트러스 부재와 IDEA StatiCa

배경 및 논의

여섯 번째 블로그 포스트에 오신 것을 환영합니다! 전통이 된 것처럼, 저는 개인적인 이야기를 함께 나누고 싶습니다. 우리 중 몇 명이나 처음으로 트러스를 해석했던 때를 기억하고 있을까요? 저는 18살이었고, A 레벨을 공부하는 6학년 2년차였습니다. 과목은 공학 제도였고, 방법은 Bow의 표기법이었습니다.

얼마나 많은 (나이 든) 엔지니어들이 그것을 기억하고 있을까요? 몇 년이 지나, 트러스는 제가 대학에서 만든 첫 번째 구조 시스템이었습니다 – 물론 다른 세 명의 팀원들과 함께였습니다. 이것은 절단, 드릴링, 볼트 체결 후 파괴 시험까지 진행되었는데 – 그리 오래 걸리지 않았다는 점을 서둘러 덧붙이고 싶습니다!

트러스는 당연히 다양한 형태와 크기로 존재하며, 너무나 다양한 재료로 만들어져 그 수를 세기 어렵습니다 – 빨대 구조물을 기억하시나요? 그러나 공통분모는 항상 접합부였습니다 – 어떻게 처리해야 하는지뿐만 아니라, 어떻게 설계해야 하는지도 마찬가지입니다. 크기에 비해 탁월한 하중 지지 능력을 제공하는데, 이것이 까다로운 상황에서 '즉각적인 해결책'이 되는 이유 중 하나입니다!

저는 항상 목재를 좋아했습니다 – 아마도 제가 역사적 건물과 시공에 열정적인 마니아이기 때문일 것입니다. 목재는 트러스를 형성하는 데 사용된 최초의 구조 재료였습니다. 목재 트러스는 기원전 2500년으로 거슬러 올라갑니다. 고대 그리스인들은 지붕에 이를 사용했으며, 중세 건축에서도 많이 활용되었습니다.

많은 오래된 십일조 헛간들이 이러한 방법으로 지어졌습니다. 접합부는 목재 부재 내에서 전통적인 장부 이음과 목재 핀 또는 유사한 방법으로 형성되었습니다. 과거 장인들이 사용할 수 있었던 도구는 다소 제한적이었으며, 이로 인해 단순히 바람과 비를 막는 것 이상의 3D 예술 작품이 탄생했습니다.

목재 트러스는 중세 저택부터 현대 주거까지 주택에서 항상 활용되어 왔습니다. 극적으로 변화한 것은 사용되는 방법과 형태입니다. 오늘날의 현대적인 지붕 트러스는 가느다란 부재와 엔지니어링된 연결 플레이트를 갖추고 있어 위의 사진과는 크게 다릅니다.

강재 트러스의 발전을 살펴볼 때, 먼저 주철과 연철 모두를 포함한 철과 그 역할을 살펴봐야 합니다. 이 발전에 크게 기여한 분야는 교통 – 전 세계의 철도를 생각해 보십시오.

전 세계에 훌륭한 사례들이 많이 있습니다:

브루넬의 렌티큘러 트러스 – 로열 앨버트 교 - 철

포스 만 철도교 - 강재

교량이 독창적이고 우아한 설계를 선도하는 가운데, 건축 관점에서 누가 그 기준을 충족할 것인가? 1889년, '철의 여인'이 파리에 건설되었습니다(에펠탑으로도 알려진 The Eiffel Tower). 연철로 건설되었지만, 오늘날 세계에서 트러스와 트러스 작용을 특징으로 하는 가장 상징적인 건물 중 하나일 것입니다.

물론, 현대 구조물은 특수한 상황이나 장경간을 해결하기 위해 트러스에 점점 더 의존하고 있습니다. 특별한 이름을 가진 것들을 포함하여 여러 트러스 유형이 있습니다:

• 활 모양 트러스(bowstring truss)
• 팬 트러스(fan truss)
• 핑크 트러스(fink truss)
• 갬브렐 트러스(gambrel truss)
• 하우 트러스(howe truss)
• 킹 포스트 트러스(king post truss)
• 퀸 포스트 트러스(queen post truss)
• 비렌딜 거더(트러스의 한 형태)
• 워렌 트러스(Warren truss)
• 기타

구조 해석, 설계 방법 및 재료는 변화했지만, 어려운 연결 설계에 관한 한 가지 상수는 여전히 남아 있습니다. 트러스(및 모든 구조물)에 대한 올바른 하중 요건을 평가할 수 있는 것이 가장 중요합니다. 많은 트러스는 기하학에 뿌리를 두고 있으므로, 기하학도 중요한, 때로는 건축적인 요소로 인식되는 것이 중요합니다.

IDEA StatiCa는 어떻게 활용되나요?

부재 자체(강재 트러스에서)는 종종 가늘고 이후에 추가적인 효과에 노출되어 설계자가 더 높은 수준의 해석을 고려하게 만들 수 있습니다. 이러한 모든 요구 사항을 사용하기 쉬운 기능과 결합할 수 있는 소프트웨어 솔루션은 오늘날의 구조 엔지니어링 세계에서 절대적으로 필수적입니다.

다행히도 IDEA StatiCa가 있습니다. IDEA StatiCa Connection은 오늘날의 복잡한 트러스 연결을 안전하고 효율적으로 설계할 수 있습니다 – 플레이트를 사용한 고급 목재 기반 연결도 가능합니다. IDEA StatiCa Checkbot이라는 애플리케이션을 사용하여 여러 FEA 솔루션의 해석 모델을 활용할 수 있습니다. Checkbot은 FEA와 IDEA StatiCa Connection 사이의 연결 고리를 제공합니다. 설계자가 트러스 내의 부재에 대해 걱정된다면, IDEA StatiCa Member가 있습니다. IDEA StatiCa Checkbot은 이 솔루션을 구동하는 데도 사용할 수 있습니다.

IDEA StatiCa는 어디에 적합한가요? 간단하지만 필수적인 예를 고려해 보십시오:

이것들은 오늘날 우리의 도로 네트워크에서 가장 과소평가된 구조물일 것입니다. 이들은 모든 일반적인 하중 유형에 노출됩니다: 고정하중, 활하중, 풍하중, 설하중 및 빙하중. 그런 다음 동적 하중도 고려해야 할 수 있습니다. 이 모든 것이 효율적으로 제작하고 신속하게 설치할 수 있는 것을 설계하려는 노력 속에서 이루어집니다.

이 예제는 IDEA StatiCa 솔루션과의 상호작용에 집중하기 위해 단순화되었습니다.

1단계 – 유한요소 해석

구조물은 적합한 유한요소 해석(FEA) 애플리케이션에서 모델링, 해석 및 설계되었습니다 – 이 경우 Autodesk Robot Structural Analysis입니다. 지원되는 애플리케이션의 전체 목록은 당사 웹사이트를 참조하십시오.

IDEA StatiCa Checkbot 애드인은 Robot 내부에서 시작되었습니다. 지원되는 다른 애플리케이션에 대한 이러한 소위 애드인의 설치는 대부분 자동으로 이루어져 사용을 더욱 빠르고 쉽게 만듭니다.

2단계 – Checkbot으로 내보내기

부재와 연결은 Robot에서 선택되어 Checkbot으로 내보내집니다. 변경 사항이 발생하면 Checkbot 모델을 FEA와 동기화할 수도 있습니다. FEA 모델에 입력된 외부 하중은 전체 해석에 사용되며, 내부 반력 – 축력, 전단력 및 모멘트 – 이 Checkbot으로 전달됩니다. Checkbot에 들어오면 Connection과 Member 모두에서 사용할 수 있습니다.

Checkbot에서 하중 효과를 시각화할 수도 있습니다.

IDEA StatiCa Checkbot의 부재는 병합할 수도 있습니다 – 따라서 더 짧은 길이로 만들어진 연속 부재를 연결 설계를 위해 함께 병합할 수 있습니다. 이 예에서 하현재 부재는 이 방식으로 수정되었습니다. 반대로, 상현재는 연결부에서 필요가 없기 때문에 수정되지 않았습니다. 이는 이러한 방식으로 연속 부재를 모델링해야 하는 FEA 애플리케이션을 사용할 때 매우 유용합니다.

3단계 – 연결 설계 및 검토

연결은 IDEA StatiCa Connection으로 설계 및 검토할 수 있으며, 부재는 IDEA StatiCa Member에서 검토할 수 있습니다. 부재 위치 결정은 항상 해석과 실제 사이의 타협이었습니다. 부재는 용접을 더 쉽게 하기 위해 제작 과정에서 이동할 수 있으며 – 이는 종종 해석 모델 내에서 문제를 일으킬 수 있습니다. IDEA StatiCa에서는 이러한 불일치를 허용하기 위해 편심을 수정할 수 있습니다.

모델 유형을 살펴볼 때 해석 모델과 일치시키는 것을 기억해야 하는 것은 Connection 솔루션 내에서입니다. 전통적인 거셋 플레이트에서 단일 볼트 연결을 활용하려는 경우, 모멘트를 허용하지 않는 모델 유형 – N,Vy,Vx – 으로 변경하는 것을 기억해야 합니다. 그러나 연결(이 예에서처럼)이 모멘트를 받을 수 있다면, 이 단계를 건너뛸 수 있습니다.

안전하고 효율적인 연결 모델과 규정 검토를 달성하기 위해 실제 설계 하중 조합으로 작업하는 것이 필수적입니다. 네 가지 간단한 작업을 사용하여 완전 용접 접합부를 만들면, 모든 중요한 하중 효과(설계 조합)가 차례로 검토되어 모두 통과하는 것을 확인할 수 있습니다.

4단계 – 부재 검토

두 번째 연결은 IDEA StatiCa Member에서 브레이스를 살펴보기 전에 유사한 방식으로 설계할 수 있습니다.

그러나 이것이 보여주는 것은, 많은 트러스 부재들이 이러한 고급 해석의 부재를 보완하기 위해 과다 설계되어 있기 때문에 재료 및 연결 효율성을 더욱 검토할 여지가 충분하다는 것입니다.

마무리 생각

트러스는 구조 엔지니어링의 필수적인 부분이며, 그 사용은 점점 더 대담해질 것입니다. 재료와 시공 방법의 발전은 앞으로 몇 년 안에 새로운 설계와 개념이 등장할 것을 의미합니다 – 저는 그것을 확신합니다. IDEA StatiCa가 데이터 저장소로서의 접근 방식은 두 가지 장점을 모두 갖추고 있습니다: FEA 분야의 전문가들이 세계적 수준의 솔루션을 계속 개발하는 동안, 우리는 그들의 결과와 모델에 연결하여 연결 모델과 부재 검토를 생성할 수 있습니다 – 이는 우리가 최고인 분야입니다!

트러스의 세계와 IDEA StatiCa가 여러 방면에서 어떻게 도움을 드릴 수 있는지에 대한 이번 탐구를 즐기셨기를 바랍니다. 브레이스에 관한 관련 기사가 곧 게재될 예정이니 기대해 주십시오.