거셋 플레이트 - 왜 중요한가?

거셋 플레이트 연결을 매우 빠르게 만들어야 할 때 어떻게 하시겠습니까? 주 보에 직사각형 철판 조각을 추가하고 보조 부재를 이 플레이트에 연결하면 됩니다. 그러면 완성입니다. 그렇다면 왜 중요한 걸까요?

다음의 경우에는 별로 중요하지 않습니다. 1. 인장 하중을 받는 하나의 부재를 연결하는 경우, 2. 모든 연결 구성 요소를 위한 충분한 공간이 있는 경우, 3. 연결의 미관을 고려할 필요가 없는 경우. 연결의 복잡성, 부재의 압축, 비용 및 외관 측면의 압박이 커질수록 진정한 어려움이 시작됩니다. 

거셋 연결 배치의 기본 유형

다음 그림에서 강구조 연결에서 거셋 플레이트의 일반적인 횡방향 배치를 확인할 수 있습니다. 

거셋의 가장 일반적인 적용 사례는 트러스 보와 횡방향 가새 시스템에서 찾을 수 있으며, 여기서 대각 부재는 거셋을 통해 연결됩니다.

거셋 플레이트란 무엇이고 무엇이 아닌가

경험이 없는 눈에는 연결부의 모든 강재 구성 요소 중에서 거셋 플레이트(또는 거셋)를 찾기 어려울 수 있습니다. 누군가는 이것이 그냥 또 다른 스티프너가 아닌지 물을 수도 있습니다. 하지만 그렇지 않습니다. 

• 거셋은 구조의 핵심 부분으로, 연결된 부재로부터 모든 내력이 전달됩니다.
• 반면 스티프너는 올바른 연결 강성을 확보하고 플레이트 좌굴을 방지하는 데 필요한 중요한 부분입니다.
• 간단히 말해, 거셋이 파괴되면 재앙이 발생합니다. 스티프너가 없어도 구조는 (적어도 일정 시간 동안은) 버팁니다. 

거셋 플레이트라는 용어는 구조물 또는 그 일부가 붕괴된 후에야 주목을 받는 경우가 많습니다. 2007년 Interstate 35W 교량 붕괴 사고가 그러한 불행한 사례 중 하나였습니다.

이 경우, 주요 원인은 트러스 보의 거셋 플레이트의 불충분한 설계와 수많은 교량 점검 과정에서 이 연결 부품에 대한 관리 부재로 확인되었습니다. 거셋이 설계에서 가장 취약한 지점이 되지 않을 것이며, 거셋 플레이트 연결이 연결부로 이어지는 보보다 더 강할 것이라고 단순히 가정했습니다. 안타깝게도 그렇지 않았습니다.

설계 기준은 거셋 플레이트 연결 설계를 검토하는 방법에 대한 지침을 제공합니다. 거셋 플레이트에 대한 사양이 포함된 설계 기준의 예:

• AISC 360-16 (미국)
• CSA-S16-09 (캐나다)
• EN 1993-1-8 (유럽)

이러한 지침은 해석적 접근 방식을 기반으로 하며, 적용하기는 비교적 쉽지만 연결 유형이나 대안의 수가 증가함에 따라 매우 시간이 많이 소요될 수 있습니다.

인장을 받는 부재

인장 부재의 연결은 비교적 쉬운 편입니다. 그러나 엔지니어는 여전히 거셋 플레이트에 대해 여러 가지 검토를 수행해야 합니다. 예를 들어, Whitmore 단면은 인장력에 대해 검토되어야 합니다.

도면에서의 모습:

실제 구조물에서의 모습:

또 다른 검토는 연결부의 블록 전단 파괴와 관련이 있으며, 이는 전단력과 인장력 성분을 모두 포함하고 AISC 360 Sec. J4.3에 규정되어 있습니다. 연결 설계자로서 아래 예시에서 볼 수 있듯이 볼트 배열에서 가능한 모든 전단 파괴 경로를 검토해야 합니다.

블록 전단 저항 평가에 대한 잘 준비된 예시는 이 검증 문서에서 찾을 수 있습니다.

압축을 받는 부재

거셋 연결 설계는 압축 부재의 경우 완전히 다른 양상이 될 수 있습니다. 모든 전단 파괴를 검토해야 하지만, 좌굴 문제가 훨씬 더 중요한 역할을 하기 시작합니다. 

압축 부재 연결 설계에서 중요한 매개변수는 부재가 거셋의 면 밖으로 이동할 수 있는지 여부입니다. 이는 파괴 메커니즘의 거동과 플레이트의 소성 힌지 형성에 영향을 미칩니다. IDEA StatiCa Connection에서는 올바른 모델 유형을 선택하여 각 부재에 대해 이 거동을 간단히 설정할 수 있습니다.

이 두 가지 다른 상황에 대한 파괴 모드는 다음 그림에 나타나 있습니다.

이는 해석적 접근 방식으로도 해결할 수 있지만, 각각의 연결 배치마다 많은 시간이 소요될 것입니다. 엔지니어는 이 상황을 피하기 위해 스티프너를 추가하는 방식으로 귀중한 시간을 절약하려 할 것입니다. 이해할 수 있는 방법이지만 비용이 많이 드는 해결책입니다.

이러한 연결에 대한 안정성 검토를 제공하는 스마트 도구를 사용하는 것이 또 다른 방법입니다. 좌굴 해석은 IDEA StatiCa Connection 앱의 기본 기능이며, 사용자가 정의한 수의 형상에 대한 좌굴 형상과 하중 계수를 제공합니다.

연구

IDEA StatiCa 개발에서는 시행착오 방식이 허용되지 않습니다. 애플리케이션과 계산 모델에 사용되는 모든 방법은 실제 구조물 시험을 통해 검증되고, 저명한 대학과의 협력을 통해 추가 분석됩니다.

그러한 연구 중 하나는 거셋 플레이트 연결 설계에도 전념했습니다. 시험 결과는 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 모델링과 매우 좋은 상관관계를 보이며 비교되었습니다. 연구 결과가 담긴 검증 문서를 여기서 확인할 수 있습니다.

효율적이고 경쟁력 있는 방법

기준에 따른 연결 설계가 필요하지만, 몇 달이 아닌 몇 주 안에 설계와 검토를 완료해야 할 때 어떤 선택지가 있을까요? 또한 프로젝트 진행 중 수정에 유연하게 대응하고 합리적인 시간 내에 여러 배치를 비교하고 싶을 것입니다. 연결이 쉽게 조립되고 비용이 과도하지 않기를 원하시나요?

이미 올바른 답을 알고 계실 것입니다. 창의적이지 않은 작업의 대부분을 대신 처리해 줄 21세기 도구를 사용해야 합니다. 설계에서 진정한 자유를 원한다면 선택지는 크게 줄어듭니다. 

간단히 IDEA StatiCa Connection을 사용해 보시면 작업에 필요한 모든 것이 갖춰져 있음을 알게 될 것입니다. 또는 표준적인 학습 경로를 따를 수도 있습니다: 

• 먼저 Excel 스프레드시트를 사용하고, 
• 그 다음 좀 더 정교한 스프레드시트 기반 연결 소프트웨어를 시도하고, 
• 한계에 도달하면 더욱 정교한 것을 실험하는 데 시간을 보내고, 
• FEA 애플리케이션에서 상세한 쉘 모델을 만들어 보고 
• 이 모든 시도 끝에 결국 IDEA StatiCa Connection 애플리케이션을 선택하게 됩니다.

이 과정을 거치면 모든 장점을 충분히 이해하게 될 것입니다.  

거셋이 있는 연결에 대한 짧은 동영상 튜토리얼

비용 산정과 관련하여, 요즘에는 각 연결의 가격을 계산하는 것이 매우 까다로울 수 있습니다. IDEA StatiCa 앱에서는 이 정보가 거의 유쾌한 부수 효과처럼 나옵니다. 이 문서에서 이 기능을 사용하는 방법에 대한 모든 필요한 팁을 찾을 수 있습니다.

거셋 플레이트의 또 다른 일반적인 사용

CNC 가공이 토목 건설 작업장에도 도입됨에 따라, 거셋 플레이트는 강재 부재뿐만 아니라 목재 부재를 연결하는 주요 방법 중 하나가 되었습니다. 복잡한 부재 단부 형상을 가공하는 대신, 구멍이 있는 강판을 간단히 삽입할 수 있습니다. 목재 부재는 CNC로 제작된 구멍과 홈으로 준비되며, 연결은 최종적으로 강재 핀과 볼트로 조립됩니다.

구조 설계 발전의 다음 단계는 구조 재료를 결합하여 적절한 위치에서 각 재료의 최적 특성을 활용하는 것입니다. 이것이 바로 하이브리드 목재-강재 구조가 탄생한 배경입니다. 자연스러운 시각적 아름다움 외에도 비용 절감, 내화 보호 필요성 감소, 탄소 발자국 저감 등 다양한 이유로 활용됩니다.

강재-목재 설계에 관심 있는 분들은 IDEA StatiCa Connection에서 해결된 목재 연결에 대해 자세히 읽어보시고, 지원 센터를 방문하시기 바랍니다.

IDEA StatiCa는 연결 및 구조 부재 설계의 최전선에 있음을 자랑스럽게 생각합니다. 거셋 플레이트 설계를 개선할 수 있는 아이디어가 있으시다면, 알려주세요.