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주요 구조물의 설계는 원래 컨설팅 회사인 Mott MacDonald가 담당하였습니다. 시공을 담당한 시공사는 DHD Engineering이었으며, 이 회사는 당사의 고객인 Ellis & Moore Consulting Engineers에게 연결부 설계를 의뢰하였습니다.
이 글에서는 이 특정 연결부 설계의 까다로운 부분과 IDEA StatiCa Connection을 통해 이를 성공적으로 해결한 방법을 설명하고, 유로코드에 구현된 기존 구성요소 방법의 적용을 평가하여 이 특정 사례에서 그 적용이 사실상 불가능함을 입증할 것입니다.
수동 설계를 위한 접합부 분류
먼저, 복잡한 연결부를 수동으로 설계해야 할 때의 절차를 설명하겠습니다. 오른쪽 그림에 표시된 다평면 접합부인 N형 접합부를 예시로 사용하겠습니다. 구성요소 방법을 사용하여 적절한 계산을 수행하려면 유로코드 그림 7.1에서 관련 형상을 파악해야 합니다(아래 그림 클릭).
연결부의 형상을 보면, 밝은 파란색 직사각형으로 표시된 종방향에서는 문제가 없음을 알 수 있습니다. 이는 명확하게 N형 접합부로 분류될 수 있습니다. 문제는 경사진 평면에서 시작됩니다! 결국, "Y"형 접합부와 함께 두 개의 "N"형 접합부가 공존하게 됩니다.
이 방향에서의 문제는 최종 IDEA StatiCa Connection 모델에서 촬영한 실제 3D 뷰 스크린샷을 사용하면 쉽게 시각화할 수 있습니다(아래 참조). 이 특정 형상의 경우, 규정에 명확한 지침이 없거나 겹침 등에 관한 관련 조항에서 요구하는 한계가 반드시 충족되지 않습니다. 이 경우, 구성요소 방법을 사용하려면 전문가의 조언과 적절한 공학적 판단이 필요합니다. 또한, 스크린샷이 완성된 연결부에서 촬영된 것이므로, 연결부를 보강하고 요구되는 저항력에 도달하기 위해 다양한 보강 거셋 플레이트가 사용된 것을 확인할 수 있습니다. 이러한 거셋 플레이트의 존재만으로도 구성요소 방법의 적용으로는 연결부 설계가 불가능해집니다.
CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 방법을 통한 성공적인 설계
구성요소 방법의 이러한 한계는 CBFEM(구성요소 기반 유한요소법) 및 IDEA StatiCa Connection에는 적용되지 않습니다. 이는 접합부가 실제와 동일하게 모델링되고 유한요소를 사용하여 모든 방향에서 통합 요소로 해석되기 때문입니다. 따라서 모든 하중이 적용된 후 모델을 해석할 수 있으며, 모델에서 상호작용하는 모든 내력이 계산되고, 안전한 설계를 보여주는 모든 유로코드 검토 결과를 즉시 개략적으로 확인할 수 있습니다.
구성요소 방법과 비교하여 중요한 점은 이 워크플로우가 모든 연결부 유형에 공통적으로 적용된다는 것입니다. 예를 들어, 어떤 이유로 직사각형 단면이 원형 또는 I형 단면으로 변경되더라도 특별한 고려 사항이 필요하지 않습니다. 이는 각 단면 종류에 대한 특별 규정이 있는 구성요소 방법과는 다릅니다.
영국의 연결부 설계에 관한 참고 사항
강구조 연결부 설계에 있어서, 구조 엔지니어들은 영국에서 일반적인 관행으로 보이는 특정 절차를 따른다고 할 수 있습니다. 연결부를 설계하기 위해, 구조물의 기본 설계를 담당하는 엔지니어들은 오른쪽 그림과 같은 마크업을 제공합니다. 사람이 읽을 수 있는 정보를 갖추기 위해 연결부는 그룹으로 묶입니다. 그런 다음 각 그룹에 대해 작용력의 포락선이 생성됩니다. 이 절차는 연결부에 초과 강도를 제공하여 안전한 설계로 이어지지만, 두 당사자 간의 정보 흐름도 더 쉽게 만들어 줍니다. 이 접근 방식의 문제점은 요구되는 초과 강도(적어도 이 특정 사례에서)가 너무 커서 보강 거셋 플레이트 없이는 용접된 부재가 제공된 하중에 저항할 수 없다는 것입니다.
이는 연결부 설계자가 때로는 막다른 상황에 처할 수 있음을 의미합니다. 부재의 크기를 변경하는 것은 허용되지 않는 관행이며, 변경이 이루어질 경우 적절한 정당성이 제시되어야 하기 때문입니다. 이 특정 사례에서 IDEA StatiCa Connection의 사용은 복잡한 유한요소법 해석과 그 적용에 따르는 함정 없이 요구되는 설계를 달성할 수 있는 고객의 유일한 방법이었습니다.
IDEA StatiCa Connection을 통한 더 경제적인 설계
앞서 설명한 이 일반적인 관행은 이 프로젝트에서도 초기에 사용되었습니다. 그 결과, 원래 컨설팅 엔지니어들이 제공한 포락선 설계 하중은 트러스의 주요 접합부에 대해 매우 비경제적인 설계를 초래하였습니다. 아래 그림에서 볼 수 있듯이, 예비/타당성 설계는 스팬 중앙에 위치한 8개 부재로 이루어진 접합부에 대해 매우 무거운 연결부를 산출하였습니다.
주요 컨설팅 엔지니어들과의 중간 협의 후, 보다 현실적인 조합과 실현 가능한 설계를 도출하기 위해 하중이 수정되었습니다. 이 하중들은 IDEA StatiCa Connection에 적용되었으며, 추가 플레이트를 줄인 보다 경제적인 설계가 달성되었습니다. 이 새로운 접근 방식과 두 당사자 간의 소통의 결과는 아래에 나타나 있습니다:
IDEA StatiCa Connection을 사용한 첫 번째 주요 프로젝트였음에도 불구하고, 소프트웨어의 일반적인 철학과 관행 덕분에 일반적으로 수작업으로 설계했을 복잡한 연결부들을 신속하게 처리할 수 있었습니다. IDEA StatiCa Connection에서 이 모든 연결부들은 해결 가능해졌으며, 더 나아가 형상에 관계없이 워크플로우가 동일하여 특별한 고려 사항이 필요하지 않았습니다.
또 다른 중요한 점은 합리적인 연결부 상세가 제조 비용 절감으로 이어졌으며, 트러스의 조립이 비교적 용이하였다는 것입니다.
따라서 이 프로젝트는 모든 당사자에게 성공으로 평가되었으며... 다음 단계의 작업은 동일한 팀이 맡게 되었습니다... 상세 설계자들에게는 유사한 도전 과제가 기다리고 있습니다.
Alexander Bezas
Eur Ing, BEng Hons / MSc 토목 엔지니어
Ellis and Moore Consulting Engineer 수석 구조 엔지니어
