베이스 플레이트는 충분히 강체입니까?

패스너가 왜 그렇게 중요한가요?

패스너는 구조적 및 비구조적 요소의 무결성과 안전성에 중요한 역할을 합니다. 그렇기 때문에 EN1992-4와 같은 전용 기준이 개발되었습니다. 이 기준은 강재-콘크리트 연결의 과제를 다루고, 강재와 콘크리트 요소 간의 안전한 하중 전달을 보장하는 신뢰할 수 있는 설계 방법을 제공합니다. EN1992-4는 다양한 유형의 패스너(현장 타설 헤디드 패스너, 사후 설치 기계식 및 접착식 패스너)와 다양한 하중 범주를 다룹니다.

콘크리트용 패스너 설계

EN1992-4에 따른 정적/준정적 하중에 대한 콘크리트 내 패스너 설계에는 여러 규정 검토가 포함됩니다:

그림 1  인장력을 받는 패스너에 대한 규정 검토

그림 2 전단력을 받는 패스너에 대한 규정 검토

그림 3 인장 및 전단 하중의 상호작용을 고려한 규정 검토

기준(그림  1 - 그림  3)에 명시된 설계 프로세스는 모든 관련 규정 검토가 충족되도록 세부적인 접근 방식을 요구합니다. 각 패스너 유형에는 특정 고려 사항이 필요합니다. 예를 들어, 기계식 앵커는 기계적 맞물림에 의존하는 반면, 접착식 앵커는 접착 재료의 접착 특성에 의존합니다. 설계 프로세스는 신뢰할 수 있는 연결을 보장하기 위해 이러한 차이점을 고려해야 합니다.

이러한 규정 검토 중 하나를 자세히 살펴보겠습니다. 설계 모델이 얼마나 정교한지를 보여주는 예시로, 콘크리트 콘 파괴의 경우 패스너 또는 패스너 그룹의 특성 저항(그림  4)을 살펴보겠습니다:

그림  4 콘크리트 콘 파괴의 경우 패스너 또는 패스너 그룹의 특성 저항

방정식에는 쉘 박리, 응력 분포의 교란, 보강 철근의 존재 등의 영향을 고려하기 위한 네 가지 계수가 포함되어 있습니다. 이는 시공 재료(강재, 콘크리트)의 특성뿐만 아니라 콘크리트 블록의 형상, 앵커 배치, 매입 깊이, 보강 철근 등의 다른 요소들도 최종 저항, 즉 주어진 하중 조합에 대한 지배적인 파괴 모드에 영향을 미친다는 것을 보여줍니다. 이는 강재-콘크리트 연결의 설계가 수동으로 수행될 경우 설계를 최적화하기 위한 수많은 계산과 반복이 필요하므로 상당히 번거롭고 복잡할 수 있음을 보여줍니다.

IDEA StatiCa Connection을 사용하면 와셔 플레이트가 있는 사후 설치 기계식 패스너 또는 현장 타설 앵커를 사용하여 강재-콘크리트 연결을 설계할 수 있습니다. 앵커 유형에 따라 계산해야 할 많은 규정 검토가 있습니다. 그림  1 - 그림  3에 나열된 대부분의 규정 검토는 사용자의 입력과 기준에 명시된 매개변수를 기반으로 IDEA StatiCa Connection에서 계산됩니다. 일부는 표준화된 설정을 사용하여 수행된 시험을 기반으로 하고 적용 가능한 조화 기술 사양에 따라 평가된 제품별 계수가 필요하므로 제공되지 않습니다. 이러한 계수는 유럽 기술 평가(ETA)와 같은 기술 승인서에서 찾을 수 있습니다. 설계 저항 계산에 필요한 계수 외에도 최소 연단 거리 c_min, 최소 앵커 간격 s_min, 콘크리트 블록의 최소 높이 h_min, 안전 계수 등 승인서에 포함된 다른 중요한 특성들이 있습니다. 제공되지 않는 규정 검토에 대한 정보는 그림  5와 같이 결과 탭에 설명되어 있습니다.

그림  5 제품별 특성이 필요한 규정 검토 목록

강재 베이스 플레이트의 강성

필요한 규정 검토 목록 외에도, 기준은 준수해야 할 추가 규정을 명시하고 있습니다. 그 중에는 패스너에 작용하는 힘의 산출에 관한 규정이 있습니다. 강재-강재 연결과 유사하게 고정판에 휨 모멘트 및/또는 인장력이 작용할 때 프라잉 힘이 발생할 수 있습니다. 이러한 힘은 앵커의 인장력을 증가시키므로 베이스 플레이트 설계에서 반드시 고려해야 합니다. 이 요구 사항은 EN1992-4의 조항 6.1 (4)에 설명되어 있으며 그림 6.1 b에 나타나 있습니다:

그림  6 EN1992-4의 조항 6.1 (4)

그림  7 프라잉 힘 C_pr로 인한 패스너에 작용하는 인장력의 증폭

기준은 고정판이 충분히 강체인 경우, 즉 선형 변형률 분포 가정이 유효한 경우(보 이론에서와 같이) 패스너에 작용하는 설계 인장 하중을 계산하는 방법에 대한 지침을 제공합니다. 그러나 조항 6.2.1에 명시된 요구 사항이 충족되지 않는 경우, 강재 베이스 플레이트의 탄성 변형 거동이 고려됩니다. 이 효과는 IDEA StatiCa Connection에서 고려되며, CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 방법을 사용한 계산을 통해 부착된 단면, 용접 및 기초 패드(Winkler 지반 모델을 사용하여 모델링)의 강성을 포함한 베이스 플레이트의 휨 거동을 포착할 수 있습니다. 다음 섹션에서는 플레이트 두께가 앵커의 인장력, 기둥의 등가 응력 및 콘크리트 블록의 압축 응력에 미치는 영향을 자세히 살펴보겠습니다.

IDEA StatiCa의 몇 가지 예시

IDEA StatiCa를 사용하여 준비한 몇 가지 예시를 살펴보겠습니다.

여기서 앵커 배치(3개의 앵커가 있는 2열), 매입 깊이, 콘크리트 블록 치수 및 재료 특성은 두 조사 케이스 모두 동일하게 유지됩니다. 조정될 것은 베이스 플레이트 두께(10, 20, 30 mm)와 적용 하중 효과입니다 – 케이스 1의 경우 N = 100 kN의 인장력이고, 케이스 2의 경우 N = -100 kN의 압축력입니다. 이러한 가정을 통해 매개변수가 결과, 즉 패스너의 축력, 기둥의 등가 응력 및 콘크리트의 압축 응력에 미치는 영향을 쉽게 검증할 수 있습니다. 모델은 아래 그림 8에 나타나 있습니다.

그림  8 IDEA StatiCa Connection의 모델

케이스 1부터 시작하겠습니다. 조사된 예시의 결과는 다음과 같습니다:

그림  9 케이스 1, 베이스 플레이트 두께 = 10 mm, 등가 응력

그림  10 케이스 1, 베이스 플레이트 두께 = 10 mm, 앵커의 인장력

그림  11 케이스 1, 베이스 플레이트 두께 = 20 mm, 등가 응력

그림  12 케이스 1, 베이스 플레이트 두께 = 20 mm, 앵커의 인장력

그림  13 케이스 1, 베이스 플레이트 두께 = 30 mm, 등가 응력

그림  14 케이스 1, 베이스 플레이트 두께 = 30 mm, 앵커의 인장력

표 1 케이스 1 결과 요약 (N = 100 kN)

예상대로 플레이트 두께가 증가함에 따라 프라잉 힘이 감소하며, t_fix = 30 mm에서는 프라잉 힘이 없고 하중이 그룹 내 모든 앵커에 균등하게 분배됩니다. 그룹에서 가장 큰 응력을 받는 앵커의 힘을 비교하면, 탄성 베이스 플레이트(t_fix = 10 mm, N_Ed,1 = 27.9 kN)와 강체 베이스 플레이트(t_fix = 30 mm, N_Ed,1 = 16.7 kN) 사이에 67%의 차이가 있습니다. 강재 베이스 플레이트의 휨 거동을 고려하면 부착된 플레이트의 응력 분포와 요소를 연결하는 용접부의 응력 분포에도 영향을 미칩니다. 이는 설계 프로세스에서 베이스 플레이트 강성 검증이 얼마나 중요한지를 보여줍니다.

케이스 2의 결과는 플레이트 두께가 콘크리트의 압축 응력 분포에 미치는 영향을 보여줍니다:

케이스 2, 베이스 플레이트 두께 = 10 mm, 등가 응력, 콘크리트의 응력

그림  16 케이스 2, 베이스 플레이트 두께 = 20 mm, 등가 응력, 콘크리트의 응력

그림  17 케이스 2, 베이스 플레이트 두께 = 30 mm, 등가 응력, 콘크리트의 응력

표 2 케이스 2 결과 요약 (N = -100 kN)

두께가 증가함에 따라 응력이 더 균등하게 분포되며, 이는 콘크리트의 최대 압축 응력을 낮춘다는 것을 알 수 있습니다.

요약

IDEA StatiCa Connection을 사용하면 강재 베이스 플레이트의 휨 거동을 정확하게 모델링하고 모델링된 연결에 미치는 영향을 검증할 수 있습니다. 소프트웨어는 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 방법을 사용하여 주어진 하중 효과 하에서 베이스 플레이트의 변형을 시뮬레이션합니다. 이를 통해 엔지니어는 힘의 분포를 시각화하고 강재 베이스 플레이트의 탄성 거동과 관련된 잠재적 문제를 식별하거나, EN1992-4에 명시된 선형 변형률 분포 가정의 정확성을 확인할 수 있습니다. 이는 강재-콘크리트 연결의 설계 프로세스에서 중요한 부분으로, 위의 예시에서 보여주듯이 비교적 두꺼운 베이스 플레이트도 강체 베이스 플레이트의 요구 사항을 충족하지 못할 수 있으며, 이 검증을 생략하면 앵커의 인장력을 과소평가할 수 있습니다.

…한 가지 더

최신 버전의 소프트웨어인 버전 24.0에서는 IDEA StatiCa Connection과 Detail 간의 직접 링크 베타 버전이 구현되었습니다. 이를 통해 3D Detail(CSFM(적합 응력장 방법) 기반)을 사용하여 철근 콘크리트 기초(ULS)를 검증할 수 있습니다. 지원 센터에서는 두 프로그램 간의 데이터 교환 방법과 상세 애플리케이션에서 계산을 실행하는 방법에 대한 단계별 튜토리얼을 찾을 수 있습니다.

그림 18 IDEA StatiCa Connection과 Detail 간의 BIM 링크 (베타 버전)

추가 자료

이 주제에 대해 더 자세히 읽을 수 있습니다:

앵커 규정 검토 (EN)

Connection에서 Detail로 앵커링 가져오기 (BETA)

IDEA StatiCa Detail – 콘크리트 3D 불연속 영역의 구조 설계 | IDEA StatiCa

최신 버전에 대해 더 자세히 읽고 싶다면, 모든 세부 사항에 대한 릴리스 노트를 확인하세요. 

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