Features

연결 강성을 고려해야 하는 이유

21. 01. 2021

| 저자: Jan Kubicek

Steel

Stiffness

Connection

이 기사는 다음 언어로도 제공됩니다:

영어에서 AI로 번역됨

많은 프로젝트에서 구조 엔지니어들은 연결 강성을 다루지 않지만, 이는 설계 효율성 향상을 위한 훌륭한 도구로 활용될 수 있습니다.

모든 구조 모델의 해석 과정에서 구조 엔지니어는 부재 간 각 연결의 유형을 정의해야 합니다. 모델이 구조의 실제 거동을 나타내야 하므로, 엔지니어는 어떤 유형의 연결이 가장 적합한지 예측해야 합니다.

모델이 실제 구조에 잘 근사하는 것은 중요하며, 특히 선형 부재가 가장 많이 사용되는 강구조 분야에서 더욱 그러합니다. 강구조는 그 효율성으로 인해 널리 사용됩니다.

최적의 결과를 얻기 위해 설계자는 부재 단면뿐만 아니라 연결 설계도 최적화해야 하는 경우가 많습니다.

일반적으로 구조 엔지니어는 접합부 강성에 따라 분류된 3가지 기본 연결 유형 중에서 선택해야 합니다:

힌지 – 휨 모멘트가 발생하지 않는 접합부.
강체 – 부재 간 원래 각도의 변화가 미미한 접합부
그리고 그 사이의 무한한 수의 값

전체 구조 해석 모델에서는 주로 처음 두 가지 옵션이 사용됩니다. 반면, 실제 강구조 연결의 대부분은 세 번째 그룹에 속합니다.

이 분류는 Eurocode와 AISC 기준 모두에서 지원됩니다. 명칭은 다르지만 의미는 동일합니다.

Eurocode:

AISC:

(EN 1993-1-8 sec. 5.2.2)

(AISC 360-16 Cl. B3.4)

- 강체

- 힌지

- 반강체

모멘트 연결:

- 완전 구속

- 부분 구속

단순 연결

두 기준 모두 특정 분류에 대한 여러 요구사항이 있습니다. 세부 사항을 알고 싶다면 Eurocode 또는 AISC 기준에 대한 이론적 배경을 참조하시기 바랍니다. 평가에 바로 들어가기 전에 기본 이론과 고급 이론을 살펴보는 것이 매우 유용할 수 있습니다.

두 가지 주요 문제 상황

전체 해석 모델에서 힌지로 간주된 접합부가 실제 시공에서는 반강체로 거동합니다(연결된 부재에 휨 모멘트를 전달함).
강체로 간주된 접합부가 충분히 강체가 아닌 경우.

주로 제작 및 조립상의 이유로 첫 번째 상황이 더 자주 발생합니다.

일부에서는 이러한 부정확성이 안전 측에 있으므로 문제가 없다고 말할 수 있습니다. 실제로 경간 내 휨 모멘트는 실제 구조에서 단부의 연결 모멘트에 의해 감소됩니다.

그러나 더 나아가 생각해야 합니다: 보 자체에는 위험하지 않지만, 보가 연결된 부재에는 위험할 수 있습니다!

간단한 예시

올바른 목적에 맞는 연결 선택의 중요성을 보여드리겠습니다. (그리고 전체 해석에서 부적절한 연결의 결과도 함께 살펴보겠습니다.)

천장 거더와 주보의 표준 연결을 해석하면 많은 연결 대안이 있습니다. 가장 일반적인 세 가지를 선택했습니다.

IDEA StatiCa Connection을 사용하면 몇 초 만에 연결 강성을 계산할 수 있습니다. 더 나은 비교를 위해 강체 및 힌지 접합부의 극단적인 경우를 추가했습니다:

강체 연결
연결 1 (S_j,ini = 6.7 MNm/rad)
연결 2 (S_j,ini = 1.3 MNm/rad)
연결 3 (S_j,ini = 0.5 MNm/rad)
힌지 연결

강성이 휨 모멘트에 미치는 영향

강성이 유효 응력(von Mises)에 미치는 영향

보시다시피, 연결 강성이 증가할수록 거더의 이용률은 낮아지지만, 경우에 따라 주보는 쉽게 과하중 상태가 될 수 있습니다.

일반적인 방법

구조 엔지니어가 연결의 실제 강성을 고려해야 한다고 판단할 때(이는 꽤 자주 있어야 함), 계산을 위한 몇 가지 옵션이 있습니다.

수동 계산
준비된 스프레드시트 템플릿 활용
전용 소프트웨어를 이용한 계산

샘플 해석

100개의 선형 강재 부재로 이루어진 단순 구조를 해석하는 경우,
연결해야 할 단부가 200개가 됩니다.
이러한 구조에는 20가지 유형의 서로 다른 연결 유형이 포함될 수 있으며,
10개의 하중 케이스와 100개의 생성된 하중 조합이 있습니다.

모든 결정적 하중 조합에 대해 모든 연결을 해석하는 것은 매우 복잡한 작업이 됩니다. 그래서 중요한 것들만 계산합니다. 그래도 2~6개의 부재가 포함된 10개의 중요 연결이 있을 수 있으며, 작업 흐름은 다음과 같을 수 있습니다:

1 ) 매우 시간이 많이 소요되지만, 연결 모델과 강성 계산은 실현 가능합니다. 적어도 첫 번째 실행에서는요.

2 ) 강성 해석이 완료되면 전체 해석 모델의 접합부에 회전 강성을 설정할 수 있습니다. 다음과 같이 입력할 수 있습니다.

단일 값으로:

M_Ed가 2/3 M_j,Rd보다 낮으면 연결의 초기 강성을 직접 사용할 수 있습니다.
M_Ed가 2/3 M_j,Rd보다 높으면 반복 과정이 필요합니다.

또는 비선형 함수로:

3 ) 업데이트된 강성 매개변수로 전체 해석을 실행하면 새로운 내력이 계산됩니다. 새로운 설정의 영향은 경우에 따라 미미할 수도 있고 매우 클 수도 있습니다. 과거에 몇 가지 사례를 해결한 적이 있으므로, 이 주제에 관한 지식 베이스 문서를 확인하실 수 있습니다.

4 ) 이제 단면과 연결 설계를 검토하고 수정해야 합니다. 모든 것이 만족스러우면 다음 설계 단계로 진행할 수 있습니다. 대부분의 경우 원래 설계에 일부 변경이 필요하므로 1)번으로 돌아가 모든 설계 요소가 모든 요구사항을 충족할 때까지 반복 과정을 반복해야 합니다.

스마트한 방법

현재 연결 강성 계산을 위한 최고의 도구는 IDEA StatiCa Connection 애플리케이션입니다. 작업 흐름을 최대한 단순화하고 소중한 시간을 절약하기 위해 BIM 링크를 사용하여 CAD 애플리케이션에서 IDEA StatiCa Connection으로 연결 설계를 내보낼 수 있습니다.

그런 다음 해석 유형을 강성 해석으로 설정하면 몇 초 만에 강성 매개변수를 얻을 수 있습니다. 최대한 효율적으로 활용하기 위해 강성 해석에 유용한 팁을 지원 센터에서 확인하실 수 있습니다.

각 강성 해석은 즉시 다음과 같은 중요한 결과를 제공합니다: