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브레이스 연결과 IDEA StatiCa

05. 04. 2023

| 저자: Adam Kozousek, Ralph Pullinger

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이 글에서는 강재 브레이스와 강구조 연결의 세계를 살펴보겠습니다. 브레이스가 무엇인지, 어떻게 사용되는지, 어떤 형태를 가질 수 있는지, 그리고 브레이싱 설계 계산을 효율적으로 직접 수행하기 위해 무엇이 필요한지를 다룹니다.

이 글은 제 동료 Ralph Pullinger가 작성한 트러스를 살펴보는 글의 후속 기사입니다. 먼저, 가장 근본적인 질문은 – 브레이싱과 트러스의 차이는 무엇인가입니다? 예상하시다시피, 이 두 주제는 약간 겹치는 부분이 있습니다.

본질적으로, 브레이스는 무언가를 지지하거나 강화하거나 보강하는 단일 부재인 반면, 트러스는 일반적으로 구조의 전체적인 부분을 이루며 여러 부재로 구성됩니다. 다시 말해, 브레이싱은 트러스 구조의 일부가 될 수 있습니다. 물론, 일부 트러스 시스템은 완성을 위해 반드시 브레이스를 필요로 합니다 – 특히 주택 시장에서 그러합니다. 일부 트러스 내의 부재들도 브레이스 역할을 합니다.

그렇다면 브레이스는 어디에서 발견되며, 브레이싱 시스템은 강구조에서만 사용되는 것일까요? 전혀 그렇지 않습니다. 브레이스는 일반적으로 강재 및 목재 골조 건물에서 찾아볼 수 있습니다. 콘크리트 골조에서는 보강이나 내력 증대와 같은 특별한 이유가 없는 한 상대적으로 드물게 사용됩니다.

강구조에서 사용되는 브레이싱 시스템

강구조 시스템에서 브레이스는 일반적으로 축력만을 부담하는 것으로 정의됩니다(압축 또는 인장). 브레이스가 모멘트를 부담해야 한다면, 이는 보 또는 기둥으로 정의되어야 함을 의미합니다. 브레이스는 수평 또는 수직 축에만 국한되지 않습니다. 경사면(예: 지붕면)에서도 사용됩니다. 브레이스는 항상 하중을 전달합니다. 주로 풍하중과 같은 수평 하중을 전달하여 지지 메커니즘, 즉 일반적으로 기초로 전달하는 역할을 합니다.

브레이스는 와이어, 스트립, 앵글, 봉, 중공 단면, 심지어 I형 단면의 형태를 취할 수 있습니다. 전통적으로 항상 숨겨지도록 설계되었지만, 노출되어 강조된 사례도 여러 가지 있습니다.

파사드에 브레이싱과 브레이스 연결 상세를 드러낸 건축과 구조 엔지니어링의 아름다운 공생 사례는 스페인에서 찾아볼 수 있으며, 현재 Hotel Arts Barcelona로 알려진 건물이 그 예입니다. 이 건물에서는 강구조 연결부가 거의 손에 닿을 만큼 가까이 있으며, 호텔 투숙객들이 직접 관찰할 수 있습니다. 당사 웨비나 중 하나에서 이 브레이싱 설계 계산을 어떻게 수행했는지 확인해 보세요.

2D(아날로그 및 디지털 모두) 시대에는, 브레이싱이 작동하는 평면의 특성상 창문 앞을 지나가거나(의도치 않게) 출입문을 막는 상황이 발견될 때까지 자주 간과되었습니다. 그런 상황을 기억하시는 분이 얼마나 계실까요?

이제 BIM의 등장으로 이러한 조율 문제는 거의 사라졌습니다(바라건대). 유한요소법의 도입으로 재료를 더 효율적으로 사용할 수 있게 되었으며, 보다 엄밀한 해석 방법을 통해 엔지니어들이 브레이싱 시스템을 더 효과적으로 배치할 수 있게 되었습니다.

가장 단순한 형태에서 브레이스는 한 위치에서 다른 위치로 연결되는 부재입니다. 단일 브레이스일 수도 있고, 패턴을 형성하는 더 큰 브레이싱 시스템의 일부일 수도 있습니다. 물론, 구조물에 사용되는 브레이싱 시스템은 일반적으로 사용되는 X형 브레이싱부터 건축적 요구사항을 반영한 고급 시스템까지 다양합니다.

엔지니어의 교육과 경험은 일반적으로 적절한 브레이싱의 위치와 형태를 찾는 데 도움을 줍니다. 이는 해석을 통해 더욱 정밀하게 다듬어질 수 있습니다. 이 해석 과정에서 편심과 같은 추가적인 영향은 무시할 수 있는 것으로 가정됩니다. 제가 항상 강조하듯이 – 엔지니어는 단순함을 선호합니다.

전체 구조 해석(2D 또는 3D 골조)에서는 보, 기둥, 브레이싱이 모두 하나의 노드에서 만나는 것을 볼 수 있습니다. 실제로는 항상 어느 정도의 편심이 존재하기 때문에 이것이 불가능합니다. 이는 유한요소법 및 BIM에서도 모델링하여 이러한 영향을 고려할 수 있습니다 – 일반적으로 위/아래 또는 좌/우로 약간 이동하는 것으로 충분합니다.

구조적 편심과 그 문제에 관한 Jan Kubicek의 블로그를 더 읽어보세요 – 올바른 방향으로 가지 않는다면 어떻게 될까요?

강구조에서의 브레이스 연결 유형

이제 설계 하중을 부담할 수 있는 일련의 브레이스가 있다고 할 때 – 이를 주 구조에 어떻게 연결할까요? 여기서 상세 설계자의 기술과 지식이 발휘됩니다. 여기서의 한계는 무엇일까요? 간단히 말하면, 상세 설계자가 기억 속에 저장하고 있는 강구조 연결 유형의 수, 물론 그/그녀의 창의성, 그리고 사용하는 소프트웨어 도구의 한계가 무엇인지에 달려 있습니다.

이 작업을 수행하는 일반적인 배치의 예는 많이 있습니다. 대부분은 눈에 띄지 않지만, 일부는 두드러집니다. 아래 예시는 사례 연구 및 웨비나 Midland Metropolitan 병원의 파사드 연결에서 가져온 것입니다.

클라이언트는 브레이싱 시스템을 특징적인 요소로 만들고자 했으며, IDEA StatiCa를 사용하여 기능적이고 매력적인 연결부를 만들었습니다.

이는 IDEA StatiCa가 Tekla Structures와 같은 소프트웨어의 기하학적 모델(BIM)을 활용하여 부재 위치와 다양한 플레이트 형상을 파악하고, SCIA Engineer와 같은 유한요소법 소프트웨어를 통해 하중 효과를 적용할 수 있는 훌륭한 사례가 될 것입니다 (다른 CAD 및 유한요소법 솔루션도 이용 가능합니다😊). 그리고 이것은 실제로 가능합니다!

IDEA StatiCa에서의 브레이스 연결 상세

연결부 설계 및 규정 검토 애플리케이션인 IDEA StatiCa Connection은 물론, 일반적인 V형 브레이싱 시스템과 같은 단순한 연결부부터 시작하여 모든 유형의 기하학적 형상과 하중을 처리할 수 있습니다. Excel 스프레드시트와 비교했을 때 이 애플리케이션의 강점은 상세 형상의 빠른 생성, 신속한 최적화 가능성, 완전한 시각적 제어, 그리고 무엇보다도 좌굴 해석입니다!

Jana Kaderova가 작성한 좌굴에는 비판적 사고가 필요합니다! 기사에서 브레이스 연결뿐만 아니라 좌굴에 대해 더 읽어보세요.

표준적인 연결부 외에도, 당사 앱은 고난도 연결부에서도 그 역량을 입증했습니다. 여기서는 건축가가 자신의 꿈을 실현하고 구조 엔지니어가 악몽을 겪는 상황이 펼쳐집니다. 이러한 X형 브레이싱 중앙 링은 표준화된 제조 및 시험된 것부터 완전한 해석과 규정 검토가 필요한 완전 맞춤형에 이르기까지 다양한 형태로 사용됩니다.

브레이스 항목에서, 당사 헬프데스크에 자주 접수되는 문의 중 하나를 살펴볼 수 있습니다. 위의 예시들은 또한 브레이스에서 구조물로의 단일 볼트 연결을 보여줍니다. 따라서 이 부재는 모멘트를 부담할 수 없으며, 오직 축력과 전단력만을 부담합니다.

강구조 연결 소프트웨어 IDEA StatiCa Connection에서, 브레이싱 부재의 모델 유형 매개변수를 기본값인 N-Vy-Vz-Mx-My-Mz에서 N-Vy-Vz(모멘트 없음)로 변경해야 합니다. 그렇지 않으면 볼트 주변에 형성되는 메커니즘으로 인해 특이점이 발생합니다.

충분히 검증된 솔루션

며칠 전, 헬프데스크 업무의 일환으로 표준적이면서도 비표준적인 연결부 문제를 해결하고 있었습니다. 이는 관점에 따라 다릅니다. 연결부 모델은 단순 완전 용접 중공 단면(RHS) K-접합부였으며, 고객은 Connection 앱에서 계산된 이 브레이싱 연결부의 낮은 내하력을 수계산 결과와 비교하여 논의하고 있었습니다.

이 부분에서 중요한 점은, 소프트웨어의 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 기반 솔루션이 실험실 시험 및 다수의 사용 예시를 포함한 여러 수준에서 완전히 검증되어 있다는 것입니다. 그럼에도 불구하고, 당사는 문제를 철저히 검토하고 midas FEA NX 소프트웨어에서 기하학적 비선형 탄소성 거동을 적용한 3D 솔리드 요소로 구성된 독립적인 유한요소 모델을 제공하여 대응했습니다.

두 모델의 가정 조건:

강재 S355 – 경화를 포함한 이선형 다이어그램
기하학적 및 재료 비선형 해석

일반적으로 설계 기준에서 제공하는 수계산은 다소 보수적인 경향이 있습니다. 이 경우에는 그 반대이며, 정밀한 모델을 제공하는 이중 검증된 유한요소 솔루션은 수계산 대비 두 수치 모델 모두에서 약 20% 낮은 내하력을 단순히 나타냅니다. 결론적으로, 이는 주 보의 공간적 변형 및 펀칭에 기인합니다.

이 외에도, 당사 지원 센터의 검증 및 연구 기사 목록 중에는 브레이싱만을 다루는 기사들도 있습니다.

그 중 하나인 직사각형 중공 단면은 유로코드에 따라 설계된 용접 K-접합부의 예시도 포함하고 있습니다. 이 연구는 Connection 앱 결과와 전통적인 방법, 즉 단면 SHS K-접합부에 대한 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)과 FMM의 내력 비교 연구 결과를 보여줍니다.

미국 기준 AISC의 경우, 시카고 일리노이 대학교와 IDEA StatiCa의 공동 프로젝트에서 Mahamid Mustafa가 준비한 몇 가지 검증 예시가 있습니다. 가새 골조에서의 쉐브론 브레이스 연결부(AISC) 문서와 다른 예시들은 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 방법의 안전하면서도 효율적인 개념을 잘 보여줍니다.