트러스 부재와 IDEA StatiCa

배경과 이야기

저의 여섯 번째 블로그 게시물에 오신 것을 환영합니다! 이제는 전통이 되었듯이, 이번에도 개인적인 이야기로 시작하려 합니다. 처음 트러스를 해석했던 때를 기억하는 분이 얼마나 계실까요? 저는 18세로, 식스폼(sixth form) 2학년에서 A레벨(A Levels)을 준비하던 때였습니다. 과목은 공학 제도(Engineering Drawing)였고, 사용한 방법은 보우 표기법(Bow's Notation)이었습니다.

이를 기억하는 (연배가 있는) 엔지니어는 얼마나 될까요? 몇 년이 지나 대학에서 처음 만든 구조 시스템도 트러스였습니다. 물론 다른 팀원 세 명과 함께였습니다. 이 트러스는 절단하고, 구멍을 뚫고, 볼트로 조립한 뒤 파괴될 때까지 시험했는데, 덧붙이자면 그리 오래 걸리지 않았습니다!

트러스는 형태와 크기가 매우 다양하고 셀 수 없이 많은 재료로 만들어집니다. 빨대로 만든 구조물을 기억하시나요? 그러나 공통분모는 늘 접합부였습니다. 접합부를 어떻게 다루어야 하는지뿐 아니라 어떻게 설계해야 하는지가 문제였습니다. 트러스는 크기에 비해 뛰어난 하중 지지 성능을 지니고 있어, 까다로운 상황에서 '가장 먼저 고려하는' 해법으로 꼽힙니다!

저는 늘 목재를 좋아했습니다. 아마도 역사적 건축물과 건설에 열광하는 사람이기 때문일 것입니다. 목재는 트러스를 만드는 데 처음 사용된 구조 재료였습니다. 목재 트러스의 역사는 기원전 2500년까지 거슬러 올라갑니다. 고대 그리스인들은 지붕에 목재 트러스를 사용했고, 중세 건축에서도 널리 쓰였습니다.

옛 십일조 헛간(tithe barn)의 상당수가 이러한 방식으로 지어졌습니다. 접합부는 목재 부재 안에 전통적인 장부맞춤(mortice and tenon)으로 만들고 목재 핀 등으로 고정했습니다. 과거 장인들이 사용할 수 있었던 도구는 다소 제한적이었고, 그 결과 단순히 바람과 비를 막는 구조물이 아니라 3차원 예술 작품이 탄생했습니다.

목재 트러스는 중세 영주 저택부터 현대 주택에 이르기까지 늘 주택에 사용되어 왔습니다. 극적으로 달라진 것은 사용되는 방법과 형태입니다. 가느다란 부재와 설계된 연결 플레이트를 갖춘 오늘날의 지붕 트러스는 위 그림과는 크게 다릅니다.

강재 트러스의 발전 과정을 살펴보려면 먼저 주철과 연철을 포함한 철과 그 역할을 살펴보아야 합니다. 이러한 발전을 주도한 분야는 교통 부문이었으며, 전 세계의 철도를 떠올려 보시면 됩니다.

전 세계 곳곳에 훌륭한 사례가 많이 있습니다.

브루넬의 렌티큘러 트러스 – 로열 앨버트 교 - 철

포스 철도교 - 강재

교량이 영리하고 우아한 설계를 이끌던 시기에, 건축물 분야에서는 누가 나설 것인가요? 1889년 파리에 '철의 여인(Iron Lady)'이 세워졌습니다(에펠탑으로도 알려져 있습니다). 연철로 지어졌지만, 오늘날 세계에서 트러스와 트러스 작용을 보여 주는 가장 상징적인 건축물 중 하나라 할 수 있습니다.

물론 현대 구조물은 특수한 조건을 극복하거나 넓은 경간을 확보하기 위해 트러스에 점점 더 의존하고 있습니다. 트러스의 종류는 여러 가지이며, 일부는 고유한 이름을 가지고 있습니다.

• 보스트링 트러스
• 팬 트러스
• 핑크 트러스
• 갬브럴 트러스
• 하우 트러스
• 킹 포스트 트러스
• 퀸 포스트 트러스
• 피어렌딜 거더(트러스의 한 형태)
• 워런 트러스
• 기타

구조 해석, 설계 방법, 재료는 변했지만, 까다로운 연결 설계라는 과제는 여전히 변하지 않았습니다. 트러스(그리고 모든 구조)에 작용하는 올바른 하중 조건을 평가하는 일은 무엇보다 중요합니다. 많은 트러스가 기하학에 뿌리를 두고 있으므로, 기하학 역시 때로는 건축적인 중요한 요소로 인식해야 합니다.

IDEA StatiCa는 어떨까요?

(강재 트러스의) 부재 자체는 대개 세장하여 추가적인 영향을 받게 되며, 이로 인해 설계자는 더 고도화된 해석을 고려하게 될 수 있습니다. 이러한 요구 사항을 모두 아우르면서 사용하기 쉬운 기능을 갖춘 소프트웨어 솔루션은 오늘날 구조 엔지니어링 분야에서 반드시 필요합니다.

다행히 IDEA StatiCa가 있습니다. IDEA StatiCa 연결 모듈은 오늘날의 복잡한 트러스 연결을 안전하고 효율적으로 설계할 수 있으며, (플레이트를 사용하는) 고급 목재 기반 연결도 지원합니다. IDEA StatiCa Checkbot이라는 애플리케이션을 사용하면 여러 FEA 솔루션의 해석 모델을 활용할 수 있습니다. Checkbot은 FEA와 IDEA StatiCa Connection 사이의 연결 고리를 제공합니다. 설계자가 트러스 내 부재를 검토해야 한다면 IDEA StatiCa 부재 모듈을 사용할 수 있습니다. 이 솔루션 역시 IDEA StatiCa Checkbot으로 구동할 수 있습니다.

IDEA StatiCa는 어디에 적합할까요? 단순하지만 필수적인 예를 살펴보겠습니다.

이러한 구조물은 오늘날 도로망에서 가장 저평가된 구조물일 것입니다. 고정 하중, 활하중, 풍하중, 적설 하중, 착빙 하중 등 일반적인 하중 유형이 모두 작용합니다. 여기에 동적 하중도 고려해야 할 수 있습니다. 이 모든 것은 효율적으로 제작하고 신속하게 설치할 수 있는 구조물을 설계하기 위한 것입니다.

이 예제는 IDEA StatiCa 솔루션과의 상호 작용에 초점을 맞추기 위해 단순화하였습니다.

1단계 – 유한요소해석

구조물은 적합한 유한요소해석(FEA) 애플리케이션에서 모델링, 해석 및 설계했으며, 이 예제에서는 Autodesk Robot Structural Analysis를 사용했습니다. 지원되는 애플리케이션의 전체 목록은 웹사이트를 참조하십시오.

IDEA StatiCa Checkbot 애드인은 Robot 내부에서 실행했습니다. 지원되는 다른 애플리케이션에도 이러한 애드인 대부분이 자동으로 설치되어 사용이 더욱 빠르고 쉬워집니다.

2단계 – Checkbot으로 내보내기

Robot에서 부재와 연결을 선택하여 Checkbot으로 내보냅니다. 변경 사항이 생기면 Checkbot 모델을 FEA와 동기화할 수도 있습니다. FEA 모델에 입력한 외부 하중은 전체 해석에 사용되며, 내부 반력인 축력, 전단력, 모멘트는 Checkbot으로 전달됩니다. Checkbot에 전달된 결과는 Connection과 Member 모두에서 사용할 수 있습니다.

Checkbot에서는 하중 효과를 시각화할 수도 있습니다.

IDEA StatiCa Checkbot의 부재는 병합할 수도 있습니다. 따라서 짧은 길이로 나뉜 연속 부재를 연결 설계를 위해 하나로 병합할 수 있습니다. 이 예제에서는 하현재 부재를 이러한 방식으로 수정했습니다. 반면 상현재는 연결부에서 병합할 필요가 없으므로 수정하지 않았습니다. 이는 연속 부재를 이러한 방식으로 모델링해야 하는 FEA 애플리케이션을 사용할 때 매우 유용합니다.

3단계 – 연결 설계 및 검토

연결은 IDEA StatiCa Connection에서 설계하고 검토할 수 있으며, 부재는 IDEA StatiCa Member에서 검토할 수 있습니다. 부재 위치는 항상 해석과 실제 사이에서 절충이 필요했습니다. 제작 과정에서 용접이 쉽도록 부재가 이동할 수 있으며, 이는 해석 모델에서 종종 문제로 이어집니다. IDEA StatiCa에서는 이러한 불일치를 반영하도록 편심을 수정할 수 있습니다.

Connection에서는 모델 유형(Model Type)을 설정할 때 해석 모델과 일치시키는 것을 잊지 말아야 합니다. 전통적인 거셋 플레이트에 단일 볼트 연결을 사용하려는 경우, 모델 유형을 모멘트를 허용하지 않는 N,Vy,Vx로 변경해야 합니다. 그러나 이 예제와 같이 연결이 모멘트를 부담할 수 있다면 이 단계는 생략할 수 있습니다.

안전하고 효율적인 연결 모델과 규정 검토를 얻으려면 실제 설계하중 조합으로 작업하는 것이 필수적입니다. 네 가지 간단한 작업으로 완전 용접 접합부를 생성하면, 모든 critical 하중 효과(설계 조합)가 차례로 검토되었으며 모두 통과했음을 확인할 수 있습니다.

4단계 – 부재 검토

두 번째 연결도 유사한 방식으로 설계한 다음, IDEA StatiCa Member에서 가새를 검토할 수 있습니다.

그러나 이 예제가 보여 주는 것은, 많은 트러스 부재가 이러한 고급 해석의 부족을 보완하기 위해 과다 설계되어 있으므로 재료와 연결의 효율을 더 높일 여지가 충분하다는 점입니다.

맺음말

트러스는 구조 엔지니어링의 필수적인 요소이며, 그 활용은 앞으로 더욱 과감해질 것입니다. 재료와 시공 방법의 발전에 따라 향후 몇 년 안에 새로운 설계와 개념이 등장할 것이라고 확신합니다. 데이터 저장소를 지향하는 IDEA StatiCa의 접근 방식은 두 가지 장점을 모두 취할 수 있다고 봅니다. FEA 분야의 전문가들이 세계적 수준의 솔루션을 계속 개발하도록 하고, 우리는 그 결과와 모델을 연동하여 연결 모델과 부재 검토를 수행합니다. 이 분야는 우리가 최고 수준을 자랑하는 영역입니다!

트러스의 세계를 탐구한 이번 글과, IDEA StatiCa가 여러 방면에서 도움을 드릴 수 있는 방법을 즐겁게 읽으셨기를 바랍니다. 가새에 관한 관련 글이 곧 게시될 예정이니 기대해 주십시오.