로키 마운틴 메트로폴리탄 공항 드라이브스루 캐노피
2004년 아칸소주 리틀 록에 설립된 Robbins Engineering*은 허리케인 수준의 풍속을 가진 고고도 공항에서 비즈니스 항공 고객을 위한 FBO(고정 기지 운영자) 터미널 및 격납고를 설계했습니다.
이 독특한 프로젝트에서 가장 두드러진 부분은 항공기용 40피트 높이의 캐노피를 지지하는 132피트 순경간 아치 트러스였습니다.
구조 및 설계
이 캐노피는 항공기가 승객 탑승 및 하차를 위해 진입할 수 있는 구조물로 설계되었습니다. 그러나 이러한 유형의 구조물은 넓은 표면적을 가지며 주로 바람에 의한 하중을 받습니다.
설계팀은 조립 래티스 기둥으로 지지되는 아치 트러스를 최종 선택하기 전에 여러 옵션을 검토했습니다(그림 1). 각 4개의 조립 기둥은 4피트 간격으로 배치된 트윈 W24x192 기둥과 원형 봉 X형 가새 및 그 사이의 W8 스트럿으로 구성됩니다. 아치 트러스는 깊이 6피트로, WT12x88 현재와 이중 앵글 복재를 사용합니다.
그림 1. 항공기용 고층 캐노피의 RAM Elements 모델.
132피트 순경간에는 중간 경간 근처에 현장 볼트 이음부가 하나 있습니다. 각 트러스의 양 끝단은 볼트 엔드 플레이트 모멘트 연결부를 통해 W24 기둥의 내측 플랜지에 연결됩니다(그림 2). 10피트 및 20피트 캔틸레버 트러스 구간은 기둥의 외측 플랜지에 동일한 방식으로 연결됩니다. 각 트러스 쌍 사이에 설치된 수직 X형 가새와 상·하현재 평면의 앵글 래티스가 각 조립 기둥 쌍 사이에 공간 트러스를 형성합니다. 이를 통해 장방향으로 모멘트 프레임이 구성됩니다. 각 래티스 기둥 쌍은 직교 축 방향으로 캔틸레버 수직 트러스로 기능합니다. 콘크리트 타이 보가 장방향으로 기둥을 연결하여 중력 하중 하에서 아치의 수평 추력에 저항합니다.
그림 2. IDEA StatiCa에서 분석된 엔드 플레이트를 통해 W24 기둥에 연결된 WT 트러스 현재
Connection. 기둥 좌측의 캔틸레버, 우측의 백스팬.
Jason McCool이 작성한 전체 기사는 STRUCTURE Magazine 웹사이트에서 확인할 수 있습니다.
IDEA StatiCa 애플리케이션 활용
Robbins Engineering, PLLC의 프로젝트 엔지니어 Jason McCool:
기존에 사용하던 주요 연결 설계 소프트웨어는 WT 단면을 사용한 보 이음 접합부를 검토할 수 없었습니다. 아치형 캐노피 트러스의 현재로 WT12x88을 사용했기 때문에, IDEA StatiCa 애플리케이션은 수작업 계산이나 번거로운 스프레드시트 작성 없이 문제를 해결해 주었습니다. 이를 통해 엔드 플레이트와 겹침 전단 플레이트를 모두 적용한 이음 접합부를 신속하게 검토하고, 전체 해석 모델을 개발하는 과정에서도 이중 전단의 겹침 플레이트로 최적화된 최종 해결책을 도출할 수 있었습니다. 안타깝게도 전체 모델에 사용한 소프트웨어에는 BIM 연동 기능이 없어 형상 및 하중 정보 전달 기능을 활용하지 못했지만, 비정형 옵션을 신속하게 검토하고 필요에 따라 조정할 수 있다는 점만으로도 큰 도움이 되었습니다.
WT 현재에서 기둥으로의 엔드 플레이트 모멘트 연결부는 다른 소프트웨어로는 분석할 수 없었던 또 다른 핵심 부분이었습니다. StatiCa를 통해 불필요한 스티프너를 자신 있게 제거하고, 가장 효과적인 위치에 재료를 집중 배치할 수 있었습니다. 용접부의 비균일 응력이 직접 반영되었기 때문에, 균일성 가정이나 잠재적 응력 집중을 포괄하려는 임의적인 증가 계수 적용 없이 용접 치수를 결정할 수 있었습니다.
기둥 스티프너 플레이트 위에 지지되는 개방형 웹 강재 장선의 이 예시는 다른 소프트웨어가 한계를 보이는 또 다른 사례입니다. 일반적인 가정은 스티프너 플레이트가 구조물이 변형될 때 보의 플랜지 힘이 기둥으로 전달되면서 발생하는 인장력 또는 압축력만 받는다는 것입니다. 그러나 IDEA StatiCa는 이 사례와 같이 면내 압축과 면외 휨의 상호작용 효과, 또는 4방향 모멘트 연결부에서 강축 연속 플레이트에 이축 인장이 발생하는 일반적인 사례도 처리할 수 있습니다.
아래는 프로젝트의 FBO(고정 기지 운영자) 건물 부분에서 비교적 소형 W형 기둥에 대한 풍력 가새 연결부입니다. 가새 하중은 지진이 아닌 풍하중이며, 이 접합부에서는 비교적 작습니다. 그러나 이것은 기존 연결 설계 소프트웨어로는 단순히 처리할 수 없는 또 다른 연결 구성입니다. 번거로운 수작업 계산에 시간을 소비하거나, 불필요한 스티프너 플레이트를 추가하거나 매우 두꺼운 엔드 플레이트를 사용하는 "쉬운" 방법으로 과도하게 보수적인 설계를 하는 대신, IDEA StatiCa Connection을 통해 제안된 연결부가 충분히 적합하다는 것을 간단히 검증할 수 있었습니다.
그 결과, 추가적인 기둥 스티프너 플레이트 없이 제작이 더 용이한 매우 깔끔한 접합부가 완성되었습니다. 이후 동일한 연결부의 또 다른 잠재적 적용 사례가 건물의 다른 부분에서 발생했는데, 약간 더 무거운 기둥에 가새 하중이 5배 더 큰 경우였습니다. 첫 번째 사례에서 템플릿을 만들어 두었기 때문에 새로운 위치에 신속하게 적용하여 스티프너 없이도 동일한 구성이 적합함을 확인할 수 있었습니다. 또한 이 템플릿은 다른 프로젝트에서도 재사용할 수 있게 되었습니다.
결론
REC는 IDEA StatiCa Connection을 통해 여러 방면에서 이점을 얻었습니다. 다른 연결 설계 소프트웨어도 사용하고 있지만, 그 어느 것도 이만큼 개방적이지 않습니다. 모두 공식 기반으로 작동하기 때문에 다양한 설계 기준 및 표준에서 도출되어 소프트웨어 개발자가 프로그래밍한 공식의 범위로 제한됩니다. 그러나 IDEA StatiCa는 기본 구성 요소로부터 프로그래머가 사전에 예측할 수 없었던 복잡한 구성으로 접합부를 구성할 수 있다는 점에서 다른 소프트웨어가 도달할 수 없는 더 높은 수준에서 시작합니다. CBFEM(구성요소 기반 유한요소법)이 계산을 뒷받침하기 때문에, 프로그래머가 사전에 구상할 수 있는 범위에 크게 제한받지 않습니다. 비대칭 단면 및 볼트 패턴, 복잡한 스티프너 배치, "누락된" 구성 요소가 있는 기존 접합부의 적합성 판단 등 — 이 모든 것이 IDEA StatiCa에서는 가능하지만, 다른 프로그램은 대칭 배치, 상호작용 없는 단순 분할 분석 등의 프로그래밍된 가정에 의존합니다.
*프로젝트 귀속 업데이트
이 프로젝트는 원래 Jason McCool, PE가 Robbins Engineering Consultants(REC)에 재직 중일 때 완료되었으며, REC는 2024년에 운영을 종료했습니다. 이 작업은 현재 저자의 현재 회사인 Cool Country Engineering에 귀속되며, 프로젝트가 수행된 원래 조직인 REC에 대한 감사를 표합니다.
