인장하중}{리벳\, 한\, 개의\, 강도}$$

• 판재의 작용하는 하중 = 판재의 인장응력(σ) × 판재의 두께(T) × 판재의 너비(L)
• 리벳의 전단 강도  = 리벳의 전단응력(τ) × 리벳의 단면적 ($A = \frac{πD^2}{4}$)

따라서 필요한 리벳의 수는 다음과 같이 구한다.

$$N = 1.15 \times \frac{TL \sigma}{\frac{\pi D^2}{4} \times \tau}$$

 

위 문제는 리벳 한 개의 전단강도를 주었기 때문에 별도로 계산할 필요 없고, 판재에 작용하는 인장하중만 구해서 공식에 넣으면 된다. 그러므로

$$N = 1.15 \times \frac{\frac{40}{1000} \times 2.75 \times 60000}{388} = 19.56$$

 

따라서 답은 20개이다.

 

문제에 따라 판재의 인장응력이 아니라 인장하중이 주어지면 위의 계산은 더욱 간단해진다. 무작정 공식을 외우지 말고, 위에서 예로 든 것을 기억하면 쉽게 공식을 생각해 낼 수 있다.

위 문제 외에 연거리, 리벳 피치(간격), 횡단 피치의 크기를 구하는 문제도 나온다.

특별한 설명없어도 되므로 생략한다.