종방향 가새는 강구조 홀 구조물에서 신뢰할 수 있고 널리 사용되는 요소입니다. IDEA StatiCa 부재 모듈의 시뮬레이션이 제공하는 정확한 계산 덕분에, 구조 엔지니어는 이제 좌굴 길이 추정값을 줄이고 편심 연결이 전체 가새 거동에 미치는 영향을 고려할 수 있습니다.
구조물 기본 정보
홀의 폭은 8.3m, 길이는 22.6m, 높이는 2.3m입니다. 해석의 핵심 부재는 편심 거셋 플레이트를 통해 IPE 180에 용접된 50x50x3 mm SHS 프로파일입니다.
수계산 - 축력 및 휨 저항력
고급 해석을 수행하려면 핵심 부재의 거동을 수계산으로 파악하는 것이 중요합니다. 수계산은 EN 1993-1-1을 사용하여 수행됩니다. 계산에서는 설계 축력과 거셋 플레이트의 편심 및 자중에 의한 휨 모멘트를 고려합니다. 자중은 규정 검토 및 이용률에 미치는 영향이 미미합니다. 이 하중 케이스는 유한요소법 접근 방식에서는 무시됩니다.
수계산 - 축력 및 휨 저항력
수계산 접근 방식에 따르면, 압축과 휨의 조합 하중에 대한 부재 안정성 검토가 불합격임이 명확합니다. 이용률은 145%입니다.
수계산의 한계:
- 계산 가정은 힌지 연결을 고려하며 연결부의 실제 강성은 고려하지 않습니다.
- 임계 길이 추정은 실제 강성을 고려하지 않고 연결부 배치에 기반합니다.
- 모델 거동의 시각적 표현이 없습니다. 입력하는 계수, 특히 방정식을 맹목적으로 신뢰해야 합니다.
- 도입하는 가정으로 인해 구조물의 임계 지점을 간과할 수 있습니다.
- 경험이 부족한(젊은) 엔지니어의 잘못된 초기 가정은 치명적인 오류로 이어질 수 있습니다.
- 설계 기준 접근 방식에서 일부 계수의 결정은 경우에 따라 복잡하며, 특히 Cmy, Cmz, CmLT 계수가 그러합니다.
비보강 모델
새 프로젝트
IDEA StatiCa 실행-->Steel-->Member.
추가로 조정 및 개선할 수 있는 기본 모델을 생성하기 위해 필요한 단계를 따르십시오.
설계
강체 지지 부재
강체 지지 부재를 활성화하려면 CON1과 CON2를 선택한 후 속성 그리드에서 체크박스를 선택하십시오.
장면에서 강체 지지 부재가 어떻게 표시되는지 확인할 수 있습니다. 다음 단계는 모델에서 모든 하중을 제거하는 것입니다.
하중
종방향 가새는 축방향으로 하중을 받습니다. -38.7 kN의 설계 압축력은 해석 부재의 단부에 적용됩니다.
구조물의 자중은 요소의 낮은 중량으로 인해 거동에 미치는 영향이 미미합니다. 이 하중은 무시됩니다.
경계 조건
거셋 플레이트는 IPE 180에 용접됩니다. 유사한 경계 조건을 시뮬레이션하려면 CON1에 대해 6개의 자유도가 모두 구속되도록 선택하십시오.
하중 탭에 미리 정의된 축방향 하중으로 인해 CON2의 국부 X방향 지지를 해제하십시오.
연결
이제 연결을 생성할 차례입니다. CON1을 선택하고 연결 편집을 클릭하십시오.
CON1 편집을 통해 연결을 생성하십시오. 제조 작업 연결 플레이트를 선택하고 매개변수를 설정하십시오.
IDEA StatiCa 연결 모듈 창이 몇 초 후에 열립니다. 필요한 작업을 추가하여 단계별로 연결을 구성하십시오. 제조 작업 연결 플레이트 CPL1을 추가하고 아래 그림과 같이 매개변수를 설정하십시오.
다음 단계에서 플레이트 편집기에서 혀형 플레이트 및 거셋 플레이트의 형상을 조정하십시오.
이제 CON1을 닫고 저장할 수 있습니다.
CON1이 설정되었습니다. 이제 CON2를 클릭하고 최근 연결 기능을 사용하여 동일한 연결을 CON2에 적용한 후 IDEA StatiCa 연결 모듈에서 연결을 여십시오.
CON2 접합부에서 거셋 플레이트의 반대 편심으로 인해 정렬을 후면으로 변경하십시오.
최종 모델의 평면도는 다음과 같습니다:
검토
재료 비선형 해석
재료 비선형 해석(MNA)은 재료 소성을 고려하며 모델의 등가 응력 및 소성 변형률에 대한 유용한 정보를 제공합니다. 이 해석은 볼트 및 용접의 규정 검토에 초점을 맞추지 않으며, 이는 별도의 연결 모델에서 검토해야 합니다.
검토 탭으로 전환하고 MNA를 실행하십시오.
등가 응력을 활성화하고 전체 부재의 필드 출력을 확인할 수 있습니다. 응력 임계점은 연결부 자체에서 감지됩니다.
변형은 양쪽 연결부의 편심으로 인한 휨과 추가 응력을 나타냅니다.
선형 좌굴 해석
좌굴 해석은 압축 하중 하에서 구조물 파괴를 예측하는 데 매우 유용한 도구입니다. 안정성을 평가하고 좌굴 또는 붕괴 전 임계 하중 용량을 예측합니다. 이 방법은 구조적 무결성과 안전성을 확보하는 데 필수적입니다.
해석의 출력:
- 임계 알파 계수
- 좌굴 형상
선형 좌굴 해석(LBA)은 몇 가지 중요한 출력을 제공합니다. 첫 번째 좌굴 형상은 1.63 x Ned 계수에서 낮은 안정성 손실을 보여줍니다. 그러나 대칭 단면 직교로 인한 두 번째 모드 형상은 1.90의 더 높은 계수에 도달합니다. 이후 해석에서 모드 간의 상호 작용을 염두에 두는 것이 중요합니다.
불완전성을 고려한 기하학적·재료 비선형 해석(GMNIA)을 시작하려면 초기 상태를 국부 불완전성으로 설정해야 합니다. EN 1993-1-1, 조항 5.3.2 (3)에 따라 국부 불완전성을 신중하게 선택해야 합니다. 불완전성을 입력하기 전에 부호를 달리한 옵션의 순열을 통해 임계 불완전성을 선택해야 합니다 (2). 임계 이용률을 나타내는 불완전성만 최종 해석에 사용해야 합니다 (3). 정확하고 신뢰할 수 있는 해석을 위해 불완전성 선택 시 세심한 주의가 필요합니다.
불완전성을 고려한 기하학적·재료 비선형 해석
GMNIA는 극한 하중 하에서 구조물의 거동을 연구하기 위해 공학에서 사용되는 해석 유형입니다. 이 해석은 구조물의 기하학적 비선형성(형상 변화)과 재료 비선형성(재료 특성 변화), 그리고 구조물에 존재하는 초기 불완전성 또는 변형을 모두 고려합니다. 이러한 요소들을 고려함으로써 엔지니어는 하중 하에서 구조물이 어떻게 거동할지 더 잘 이해하고 설계 및 안전성에 대한 합리적인 결정을 내릴 수 있습니다.
해석은 LBA의 불완전성에서 얻은 초기 변형 형상을 사용하여 매 증분마다 평형을 구합니다. 평형을 찾을 수 없으면 해석이 중단됩니다.
- 재료 비선형성은 재료가 더 이상 탄성적으로 변형될 수 없고 소성 항복이 시작되어 거동이 변화할 때 발생합니다.
- 안정성 문제는 평형 부족으로 인해 구조물이 추가 반복을 수행할 수 없고 분기점에 도달했을 때 발생합니다.
GMNIA를 실행하십시오. 결과는 빔이 안정성을 잃었음을 증명합니다. 소성 잠재력에 도달하는 대신 계산이 중단되었습니다.
변형
비보강 부분에 대한 결론
해석 결과는 수계산 시 세운 초기 가정을 확인합니다. 수계산에서 이용률은 145%로 다소 높게 나타납니다. 그러나 안정성 문제로 인해 GMNIA에서 91.4%에서 계산이 중단되었습니다. 소성 잠재력에 도달하지 못했다는 점에 주목할 필요가 있습니다. 가정과 비교하면 GMNIA의 이용률 값은 1/0.914 = 109%입니다.
안정성을 확보하기 위해 모델을 보강하는 것이 권장됩니다. 현재 홀에서 부재를 교체하기 어렵기 때문에 부재 보강에 초점을 맞출 것입니다. IDEA StatiCa 부재 모듈이 부재 보강 과정을 다룰 것입니다.
보강 모델
기존 단면은 볼트로 결합된 다른 단면을 사용하여 보강됩니다.
기존 프로젝트 복사
시작하는 가장 쉬운 방법은 미리 설정된 모든 재료, 제조 공정 및 정적 배치를 포함하여 현재 모델을 복제하는 것입니다.
새 프로젝트
IDEA StatiCa 실행-->Steel-->Member를 실행하고 복사된 모델을 열기하십시오.
설계
해석 부재 AM1(1)을 수정하십시오. 새 단면(2)을 정의하고-->일반 단면 설계기(3)로 이동
-->미리 정의된 단면 가져오기(4)-->General_Section.ideaGcss(5)를 선택하십시오.
이것은 미리 정의된 일반 단면의 템플릿입니다. 원래 단면은 CFomega 단면을 사용하여 보강되었습니다.
아래 모델은 생성된 구조를 보여줍니다. 그러나 중요한 경고는 부재가 용접할 수 없는 냉간 성형 단면으로 구성되어 있어 단면을 결합할 수 없고 일체성이 보장되지 않는다는 것입니다.
단면들은 독립적으로 거동합니다.
부재를 편집하기 전에 표준 라이브러리에 없는 볼트 M6에 대한 사용자 정의 조립체를 생성하십시오. 재료-->볼트 조립체-->아래 표에 따라 매개변수 편집-->Hilti M6으로 저장으로 이동하십시오.
두 독립 단면을 볼트로 연결하기 위해 중간 노드를 추가하고, 절대 위치를 부재 시작점에서 1.5 m로 설정하십시오. CON3 편집을 클릭하십시오.
연결
CON3을 통해 사용자는 전체 빔 길이를 따라 볼트 연결을 생성할 수 있습니다. 제조업체의 패스너 그리드 또는 접촉 작업을 선택하십시오.
아래 권장 사항에 따라 볼트의 특성 및 배치를 입력하십시오:
이것이 Member 앱에서 모델이 보이는 모습입니다.
검토
재료 비선형 해석
검토 탭으로 전환하고 MNA를 실행하십시오. 해석은 소성이 발생하고 최대 응력을 경험하는 영역을 보여줍니다.
변형은 볼트 결합 덕분에 부재가 공동으로 작용하고 있음을 증명합니다.
선형 좌굴 해석
선형 좌굴 해석 계산을 실행하십시오. 단면 보강으로 인해 첫 번째 좌굴 형상이 변경되었으며, 이는 수직 방향의 순수 휨 모드입니다. 좌굴 계수가 증가하였습니다.
두 번째 모드 형상에서는 빔 양단에서 횡방향 휨과 단면 왜곡이 동시에 발생합니다.
좌굴 계수가 서로 근접하기 때문에 모드 간 상호 작용을 생성하면 압력 하에서 가능한 모든 변형을 포착할 수 있습니다. 두 좌굴 모드의 상호 작용을 생성하려면 네 가지 불완전성 조합이 필요합니다.
임계 모드 조합을 식별하는 실용적인 방법은 모델에 과부하를 가하는 것입니다. 이를 통해 소성 변형률, 변형, 또는 미완료 GMNIA 계산(비보강 모델에 대한 접근 방식)과 같은 징후를 파악할 수 있습니다.
불완전성을 고려한 기하학적·비선형 해석
불완전성을 신중하게 선택하고 GMNIA를 실행한 후, 등가 응력을 통해 연결부의 임계 지점이 확인되었습니다. 해석이 안정성 문제 없이 100% 완료에 도달하여 부재 및 모든 구성 요소의 안전성을 확보했다는 것은 설계의 좋은 증거입니다.
이전 해석 단계의 기하학적 비선형성과 불완전 형상을 바탕으로 2차 처짐의 발전을 관찰할 수 있습니다.
보고서
보고서 탭을 클릭하면 해석 단계 및 규정 검토의 요약이 자동으로 생성되며, PDF 또는 Word 문서로 저장할 수 있습니다.
요약
이 튜토리얼은 수계산과 유한요소법을 모두 사용하여 종방향 가새와 같은 구조물을 평가하는 과정에 대한 포괄적인 이해를 독자에게 제공하는 것을 목표로 합니다. 수계산을 이용한 규정 검토와 유한요소법 고급 해석의 비교를 통해 독자는 합리적인 결정을 내리고 두 접근 방식의 차이점에 대한 유용한 통찰을 얻을 수 있습니다.
핵심 내용:
- 수계산은 예비 설계를 위한 훌륭한 도구입니다.
- 임계 길이 추정은 실제 강성을 고려하지 않고 연결부의 외관에 기반합니다.
- 초기 가정이 고급 유한요소법 해석을 통해 확인되었으며, 모델의 기능이 시각적으로 표현됩니다.
- 접합부 강성, 편심 및 까다로운 기준 유도의 무시는 오류와 오해를 불러일으키는 결과로 이어질 수 있습니다.