컨베이어 벨트 지지 구조물, 독일
Monath는 구조 엔지니어링의 모든 분야에서 활동하는 중견 엔지니어링 회사입니다. 강구조 프로젝트에서는 주로 산업용 및 창고 구조물을 담당하고 있습니다. 그러나 복잡한 구조 시스템을 가진 소규모 강구조 시공 프로젝트도 하나의 도전 과제입니다.
도입 배경
비표준 연결(토폴로지, 단면)을 다루고 철저한 규정 검토를 수행해야 하는 경우가 많습니다. 과거에는 기본적인 연결 설계 프로그램이나 수계산에 의존할 수밖에 없었으며, 이로 인해 설계를 적절히 평가하는 데 한계가 있었습니다.
가장 큰 문제는 3D 시뮬레이션이 필요한 다축 하중을 받는 연결부에서 발생합니다. 기본적인 연결 설계 소프트웨어는 2차원 모델링만 가능하기 때문에 이러한 경우에는 한계에 부딪힙니다. 또 다른 문제 영역은 매우 복잡한 토폴로지를 가진 접합부입니다. 기존에 사용하던 연결 설계 소프트웨어는 미리 정해진 연결 유형(빔 토폴로지, 프로파일, 단면, 보강 플레이트)으로 제한되어 있었습니다.
이러한 문제들이 일상적인 엔지니어링 실무에서 발생하기 때문에 IDEA StatiCa Connection을 도입하기로 결정하였습니다.
장점
IDEA StatiCa Connection은 매우 간단하고 명확한 작업 인터페이스를 제공합니다. 짧은 시간 안에 프로그램에 익숙해지고 작업을 신속하게 완료할 수 있습니다.
Monath에서 사용하는 CAE 소프트웨어는 SCIA Engineer입니다. IDEA StatiCa Connection은 SCIA Engineer에서 선택한 노드(연결부)를 가져올 수 있는 BIM 인터페이스를 제공합니다(단면 파라미터 및 내력 포함). 이 인터페이스는 매우 원활하게 작동합니다. 모든 중요한 값(형상 및 하중)이 신속하고 안정적으로 전달되어 추가 입력에 소요되는 시간과 노력을 절감할 수 있습니다. 물론 형상과 하중을 별도로 입력하는 것도 가능하므로, 다른 프로그램과 독립적으로 개별 검토를 수행할 수 있습니다.
또 다른 장점은 다양한 설계 옵션입니다. 프로젝트 특성에 맞게 접합부를 조정하여 매우 현실적인 모델을 시각화할 수 있습니다. 엔드 플레이트 연결, 연결 플레이트, 앵글 플레이트 등 다양한 제작 작업이 가능합니다. 가장 큰 장점은 여러 가지 연결 유형을 가진 노드를 모델링하고 즉시 3D로 표시할 수 있다는 것입니다. 이를 통해 아무리 독특한 연결이라도 거의 모든 연결을 설계하고 검증할 수 있습니다.
많은 구조물에서 연결부에 다축 힘이 작용합니다. 그러나 대부분의 프로그램에서는 2D 계산만 가능합니다. 따라서 연결부를 수작업으로만 평가해야 하며, 다축 영향은 단순히 무시됩니다. IDEA StatiCa Connection은 연결 부재와 연결된 구성 요소 모두에 힘을 입력할 수 있습니다. 즉, 현실적인 매핑이 가능하며 기존 계산 프로그램보다 더 정확한 결과를 얻을 수 있습니다. 이를 통해 모든 연결 특성(플레이트 두께, 용접 등)의 전례 없는 최적화가 가능합니다.
Eurocode 3에 따른 연결 규정 검토 결과가 즉시 표시됩니다. 또한 내부 응력 및 힘, 국부 좌굴 결과, 강성 분석(모두 자동으로 생성된 FE 모델 기반)도 확인할 수 있습니다.
단점
IDEA StatiCa Connection의 많은 장점에도 불구하고 몇 가지 단점도 발견하였습니다.
여러 하중 케이스로 분할되기 때문에 계산에 시간이 걸릴 수 있습니다(복잡한 연결의 경우 수 분이 소요될 수도 있습니다). 이는 설계된 연결이 힌지인 경우 특히 두드러지는데, 이 경우 많은 반복 계산 단계를 수행해야 하기 때문입니다. 힌지 연결의 설계는 일반적으로 다소 숙련된 사용자를 필요로 한다고 생각합니다. 또한 출력 부분에서도 개선의 여지가 있습니다. 예를 들어, 일부 치수가 누락되어 플레이트, 용접부 또는 볼트의 위치를 파악하기 어렵습니다.
예제
IDEA StatiCa Connection의 적용 분야를 보여주기 위해 아래에 두 가지 프로젝트 사례를 소개하고 설명합니다.
예제 1: 광고판 구조물
첫 번째 소개할 프로젝트는 광고판 구조물입니다. 이 프로젝트에서는 중공 프로파일의 다양한 연결 외에도 기초 앵커링에 대한 규정 검토가 과제였습니다.
풍하중 모멘트와 전단력이 두 방향으로 구조물에 영향을 미쳤습니다. 따라서 기초부는 복잡한 연결부였으며, 다른 프로그램들이 X축 또는 Y축 주위의 모멘트를 고려하지 않는다는 점에서 더욱 그러하였습니다. CAE 소프트웨어 SCIA Engineer의 BIM 링크를 사용하여 단면 파라미터와 노드의 내력을 IDEA StatiCa Connection으로 전달하였습니다. 이후 아래와 같이 용접부를 포함한 앵커링을 모델링하고 검토할 수 있었습니다.
이 프로젝트의 또 다른 문제는 주 거더와 기둥의 연결이었습니다. 기존 계산 프로그램을 사용하면 이러한 구조 시스템을 2차원 문제로 단순화해야 했습니다.
IDEA StatiCa Connection으로 네 개의 주 거더 모두를 포함한 접합부를 설계한 결과, 지지부의 플레이트가 높은 응력을 받는 것으로 나타났습니다. 따라서 아래와 같이 HEA 프로파일의 상하부에 리브를 추가하여 시스템을 보강하였으며, 연결부를 보다 정확하게 구현할 수 있었습니다.
예제 2: 컨베이어 벨트 지지 구조물
이 프로젝트에서는 지지 구조물을 설계하고 검토하였습니다. 그 결과 여러 노드가 생성되었으며, 볼트 및 용접 접합을 통해 다양한 프로파일의 힌지 및 강체 접합부가 사용되었습니다. 아래에 표시된 연결부에서는 두 개의 빔이 서로 연결되고, 추가로 이들이 지지되는 기둥에도 연결되었습니다.
이 접합부의 문제는 세 개의 프로파일 연결, 모든 부재에서 발생하는 힘, 그리고 스티프너와 리브의 추가였습니다. 따라서 접합부 검토는 상당히 복잡하며 FEM 없이는 완전히 재현하기 어렵습니다.
IDEA StatiCa Connection을 사용하여 계획대로 접합부를 모델링하고 검토할 수 있었습니다. 아래에서 제작업체가 제작한 연결부 사진을 확인하십시오.
결론
IDEA StatiCa Connection을 사용하면 유한요소법을 통해 단순한 강구조 연결과 복잡한 강구조 연결 모두를 검토할 수 있습니다. 높은 유연성 덕분에 연결 규정 검토는 거의 제한이 없습니다. 연결 형상과 하중의 입력은 대부분의 범용 유한요소 프로그램에 비해 간편하며, 모든 입력값이 연결부의 3D 뷰에 명확하게 표시됩니다. 연결부 계산 후에는 응력, 변형률, 이용률 외에도 DIN EN 1993에 따른 검토를 수행할 수 있습니다.
당사는 SCIA Engineer를 CAE 프로그램으로 사용하고 있으므로, IDEA StatiCa Connection은 강구조 시공을 위한 매우 우수한 보완 모듈입니다. BIM 기능을 통해 노드를 IDEA StatiCa Connection으로 신속하게 전달할 수 있어 SCIA 전체 모델을 탁월하게 보완합니다. 소프트웨어의 간단하고 명확한 사용자 인터페이스 덕분에 IDEA StatiCa Connection에 익숙해지는 데 적절한 노력만으로도 빠른 결과를 얻을 수 있습니다.
