엔지니어들의 경쟁 - 강구조 연결을 설계하는 6가지 방법
각 팀은 엔지니어링 회사와 철골 제작사 소속 구조 엔지니어들로 구성되었으며, 경험 많은 연결 설계 전문가의 지도 아래 진행되었습니다. 각 그룹이 설계안을 발표한 후, IDEA StatiCa 팀은 연결 애플리케이션으로 연결부를 모델링할 기회를 가졌습니다. 이를 통해 결과를 즉시 분석하고 함께 논의할 수 있었습니다.
아래에서 각 설계안과 결과를 더 자세히 설명합니다. 이 글은 두 가지 강구조 연결 설계 과제에 따라 두 부분으로 나뉩니다.
1 - 엣지 빔이 있는 복잡한 기둥-보 연결 설계
첫 번째 설계 과제에서는 네 개의 부재를 연결하는 접합부에 초점을 맞췄습니다. 내력과 단면 형상으로 인해 이 설계 과제는 매우 까다로웠으며, 다양한 해결책이 제시된 것이 이를 잘 보여줍니다. 여섯 팀 모두 서로 다른 접근 방식을 택했습니다. 이것이 바로 이 직업을 매력적으로 만드는 이유입니다: 정답은 하나가 아닙니다.
가장 큰 과제는 엣지 빔의 연결에서 발생했습니다. 두 개의 각형 중공 단면(180/180/6)을 기둥(HEA160) 또는 주보(IPE400)에 연결해야 했습니다. 부과된 하중과 결합되어 어려운 설계 상황이 만들어졌습니다.
아래는 IDEA StatiCa 철골 연결 소프트웨어로 작성된 연결부의 개요, 스케치 및 모델입니다. 이후 각 연결부를 논의하고 토론 및 결과에서 얻은 주요 인사이트를 강조합니다.
그룹 A
그룹 A는 기둥을 연장하고 주보(IPE400)를 엔드 플레이트로 연결하는 방식을 선택했습니다. 주요 과제는 각형 중공 단면(RHS) 엣지 빔을 HEA160 기둥에 연결하는 것이었습니다. 이를 위해 M36 볼트 2개를 사용한 거셋 플레이트 연결이 제안되었습니다. 그러나 IDEA StatiCa로 모델링하는 과정에서 해당 볼트 크기에 대한 공간이 부족하다는 것이 곧 명확해졌습니다. 워크숍의 전문가들이 강조했듯이, 연결부의 제작 가능성을 파악하려면 실척으로 도면을 작성하는 것이 필수적입니다.
직접 용접 연결 대신, 그룹은 기둥 웨브의 슬롯을 통해 연결 플레이트를 관통시켜 힘을 더 효과적으로 전달하고 기둥 웨브의 응력을 줄이는 방식을 선택했습니다.
IDEA StatiCa에서 연결부를 계산할 때, 엣지 빔 연결부에서 큰 소성 변형률이 발생합니다. 엣지 빔의 높은 축방향 압축력 400 kN과 거셋 플레이트의 편심으로 인해 연결부에 휨 모멘트가 발생합니다. IDEA StatiCa와 같은 유한요소법 해석 도구를 사용하면 발생하는 변형을 통해 이를 즉시 확인할 수 있습니다.
플레이트 두께를 증가시키면 연결부가 요구 사항을 충족할 수 있습니다. 연속 35 mm 플레이트와 2x M33 8.8 볼트를 사용하면 충분한 강도와 강성이 확보됩니다.
해결책은 만족스럽지만, 편심을 피하는 것이 고려할 만하며 구조적으로도 더 효율적일 가능성이 높습니다.
그룹 B
그룹 B는 유사한 연결 방식을 사용했지만, 여기서는 주보를 연장했습니다. 정방형 중공 단면(SHS) 보의 대칭 연결을 선택함으로써 추가적인 휨 모멘트를 피할 수 있습니다. 규정된 플레이트 두께로 소성 변형률이 5% 한계에 근접합니다.
플레이트를 두껍게 하고 충분한 용접을 제공함으로써 축방향 압축력과 수평 전단력의 조합을 저항할 수 있으며, 소성 변형률을 5% 이하로 유지할 수 있습니다.
4x M24 8.8 볼트를 사용할 경우 볼트만 아직 만족스럽지 않습니다. 그러나 단순히 볼트를 보강하는 것으로는 문제가 해결되지 않는데, 규정 검토가 지압 저항력에 의해 제한되기 때문입니다. 대안적인 해결책은 연결 플레이트의 강재 등급을 S355로 상향하는 것입니다. 이를 통해 플레이트 두께와 볼트 크기의 최소한의 증가만으로 최적의 결과를 달성할 수 있습니다.
그룹 C
그룹 C는 유사한 연결 방식을 사용했지만, 그룹 A 및 B와 달리 거셋 플레이트를 90도 회전시켜 수평 하중에 더 적합한 구성을 취했습니다. 다시 편심이 발생하며 그룹 A와 동일한 문제가 나타납니다. 볼트 2개 대신 4개를 사용하면 접합부가 더 강성해지지만, 여전히 높은 소성 변형률과 변형이 관찰됩니다. 거셋 플레이트를 스티프너에 용접하고 플레이트 두께를 증가시키면 접합부를 더 강성하게 만드는 데 도움이 되지만, 편심은 항상 존재하게 됩니다.
플레이트 두께를 15 mm에서 30 mm로 증가시키면 4x M24 8.8 볼트로 설계 요구 사항을 충족할 수 있습니다.
이 유형의 접합부는 편심 없이 가장 안전하게 기능합니다. 실용적인 이유로 편심이 불가피한 경우, 연결부는 연결이 가장 강성한 방향, 즉 횡력을 한 방향으로 전달하는 데 특히 적합합니다. 편심과 큰 축방향 압축력 및 연결부의 약축 방향 횡력의 조합은 부재가 외측으로 휘어져 좌굴 위험을 초래할 수 있습니다.
좌굴 해석
이 위험을 적절히 평가하기 위해 추가적인 좌굴 해석을 수행하는 것이 합리적입니다. IDEA StatiCa로 선형 좌굴 해석을 수행할 수 있으며, 두께가 불충분한 플레이트의 경우 전체 좌굴과 유사한 좌굴 형상이 발생할 수 있음을 보여줍니다. 해당 좌굴 계수를 기반으로 이를 좌굴 파괴로 해석할 수 있습니다.
이에 대한 자세한 정보와 IDEA StatiCa가 선형 좌굴 해석을 수행하는 방법은 다음 문서에서 확인할 수 있습니다: 전체 좌굴 vs. 국부 좌굴. 이것은 무엇을 의미하는가?
그룹 D
그룹 D는 다른 접근 방식을 취하여 엣지 빔을 연속으로 이어감으로써 앞의 세 그룹에서 나타난 문제를 직접적으로 회피했습니다. IPE400은 부분 연속 기둥에 엔드 플레이트로 연결되고, 엣지 빔에는 작은 립 플레이트로 연결됩니다. 결과는 연결부가 구조적으로 양호하게 작동하며 힘이 효율적으로 전달됨을 보여줍니다.
전단 연결이므로, 그룹은 보 회전 시 볼트에 과도한 힘이 전달되는 것을 방지하기 위해 핀 플레이트에 장공(슬롯 홀)을 사용할 것을 권장합니다. 이를 통해 립 플레이트와 각형 중공 단면 벽체의 높은 응력을 방지합니다. 이 설계 고려 사항은 접합부의 회전 강성에도 영향을 미칩니다.
강성 해석
접합부의 정확한 강성을 결정하기 위해 IDEA StatiCa로 강성 해석을 수행할 수 있습니다. 모멘트-회전 다이어그램이 생성되며, 유로코드를 기반으로 접합부를 완전 강체, 반강체 또는 힌지로 분류할 수 있습니다.
그룹 D의 지붕 거더 연결부를 해석하면, IDEA StatiCa는 반강체로 분류되는 회전 강성을 제공합니다. 이 강성은 회전 스프링 강성을 사용하여 전체 구조 모델에 반영할 수 있습니다.
그러나 단순 연결이 필요한 경우, 연결부가 실제로 힌지로 분류될 수 있도록 상세를 수정해야 합니다. 아래 그림에서 보듯이, 상황 (2)에서는 상단 볼트 열을 낮춤으로써 힌지가 구현되었습니다.
그룹 E
그룹 E는 지붕 보를 연장하여 기둥 상단에 올려놓았습니다. 엣지 빔은 엔드 플레이트로 지붕 거더에 부착되어 접합부에서 힘이 적절히 전달되도록 했습니다.
볼트 조립을 위해 그룹은 중공 단면 벽체에 절개부를 제안했습니다. 실용성이 중요한 고려 사항이므로 사려 깊은 해결책입니다. 절개부는 노치에서 다른 응력 분포를 만들지만, 원형 절개부를 적용함으로써 응력 집중을 제한적으로 유지할 수 있습니다.
그룹 F
앞서 살펴본 바와 같이, 엣지 빔의 연결은 설계상 어려움을 초래합니다. 그룹 F는 엣지 빔을 HEA160 단면으로 교체함으로써 이 문제를 해결했습니다. 이를 통해 보를 기둥에 연결하기가 더 쉬워지고, 볼트 조립을 위한 충분한 공간이 확보됩니다. 연결부는 압축 하중 하에서 양호하게 작동하며, 엔드 플레이트가 기둥을 통해 힘을 효율적으로 전달합니다.
그러나 엣지 빔에는 400 kN의 인장력이 작용할 수도 있습니다. 이 하중 케이스에서는 연결부가 만족스럽지 않습니다. 엔드 플레이트 두께를 15 mm에서 20 mm로 증가시키면 강도 요구 사항이 충족되어 연결부가 인장 및 압축 하중 모두에 적합해집니다.
연결 라이브러리
특정 철골 접합부를 모델링하는 방법이 확실하지 않으신가요? IDEA StatiCa의 연결 라이브러리는 수십 가지의 실용적인 예제에 즉시 접근할 수 있게 해주어 더 빠르게 올바른 해결책을 찾는 데 도움을 줍니다. 많은 구조 엔지니어들이 강구조 연결을 설계할 때 영감을 얻기 위해 활용하는 귀중한 자료입니다.
2 - 브레이싱이 있는 기둥 베이스 플레이트 연결 설계
두 번째 설계 과제는 기둥 베이스 플레이트 연결을 다룹니다. 대각 브레이싱은 세 가지 다른 단면으로 제작될 수 있으며, 500 kN의 압축력을 받습니다. 기둥 자체는 2000 kN의 상당한 압축력을 받습니다.
초점은 대각재와 기둥 사이의 연결, 그리고 앵커와 기초를 포함한 베이스 플레이트 설계에 있습니다. 제출된 스케치와 발표를 바탕으로 연결부를 IDEA StatiCa에서 모델링하고 해석했습니다. 이번에도 이 설계는 여러 연결 해결책이 가능하다는 것을 보여줍니다: 단 하나의 정답은 없습니다. 아래에서는 IDEA StatiCa의 결과를 포함한 다양한 설계의 개요를 제시합니다. 이후 각 그룹을 개별적으로 다루기보다는 전체적으로 주요 설계 고려 사항을 논의합니다.
브레이스-기둥 연결
브레이스 연결에 있어서, 세 그룹(A, C, E)은 스터브 연결이 있는 엔드 플레이트를 선택했고, 나머지 세 그룹(B, D, F)은 볼트 연결이 있는 거셋 플레이트를 선택했습니다.
스터브 연결 방식은 연결부에서 복잡한 문제 없이 압축력을 직접 전달합니다. HEA 단면을 선택함으로써 볼트 조립이 용이하며, 대각 부재의 웨브가 기둥의 웨브와 정렬됩니다. 결과적으로 응력이 기둥으로 잘 전달되며, 이는 그룹 A, C 및 E의 해결책에서 확인할 수 있습니다(그림 참조).
반면, 그룹 B, D 및 F는 거셋 플레이트 연결을 선택했습니다. 이 방식은 기둥을 90도 회전시켜 브레이스를 너무 많은 공간을 차지하지 않고 기둥 내부에 연결할 수 있도록 고려했습니다. 그러나 이 경우 거셋 플레이트가 기둥 웨브에 직접적으로, 그러나 횡방향으로 연결되며, 높은 압축력으로 인해 기둥 웨브에 응력 집중이 발생할 수 있습니다. IDEA StatiCa의 계산 결과는 설계가 허용 한계 내에 있음을 보여주지만, 구조 엔지니어는 주의를 기울여야 합니다. 웨브가 소성 변형되기 시작하면 기둥을 회전시키거나, 웨브 두께를 증가시키거나, 스티프너를 추가하는 것이 바람직합니다.
거셋 플레이트 연결을 사용하는 설계에서는 첫 번째 설계 과제에서 논의한 것과 동일한 이유로 연결을 대칭으로 만들고 플레이트가 너무 많이 돌출되지 않도록 하는 것이 유리합니다. 연결 B는 비대칭 배치를 특징으로 하지만, 20 mm 두께의 플레이트와 6개의 볼트 사용으로 발생하는 모멘트에 효과적으로 저항하여 응력을 허용 한계 내로 유지합니다.
기둥 베이스 플레이트 설계
베이스 플레이트와 콘크리트 기초 설계에도 중요한 고려 사항이 있습니다. 높은 압축력으로 인해 응력이 베이스 플레이트를 통해 콘크리트로 잘 분산되는 것이 중요합니다. 이는 더 두꺼운 플레이트를 선택하고 기둥 단면보다 넓게 만들어 응력이 더 잘 분산되도록 함으로써 달성할 수 있습니다.
아래 그림은 두께 40 mm와 10 mm의 베이스 플레이트에 대한 베이스 플레이트의 응력과 콘크리트의 접촉 응력을 비교합니다. 베이스 플레이트가 너무 얇으면 응력이 효과적으로 분산되지 않고 기둥 단면 주변에 집중됩니다. 결과적으로 콘크리트의 유효 접촉 면적이 너무 작아져 허용 한계를 초과하는 압축 응력이 발생합니다.
기둥 기초
모르타르 줄눈 유무, 와셔 플레이트 유무에 따른 다양한 기초 해결책이 제시되었습니다. 사용된 앵커는 M20에서 M30까지 다양합니다.
IDEA StatiCa의 계산 결과, 앵커 검토에서 어떤 연결부도 만족스럽지 않은 것으로 나타났습니다. 기본적으로 전단력은 앵커를 통해 전달되도록 설정됩니다. M20 앵커는 강도가 불충분하여 전단력을 견딜 수 없습니다. 반면, 와셔 플레이트와 조합된 M30 8.8 앵커는 전단력을 전달하기에 충분한 강도를 가집니다. 그럼에도 불구하고, 문제가 이제 강재가 아닌 콘크리트 파괴에 있기 때문에 규정 검토는 여전히 만족스럽지 않습니다.
앵커의 전단력은 콘크리트의 연단 파괴를 유발하며, 앵커가 콘크리트에서 빠져나옵니다. IDEA StatiCa Connection은 무근 콘크리트로 계산하므로, 높은 힘에서의 콘크리트 파괴는 불가피합니다.
힘을 줄일 수 없는 경우, 네 가지 가능한 해결책이 있습니다.
- 전단 키를 추가하여 전단력 전달을 최적화합니다. 이 방법으로 모든 전단력이 전단 키를 통해 전달되어 앵커 파괴와 콘크리트 파열을 방지합니다.
- 앵커가 아닌 마찰을 통해 전단력을 전달합니다. 기둥의 높은 압축력이 충분한 마찰 저항을 제공합니다.
- 콘크리트 블록을 수정합니다. 연단 거리를 늘리거나 콘크리트 등급을 높이면 콘크리트 파열 가능성이 줄어듭니다.
- 콘크리트 블록에 보강 철근을 설계합니다. 이 방법으로 철근이 인장력에 저항하여 콘크리트 파열을 방지합니다. 이 해결책은 IDEA StatiCa 3D Detail을 사용하여 모델링하고 해석할 수 있습니다.
설계자들의 스케치에서 볼 수 있듯이, 그룹 E만이 설계에 철근을 포함했습니다. 콘크리트 요소에 철근을 추가함으로써 콘크리트 콘 파열 및 콘크리트 연단 파괴와 같은 파괴 메커니즘을 방지할 수 있습니다.
안전성을 타협하지 않고 철근 설계 시간을 절약하는 방법이 궁금하신가요?
- 앵커 설계에서 철근 활용에 관한 웨비나를 시청하세요.
- 또는 Detail에서 편심 앵커링에 관한 IDEA StatiCa 튜토리얼을 확인하세요.
마무리
강구조 연결은 6개 그룹이 설계하고, IDEA StatiCa에서 모델링하여 경험 많은 구조 엔지니어들과 함께 논의했습니다. IDEA StatiCa를 사용하여 결과를 상세히 분석하고 중요한 설계 고려 사항을 파악하여 논의할 수 있었습니다. 이 워크숍은 많은 연결부가 무수히 다양한 방식으로 설계될 수 있으며, 단 하나의 정답은 없다는 것을 보여줍니다. 실척으로 도면을 작성하고 연결부에서 힘의 경로를 따라가는 것의 중요성을 경험했습니다. 강성을 분석하고 접합부가 어떻게 변형될지 시각화하는 것은 접합부의 거동을 이해하는 좋은 사고 실험입니다.
"상상력은 지식보다 더 중요하다"고 알베르트 아인슈타인이 말했습니다. 이는 강구조 연결 설계에도 분명히 적용됩니다. 접합부가 어떻게 생겼는지, 어떻게 제작될지, 비례가 적절한지, 힘이 어떻게 흐를지, 연결부가 어떻게 변형될지를 상상할 수 있는 사람은 이미 최고의 강구조 연결 설계자가 되는 데 한 걸음 더 가까이 있습니다.
