벨기에 Connection Workshop에서의 강구조 연결 설계

최근 InfoSteel과 협력하여 벨기에에서 이에 초점을 맞춘 Connection Workshop을 개최하였습니다.

세 팀으로 나뉜 참가자들은 두 가지 도전적인 설계 과제를 수행하였습니다. 각 팀은 강도와 강성은 물론 시공성을 고려하여 강구조 연결을 설계하는 과제를 부여받았습니다. 주니어와 시니어 프로필의 참가자들이 함께하여 서로 배울 수 있었으며, 동료들과 만나고 교류하는 좋은 기회가 되었습니다.

경험 많은 구조 엔지니어 Stijn Jespers가 참석하여 설계를 평가하고 팀의 설계 선택을 지원하였습니다. 설계 과정에서 IDEA StatiCa를 통해 연결부를 직접 모델링할 수 있었습니다. 이를 통해 엔지니어들은 3D 모델과 결과를 즉시 확인하고 함께 분석 및 토론할 수 있었습니다.

각 팀의 다양한 설계 선택이 궁금하신가요? 과제 1부터 시작하여 아래에서 결과를 설명합니다.

사례 1 - 모멘트 저항

첫 번째 과제에서는 HEB300 기둥에 세 개의 HEA300 보가 만나는 노드를 살펴봅니다. 세 개의 HEA300 보 모두를 모멘트 저항으로 연결해야 한다는 점이 도전 과제였습니다. 보에 상당한 전단력과 휨 모멘트가 작용하여 연결부의 강도와 강성 모두에 대한 심각한 시험이 되었습니다.

토론 과정에서 여러 설계 고려 사항이 도출되었습니다. 먼저 기둥을 연속으로 할 것인지, 아니면 보 M1과 M2를 연속으로 할 것인지에 대한 고려가 있었습니다. 이 차이는 그룹 1, 2와 그룹 3의 설계에서도 확인할 수 있습니다.

그룹 3은 세 개의 동일한 연결부를 구현하기 위해 이 방법을 선택하였으며, 이는 생산성을 높이고 특히 프로젝트에서 이러한 노드가 여러 개 발생할 경우 오류 가능성을 줄입니다. CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 계산 결과는 아래에 나와 있습니다. 세 가지 설계 모두 규정 검토를 충족합니다. 플레이트 두께, 용접 및 헌치의 치수는 추가로 최적화할 수 있습니다.

설계 과정에서 경험 많은 엔지니어는 연속 보를 선택할 때 강재 단면의 공차를 반드시 고려해야 한다고 지적하였습니다. 기둥이 보보다 약간 넓거나(또는 그 반대의 경우) 단차가 발생합니다. 그 결과 엔드 플레이트를 평탄하게 조립할 수 없거나 용접을 올바르게 시공할 수 없게 됩니다.

보를 기둥 위로 연장할 때 또 다른 중요한 고려 사항은 M1과 M2의 휨 모멘트가 항상 동시에 발생하는지 여부입니다. 동시에 발생하지 않는 경우, 연속 기둥이 구조적으로 더 명확한 해결책이 될 수 있으며 노드에서 예상치 못한 응력을 방지하는 데 도움이 됩니다. 기둥 위의 연속 보는 힘(M1과 M2)이 항상 동시에 존재할 때만 최적입니다.

또한 특히 보 L의 경우 기둥의 약축 방향으로 연결되기 때문에 연결부를 모멘트 저항으로 만드는 것이 도전 과제였습니다. 이 상황에서 강체 연결을 위해서는 헌치가 필요합니다. 그러나 이는 적절한 힘 전달을 보장하기 위해 기둥에 스티프너가 필요함을 의미합니다. 이러한 스티프너는 연결부의 제작성에 영향을 미칩니다. 상단 및 하단 플랜지 모두에 스티프너를 사용하면 현장에서 볼트 설치가 불가능해집니다.

IDEA StatiCa Connection을 사용하면 엔지니어가 연결부의 강성을 분석할 수 있습니다. 그룹 3의 강구조 연결에 대해 이러한 분석을 수행하여 연결부가 강체로 분류될 수 있는지 검증하였습니다. 이 기둥-보 연결에 대한 모멘트-회전 다이어그램이 작성되었으며, 아래 결과는 연결부가 강체로 분류됨을 보여줍니다.

사례 2 - 경사 연결

두 번째 사례에서는 네 개의 보가 30도 각도로 만나는 노드를 살펴봅니다. HEB240 보에는 축방향 압축력, 휨 및 전단력이 작용하며, RHS120/80/8 또는 IPE120으로 구성된 단부 부재는 축방향 인장력 또는 압축력을 전달합니다.

부재 사이의 각도로 인해 접합부가 좁아집니다. 언뜻 보면 세 그룹의 설계가 매우 유사하지만, 각각 힘을 효율적으로 전달하기 위해 약간씩 다른 접근 방식을 취하고 있습니다.

모든 그룹은 효과적인 연결 방식을 선택하여 엔드 플레이트로 보를 연결하고, 핀 플레이트 연결을 사용하여 RHS 부재를 엔드 플레이트에 부착하였습니다. 이를 통해 추가적인 플레이트 작업을 피하고 현장에서 비교적 쉽게 조립할 수 있는 정돈된 노드를 구성할 수 있습니다.

아래는 IDEA StatiCa Connection의 결과입니다. 하중의 100%가 전달되며 모든 규정 검토를 충족합니다.

토론 중에 제기된 추가 설계 고려 사항은 볼트 배치와 스플라이스 플레이트를 상단 또는 하단으로 연장할지의 선택입니다. 이는 종종 가용 공간에 따라 달라집니다. 구조적으로는 인장력이 발생하는 위치이기 때문에 상단의 추가 볼트 열이 더 효과적일 수 있습니다. 그러나 HEB240 보의 휨 모멘트가 반대 방향으로도 발생할 수 있다면 이 볼트 열의 효과는 제한됩니다. 이는 강구조 연결 설계에 얼마나 많은 요소가 영향을 미치는지, 그리고 이를 하나의 계산 예제로 파악하기가 쉽지 않음을 보여줍니다.

그룹 2와 3은 동일하지만 미러링된 두 개의 엔드 플레이트를 선택하였습니다. 이는 생산, 절단 및 용접, 그리고 조립 측면에서 더 경제적입니다. 또한 단부 부재가 엔드 플레이트에 직접 연결되기 때문에 볼트의 전단력이 초기 수계산과 완전히 일치하지 않을 수 있음을 유의해야 합니다. IDEA StatiCa에서 볼트의 전단력 방향을 확인할 수 있으며, 이는 HEB240 보의 전단력과 RHS 부재의 인장력 모두에 의해 영향을 받는다는 것을 알 수 있습니다.

이러한 콤팩트한 연결부를 설계할 때 3D 모델링은 매우 유용합니다. 볼트가 맞는지, 현장에서 조립 가능한지를 즉시 확인할 수 있기 때문입니다. 이를 통해 플레이트를 연장해야 하는지 또는 볼트 열을 이동해야 하는지를 즉시 결정할 수 있습니다.

마무리

강구조 연결 설계는 보 또는 기둥의 연속성, 볼트와 플레이트의 배치, 단면 선택, 그리고 효율적인 힘 전달 등 많은 요소에 따라 달라집니다. 각 결정은 연결부의 제작성과 구조적 명확성 모두에 영향을 미칩니다. IDEA StatiCa Connection을 사용하면 이러한 모든 측면을 신속하게 평가할 수 있습니다. 강성을 계산하고, 규정 검토를 수행하며, 설계가 실제로 실현 가능한지 검증할 수 있습니다. 이를 통해 기술적으로 건전하고 현장에서 효율적으로 실현할 수 있는 연결부를 얻을 수 있습니다.