AISC는 연결 설계에 유한요소법(FEA) 사용을 허용합니까?

유한요소해석, 특히 비선형 유한요소해석은 수십 년간 연구 분야에서 유효한 방법으로 알려져 왔습니다. 이는 엔지니어들이 사용하는 규정 방정식과 조항을 개발하는 데 기여했습니다. 또한 비선형 유한요소해석은 미국 및 전 세계에서 단순한 문제부터 복잡한 공학 문제를 해결하기 위해 실무에서 광범위하게 활용되어 왔습니다. 

ACI, AISC, TMS, NDS 등을 포함한 미국 규정 및 기준에는 일반적으로 복잡한 구조 요소 및 연결부로서 규정에서 다루지 않는 경우에 비선형 유한요소해석의 사용을 허용하는 조항이 포함되어 있습니다. 규정이 복잡한 문제에 이 방법의 사용을 허용한다면, 해를 단순화하는 가정이 있는 단순한 문제도 해결할 수 있습니다. 연구에 따르면 부재 및 연결 설계의 한계 상태는 유한요소해석으로 파악할 수 있습니다. 다음은 AISC 매뉴얼의 여러 섹션에 인용된 참고문헌 중 일부입니다. 

AISC 360 해설서는 다음과 같이 여러 위치에서 유한요소해석 및 비선형 유한요소해석의 사용 가능성을 제시하고 있습니다:

• "이 조항은 또한 AISC 매뉴얼 16판의 해설서: 부록 1, Comm 1.1 573페이지에서 D장부터 H장, J장 및 K장에서 다루는 한계 상태를 평가하는 데 사용되는 시방서 방정식을 대체하기 위해 전산 해석(예: 유한요소법)의 사용을 허용합니다."
• "비탄성 해석에 기반하고 주어진 일반 요건을 만족하는 모든 설계 방법이 허용됩니다. 이러한 방법에는 연결부와 같은 단일 구조 요소를 설계하기 위해 연속체 요소에 기반한 비선형 유한요소해석(Crisfield, 1991; Bathe, 1995)의 사용, 또는 보, 기둥 및 연결부로 구성된 구조 시스템을 설계하기 위한 2차 비탄성 골조 해석(Clarke et al., 1992; McGuire et al., 2000)의 사용이 포함될 수 있습니다." AISC 매뉴얼 16판 Comm 1.3 16.1-582.
• "모델링할 연결부가 데이터베이스의 범위에 해당하지 않는 경우, 시험, 단순 구성요소 모델링, 또는 유한요소 연구(FEMA, 1995)를 통해 응답 특성을 결정할 수 있습니다." AISC 매뉴얼 16판 B3. 해설서, 16.1-322페이지. 
• "설계 엔지니어가 대칭축이 없는 보 또는 F장의 다른 섹션에 조항이 없는 형상을 접하는 경우, 응력은 항복 응력 또는 탄성 좌굴 응력으로 제한되어야 합니다. 응력 분포 및/또는 탄성 좌굴 응력은 구조역학의 원리, 교재 또는 핸드북(예: SSRC 가이드(Ziemian, 2010)), 학술지 논문, 또는 유한요소해석을 통해 결정해야 합니다. 또는 설계자는 F장의 이전 섹션에 제시된 다양한 선택지 중에서 단면을 선택하여 이 문제를 피할 수 있습니다." AISC 매뉴얼 16판 Comm. F12 16.1-393. 
• "용접 길이가 용접 크기의 100배를 초과하는 경우, 유효 길이는 실제 길이보다 작게 취해야 합니다. Section J2.2b에 제시된 저감 계수는 CEN(2005)에 제시된 것과 동일하며, 이는 수년간 유럽에서 수행된 유한요소 연구 및 시험을 통해 개발된 지수 공식의 단순화된 근사값입니다." AISC 매뉴얼 16판 Comm J2. 16.1-484페이지.

AISC 설계 가이드 1 강구조물의 기둥 베이스 연결 설계 3판에는 골조 해석에서 기둥 베이스 연결의 표현 방법과 유한요소해석을 통한 시뮬레이션에 관한 설계 지침을 제공하기 위한 두 개의 새로운 부록(부록 C 및 D)이 포함되어 있습니다.

• 부록 D - 노출된 기둥 베이스 연결 상세에 초점을 맞춘 베이스 플레이트 해석 및 설계를 위한 유한요소해석 사용 지침

AISC 설계 가이드 24 중공 구조 단면 연결 3판에서는 다음을 인용하고 있습니다:

• "AISC 시방서 K장 해설서는 숙련된 엔지니어를 위한 적용 한계를 초과하는 설계 도구로서 비탄성 유한요소(FE) 해석을 인용하며, 이 옵션은 AISC 시방서 부록 1에서 허용됩니다. 용접 및 볼트 연결 모두 FE 방법으로 설계할 수 있으며, 탄성 해석은 피로 설계에 충분하지만 비탄성 해석은 일반적으로 극한 한계 상태를 파악하는 데 필요합니다. 선택한 소프트웨어의 모든 제한 사항은 항상 확인하여 소프트웨어가 조사 중인 한계 상태를 적절히 검토하고 파악할 수 있는지 확인해야 합니다. 여기에는 비선형 해석, 파괴 기준, 허용되는 충분한 노드 및 요소 수, 라이브러리의 요소 유형 등의 확인이 포함될 수 있습니다." 2.13장, 41페이지. 
• "이 경우, FE 모델링 기법과 선택한 메시 및 재료 매개변수는 연구 문헌이나 수집된 벤치마크 사례(이미 검증된)의 일부 FE 해석과 대조하여 검증해야 합니다(예: Wald et al.(2017))." 2.13장 41페이지. 

구조 엔지니어와 연결 설계자는 AISC에 따라 강구조 연결을 안전하고 정확하며 신속하게 설계하기 위해 다양한 도구를 활용할 수 있습니다. IDEA StatiCa는 독자적이고 검증된 FEA 솔루션으로 이 도구 모음의 일부입니다. 이론적 배경 및 광범위한 검증 자료에서 해당 방법에 대해 자세히 알아보십시오.