IDEA StatiCa 강구조 연결 설계 계산 검증 (AISC)
저자:
- Baris Kasapoglu, 박사 과정생 (토목·환경·측지공학과)
- Rafael Arthur Giorjao, 박사 (재료과학·공학과)
- Ali Nassiri, 박사 (통합시스템공학과)
- Halil Sezen, 박사 (토목·환경·측지공학과)
2021년 6월
서론
구조 및 토목공학 분야에서 건물의 구조적 거동과 건전성을 이해하는 것은 거주자의 안전을 확보하는 데 매우 중요합니다. 그러나 다양한 하중 조건에 노출된 복잡한 구조물의 거동을 기존의 해석적 방법으로 분석하고 판단하는 것은 어려운 과제입니다. 따라서 유한요소해석(FEA)은 해석적 해법으로는 다루기 어려운 복잡한 물리적 구조물을 수치적으로 모델링하는 데 유용한 도구입니다. 이 보고서의 주요 목적은 미국에서 일반적으로 사용되는 세 가지 강구조 연결 유형(즉, 단순, 반강체 및 강체 연결)에 대해 IDEA StatiCa 소프트웨어에서 얻은 FEA 결과를 평가하고, 이를 기존 실험 데이터 및 다른 FEA 소프트웨어인 ABAQUS의 결과와 비교하는 것입니다. IDEA StatiCa 소프트웨어에서 얻은 보-기둥 접합부 응답은 AISC 360, 구조용 강재 건물 설계기준 (2016) 및 AISC 강구조 시공 편람 (2017) 규정의 요구사항에 따라 수행된 설계 계산과 비교됩니다.
이 보고서는 네 개의 장으로 구성됩니다. 1~3장에서는 각 연결 유형에 대해 문헌에서 실험적으로 검증된 연결 설계를 기본 모델로 선정하였습니다. 각 기본 모델과 10가지 변형 모델에 대해 미국 건축 규정에 따른 규정 설계 검토 및 계산이 수행되었습니다. 그런 다음 결과를 IDEA StatiCa의 예측값과 비교하였습니다. 또한 IDEA StatiCa의 FEA 결과를 ABAQUS의 결과와 비교하였습니다. AISC 설계 규정에 따른 모든 기하학적 및 설계 검토의 필요한 단계와 세부 사항은 부록에 포함되어 있습니다. 마지막 장에는 강구조 연결에 대한 미국 건축 규정 요구사항과의 정확성 및 적합성 측면에서 IDEA StatiCa 소프트웨어에 대한 종합적인 평가가 포함되어 있습니다.
1 단순 연결
이 연구에서는 AISC 360 (2016) 및 AISC 시공 편람 (2017)의 요구사항에 따라 10개의 핀 연결 시험체의 설계 강도 용량을 계산하였습니다. 4개의 시험체는 캘리포니아 대학교 버클리 캠퍼스 토목공학과에서 McMullin과 Astaneh(1988)가 수행한 실험 연구에서 선정되었습니다. 6개의 추가 모델은 기존 시험체의 매개변수를 수정하여 검증 목적으로 개발되었습니다. 그런 다음 기본 모델을 ABAQUS(2020) 및 IDEA StatiCa(버전 20.1.3471.1)를 사용하여 분석하고 결과를 비교하였습니다.
실험 연구
McMullin과 Astaneh(1988)에서는 7개의 실물 크기 강구조 보-기둥 연결 시험체를 시험하고 결과를 제시하였습니다. 각 연결 시험체는 이중 앵글 단면을 사용하여 보에는 볼트로, 기둥에는 용접으로 접합되었습니다. 이 시험의 주요 목적은 연결부에 매우 작은 휨 또는 모멘트와 함께 전단력만을 가하는 것입니다. 이 목적을 달성하기 위해 연결부 근처의 액추에이터가 전단력을 가합니다. 캔틸레버 끝단 근처의 액추에이터는 보를 수평으로 유지하고 연결부의 회전(휨)을 제한하는 역할을 합니다.
실험 중 사용된 계측 장치 다이어그램 (McMullin and Astaneh, 1988)
규정 설계 계산 및 비교
연결부의 설계 강도 용량(\(\phi\)Rn)은 AISC 구조용 강재 건물 설계기준(AISC 360, 2016) 및 AISC 강구조 시공 편람(AISC Manual, 2017)의 요구사항에 따라 계산되었습니다. 공칭 강도 Rn 및 하중저항계수설계법(LRFD)에 대한 각 연결 설계 한계 상태의 해당 저항계수 \(\phi\)는 AISC 360의 J장에 제시되어 있습니다. 다음 13가지 설계 검토가 AISC 360 또는 AISC Manual에 포함된 LRFD 설계 방정식에 따라 수행되었습니다.
- 볼트 전단력 검토 (식 J3-1, AISC 360-16)
- 볼트 인장력 검토 (식 J3-1, AISC 360-16)
- 보의 볼트 지압 검토 (AISC 360-16, 식 J3-6a)
- 보의 볼트 인열 검토 (AISC 360-16, 식 J3-6c)
- 앵글의 볼트 지압 검토 (AISC 360-16, 식 J3-6a)
- 앵글의 볼트 인열 검토 (AISC 360-16, 식 J3-6c)
- 앵글의 전단 파단 검토 (보 측) (AISC 360-16, 식 J4-4)
- 앵글의 블록 전단 검토 (보 측) (AISC 360-16, 식 J4-5)
- 앵글의 전단 항복 검토 (AISC 360-16, 식 J4-3)
- 보의 전단 항복 검토 (AISC 360-16, 식 J4-3)
- 앵글의 용접 파단 검토 (지지부 측) (9-5페이지, AISC Manual)
- 용접 용량 (10~11페이지, AISC Manual)
- 용접 용량 (편심 없음) (AISC 360-16, 식 J4-2)
IDEA StatiCa 해석
IDEA StatiCa는 이 강구조 연결 유형에 대해 네 가지 파괴 시나리오를 검토합니다: (1) 플레이트 파괴, (2) 볼트 파괴, (3) 용접 파괴, (4) 좌굴. 선정된 4개의 시험체(표 1.4)와 6개의 추가 모델(표 1.6)을 IDEA StatiCa에서 모델링하고 그림 1.9와 같이 전단력 하에서 해석하였습니다. 소프트웨어에서 전단력의 위치는 임의로 선택할 수 있습니다. 두 가지 전단력 위치를 조사하였습니다: (1) 볼트 위치, (2) 기둥 면.
전단 용량 비교: 4개의 시험체
| 강도 용량 | 시험 No. 4 | 시험 No. 5 | 시험 No. 6 | 시험 No. 9 |
| IDEA StatiCa에 의한 강도 - 볼트에 하중 적용 (kips) | 130.2 | 73.4 | 31.3 | 61.3 |
| AISC Manual에 의한 강도 - 볼트에 하중 적용 (kips) | 186.8 | 114.6 | 48.1 | 126.6 |
| IDEA StatiCa에 의한 강도 - 용접에 하중 적용 (kips) | 216.6 | 145.4 | 74.8 | 168.0 |
| AISC 360-16 식 J2.4에 의한 강도 - 용접에 하중 적용 (kips) | 228.3 | 161.5 | 94.7 | 201.9 |
| 실험 중 측정된 극한 전단력 (kips) | 230 | 205 | 117 | 192 |
전단 용량 비교: 6개의 추가 모델
| 강도 용량 | 모델 1 | 모델 2 | 모델 3 | 모델 4 | 모델 5 | 모델 6 |
| IDEA StatiCa에 의한 강도 - 볼트에 하중 적용 (kips) | 127.3 | 200.1 | 129.1 | 130.2 | 132.3 | 127.9 |
| AISC Manual에 의한 강도 - 볼트에 하중 적용 (kips) | 233.5 | 186.8 | 139.9 | 186.8 | 186.8 | 214.4 |
| IDEA StatiCa에 의한 강도 - 용접에 하중 적용 (kips) | 229.0 | 226.7 | 136.0 | 216.5 | 213.3 | 234.1 |
| AISC 360-16 식 J2.4에 의한 강도 - 용접에 하중 적용 (kips) | 285.4 | 228.1 | 139.9 | 228.1 | 228.1 | 285.4 |
결과 요약 및 비교
AISC LRFD 설계 요구사항에 따라 각 시험체에 대해 두 가지 용접 용량을 계산하였습니다. 동일한 4개의 시험체에 대해 전단력을 서로 다른 위치에 적용하여 IDEA StatiCa 모델에서 두 가지 용접 용량을 계산하였습니다. 모든 하중 시나리오에서 연결부의 가장 취약한 구성 요소는 용접임을 확인하였습니다. 용접 용량에 해당하는 지배적 또는 최소 계산 강도를 제시하고 실험 중 측정된 극한 용접 전단 용량과 비교하였습니다.
시험체의 용접 용량은 AISC LRFD 규정 요구사항(AISC 360-16 및 AISC Manual, 2017)에 따라 두 가지 방법으로 계산되었습니다. 시험 No. 4의 경우, AISC 360-16의 식 J2.4를 따르면 시험체의 용접 설계 용량은 228.3 kips로 계산됩니다. 이 해법에서는 편심이 고려되지 않습니다. 이 접근법을 IDEA StatiCa 해석과 비교하기 위해 수직 전단력을 용접부에 적용(용접선에 평행)하였으며, 이 시험체의 용접 용량은 216.6 kips로 계산되었는데, 이는 AISC 360-16의 식 J2.4에서 계산된 값(228.3 kips)과 매우 근접합니다.
IDEA StatiCa 모델에서 전단력을 볼트에 적용(볼트선에 평행한 외부 수직력)할 경우, 연결부 용량은 130.2 kips로 계산되었습니다. 지지부 측의 하중 편심을 고려하는 LRFD 용접 강도 방정식(AISC 시공 편람 2017, 10-11페이지)에 따라 용접 용량을 계산하면 시험체의 용접 용량은 186.8 kips로 계산됩니다. 그러나 보수적으로 이 AISC LRFD 방정식은 볼트와 용접 사이의 간격으로 인한 편심을 고려하지 않습니다. 이 가정이 IDEA StatiCa와 AISC Manual(2017)의 LRFD 강도 방정식에서 계산된 결과 간의 차이를 유발하는 원인으로 판단됩니다.
IDEA StatiCa와 ABAQUS 결과 비교
일반적으로 두 소프트웨어의 결과 간에 양호한 일치가 나타났습니다. 하중이 볼트 그룹의 도심에 적용된 경우 1에서는 ABAQUS 모델의 이중 앵글에서 더 많은 변형이 관찰되었습니다. 또한 보, 기둥 및 용접선에서 예측된 최대 응력은 ABAQUS 모델에서 약간 더 높게 나타났습니다. 아울러 ABAQUS 모델에서 보의 응력 분포가 약간 다르게 관찰되었습니다. 볼트 그룹에 하중을 적용하는 것은 기존 유한요소 소프트웨어에서 일반적이지 않으며, 이러한 차이는 서로 다른 접촉 공식 또는 요소 유형(즉, ABAQUS의 솔리드 요소 대 IDEA StatiCa의 쉘 요소)과 관련될 수 있습니다. 또한 타이 구속 조건의 특성으로 인해 ABAQUS 모델에서 기둥에 더 큰 응력이 발생하였습니다. 하중이 용접선에 적용된 경우 2에서는 두 모델 간에 훨씬 더 양호한 일치가 관찰되었습니다. 두 모델 모두에서 연결부의 가장 취약한 구성 요소는 용접선임을 확인하였습니다. 이는 LRFD 규정 설계 검토와도 일치합니다.
IDEA StatiCa와 ABAQUS 모델 간의 예측 von Mises 응력 비교; 경우 1 (상단 행): 전단 하중이 볼트 그룹의 도심에 적용, 경우 2 (하단 행): 전단 하중이 용접선에 적용
2 반강체 연결
이 장에서는 AISC 360 (2016) 및 AISC 시공 편람 (2017)의 요구사항에 따라 10개의 반강체 연결 시험체의 설계 강도 용량을 계산하였습니다. 이 시험체들은 사우스캐롤라이나 대학교 토목공학과에서 Azizinamini 등(1985)이 수행한 실험 연구에서 선정되었습니다. 모든 시험체는 IDEA StatiCa를 사용하여 해석하였으며, 그 중 하나는 ABAQUS(2020)를 사용하여 해석하였습니다. 그런 다음 결과를 비교하였습니다.
반강체 연결에 관한 실험 연구
이중 앵글과 상단 및 하단 보 플랜지로 구성된 여러 반강체 연결부에 정적 및 반복 하중을 가하여 모멘트-회전 거동을 조사하였습니다. 그림 2.1과 같이 한 쌍의 시험체를 동시에 시험하였습니다. 보 단면의 한쪽은 기둥에 볼트로 접합되고 다른 쪽은 롤러형 받침대로 지지되었습니다. 스터브 기둥의 수직 이동은 기둥 상단과 하단에 부착된 롤러 가이드에 의해 허용되었습니다. 유압 액추에이터를 사용하여 기둥에 하중을 가하였으며, 연결부가 하중을 보로 전달하였습니다.
Azizinamini 등(1985)이 사용한 시험 설치 구성
규정 설계 계산 및 비교
연결부의 설계 강도 용량(\(\phi\)Rn)은 AISC 360 (2016) 및 AISC Manual (2017)의 요구사항에 따라 계산되었습니다. 공칭 강도 Rn 및 각 연결 설계 LRFD 한계 상태에 대한 해당 저항계수 \(\phi\)는 AISC 360의 J장에 제시되어 있습니다. 상단 및 하단 앵글이 모멘트 저항을 제공하고, 이중 웨브 앵글은 보수적으로 연결부의 전단 저항에 사용되는 것으로 가정합니다.
이중 웨브 앵글의 설계 강도 용량
이중 웨브 앵글의 설계 강도 용량에 대해 AISC 360 또는 AISC Manual에 포함된 LRFD 설계 방정식에 따라 다음 14가지 설계 검토가 수행되었습니다.
- 앵글 (보 측)
- 볼트 전단력 식 J3-1, AISC 360-16
- 볼트 지압 및 인열 식 J3-6, AISC 360-16
- 전단 항복 식 J4-3, AISC 360-16
- 전단 파단 식 J4-4, AISC 360-16
- 블록 전단 식 J4-5, AISC 360-16
- 앵글 (기둥 측)
- 볼트 전단력 식 J3-1, AISC 360-16
- 볼트 지압 및 인열 식 J3-6, AISC 360-16
- 전단 항복 식 J4-3, AISC 360-16
- 전단 파단 식 J4-4, AISC 360-16
- 블록 전단 식 J4-5, AISC 360-16
- 프라잉 힘에 의한 결과 인장 용량 AISC Manual 9장
- 보
- 볼트 지압 및 인열 식 J3-6, AISC 360-16
- 전단 항복 식 J4-3, AISC 360-16
- 기둥
- 볼트 지압 및 인열 식 J3-6, AISC 360-16
두 개의 이중 웨브 앵글(시험체 14S1 및 14S2)의 설계 용량은 보에 부착된 앵글의 볼트 블록 전단에 의해 지배되었으며, 나머지 8개 시험체의 전단 설계 용량은 보의 볼트 지압 및 인열에 의해 지배되었습니다.
상단 및 하단 시트 앵글의 설계 강도 용량
상단 및 시트 앵글의 설계 강도 용량에 대해 AISC 360 또는 AISC Manual에 포함된 LRFD 방정식에 따라 다음 16가지 설계 검토가 수행되었습니다.
- 상단 및 시트 앵글 (보 측)
- 인장 항복 식 J4-1, AISC 360-16
- 인장 파단 식 J4-2, AISC 360-16
- 압축 절 J4.4, AISC 360-16
- 볼트 전단력 식 J3-1, AISC 360-16
- 볼트 지압 및 인열 식 J3-6, AISC 360-16
- 블록 전단 식 J4-5, AISC 360-16
- 상단 및 시트 앵글 (기둥 측)
- 전단 항복 식 J4-3, AISC 360-16
- 전단 파단 식 J4-4, AISC 360-16
- 프라잉 힘에 의한 인장 용량 9-10페이지, AISC Manual
- 보
- 볼트 지압 및 인열 식 J3-6, AISC 360-16
- 휨 강도 절 F13.1, AISC 360-16
- 블록 전단 식 J4-5, AISC 360-16
- 기둥
- 패널 웨브 전단 식 J10-9, AISC 360-16
- 플랜지 국부 휨 식 J10-1, AISC 360-16
- 웨브 국부 항복 식 J10-2, AISC 360-16
- 웨브 국부 크리플링 식 J10-4, AISC 360-16
모든 상단 및 시트 앵글의 설계 용량은 기둥에 볼트로 접합된 앵글 측의 프라잉 힘에 의한 인장 용량에 의해 지배되었습니다. 모든 상단 및 시트 앵글의 설계 용량은 프라잉 힘에 의한 인장 용량에 의해 지배되었습니다.
IDEA StatiCa 해석
10개의 시험체를 IDEA StatiCa에서 모델링하고 기둥으로부터 일정 거리 떨어진 위치에 전단력을 적용하여 해석하였습니다. 거리는 기둥 중심선과 보 지점 사이의 거리와 동일하게 선정되었습니다. 처음 4개의 시험체에 대해서는 보 지점이 기둥 중심선으로부터 120 in. 떨어진 것으로 가정하였으며, 나머지 6개의 시험체에 대해서는 72 in.로 설정하였습니다. 모든 시험체는 기둥에 부착된 상단 앵글이 소프트웨어에서 5%로 정의된 소성 변형률 한계를 초과하여 파괴됩니다.
AISC 전통적 계산(파란색)과 IDEA StatiCa(주황색)에 의해 결정된 저항력과 함께 모멘트-회전 다이어그램이 다음 그림에 나타나 있습니다.
시험 No: 14S1 (좌) 및 14S2 (우)의 모멘트-회전 관계
시험 No: 14S3 (좌) 및 14S4 (우)의 모멘트-회전 관계
시험 No: 8S1 (좌) 및 8S2 (우)의 모멘트-회전 관계
시험 No: 8S3 (좌) 및 8S4 (우)의 모멘트-회전 관계
시험 No: 8S5 (좌) 및 8S6 (우)의 모멘트-회전 관계
ABAQUS 해석
이 절에서는 IDEA StatiCa의 출력 결과를 ABAQUS(2020) 소프트웨어의 결과와 비교하였습니다. 이 연구에서는 시험 No. 14S1 시험체를 기본 모델로 선정하였습니다. IDEA StatiCa와 ABAQUS를 사용하여 거의 동일한 조건(즉, 재료 특성, 경계 조건 및 하중 조건)으로 수치 시뮬레이션을 수행하였습니다. 모델은 처음에 IDEA StatiCa에서 설계된 후, 조립체(보, 기둥, 웨브 앵글, 상단 및 시트 앵글 포함)를 IDEA StatiCa의 뷰어 플랫폼을 사용하여 ABAQUS로 가져왔습니다. 이후 볼트에 대한 단순화된 모델을 설계하여 ABAQUS 모델에 추가하였습니다.
ABAQUS에서의 반강체 연결 모델 설정
ABAQUS에서 요소 유형은 C3D8R(3D 응력, 8절점 선형 육면체, 저감 적분)이었으며, 모델에서 총 562,377개의 요소가 생성되었습니다.
ABAQUS 모델 메시 밀도
수치 시뮬레이션은 4개의 프로세서(Intel Xenon(R) CPU E5-2698 v4 @ 2.20GHz)에서 수행되었으며, 각 시뮬레이션은 완료하는 데 약 535분이 소요되었습니다.
IDEA StatiCa와 ABAQUS 간의 예측 von-Mises 응력 비교
변형 배율 10을 적용한 IDEA StatiCa와 ABAQUS의 측면 비교
일반적으로 두 소프트웨어의 결과 간에 양호한 일치가 나타났습니다. 그러나 IDEA StatiCa 모델에서 웨브 앵글, 상단 및 하단 플랜지에서 더 많은 변형이 포착되었습니다. 또한 두 모델 간에 웨브 앵글의 응력 분포가 약간 다르게 나타났습니다. 이는 ABAQUS 모델에서 저감 적분을 사용한 솔리드 요소를 사용하였기 때문으로 판단됩니다. 두 모델 모두에서 조립체의 가장 취약한 구성 요소는 하향 전단력 적용 시 인장을 받는 상단 플랜지임을 확인하였습니다.
3 강체 연결
이 장에서는 AISC 360 (2016) 및 AISC 시공 편람 (2017)의 요구사항에 따라 10개의 강체 연결 시험체의 설계 강도 용량을 계산하였습니다. 기본 시험체는 캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스 구조공학과에서 Sato 등(2007)이 수행한 실험 연구에서 선정되었습니다. 기본 시험체와 9개의 추가 변형 모델은 IDEA StatiCa를 사용하여 해석하였으며, 기본 시험체는 ABAQUS(2020)를 사용하여도 해석하였습니다.
강체 연결에 관한 실험 연구
캘리포니아 대학교 샌디에이고 캠퍼스에서 3개의 실물 크기 볼트 플랜지 플레이트(BFP) 모멘트 연결부에 반복 하중 시험을 수행하였습니다. 모든 시험체는 특수 모멘트 골조의 보-기둥 연결부에 대한 AISC 구조용 강재 건물 내진 설계기준의 요구사항을 충족하였습니다. 시험체의 횡방향 가새 간격은 이 기준에 따라 결정되었습니다. 수직 변위는 보 끝단의 유압 액추에이터에 의해 가해졌습니다.
규정 설계 계산 및 비교
10개의 강체 연결부의 설계 강도 용량(\(\phi\)Rn)은 AISC 구조용 강재 건물 설계기준(AISC 360, 2016) 및 AISC 강구조 시공 편람(AISC Manual, 2017)의 요구사항에 따라 계산되었습니다. 공칭 강도 Rn 및 하중저항계수설계법(LRFD)에 대한 각 연결 설계 한계 상태의 해당 저항계수 \(\phi\)는 AISC 360의 J장에 제시되어 있습니다.
단일 웨브 플레이트의 설계 강도 용량
단일 웨브 플레이트의 설계 강도 용량에 대해 AISC 360 또는 AISC Manual에 포함된 LRFD 설계 방정식에 따라 다음 8가지 설계 검토가 수행되었습니다.
- 웨브 플레이트
- 볼트 전단력 식 J3-1, AISC 360-16
- 볼트 지압 및 인열 식 J3-6, AISC 360-16
- 전단 항복 식 J4-3, AISC 360-16
- 전단 파단 식 J4-4, AISC 360-16
- 블록 전단 식 J4-5, AISC 360-16
- 용접 전단 식 8-2, AISC Manual
- 보
- 볼트 전단력 식 J3-1, AISC 360-16
- 볼트 지압 및 인열 식 J3-6, AISC 360-16
10개의 시험체에 대해 계산된 설계 용량 중, 모델 2의 설계 용량은 전단 파단에 의해 지배되었으며, 나머지 8개의 시험체는 볼트 전단에 의해 파괴가 지배되었습니다.
플랜지 플레이트의 설계 강도 용량
플랜지 플레이트의 설계 강도 용량에 대해 AISC 360 또는 AISC Manual에 포함된 LRFD 설계 방정식에 따라 다음 13가지 설계 검토가 수행되었습니다.
- 플랜지 플레이트
- 볼트 전단력 식 J3-1, AISC 360-16
- 볼트 지압 및 인열 식 J3-6, AISC 360-16
- 인장 항복 식 J4-3, AISC 360-16
- 인장 파단 식 J4-4, AISC 360-16
- 블록 전단 식 J4-5, AISC 360-16
- 압축 절 J4-4, AISC 360-16
- 보
- 볼트 지압 및 인열 식 J3-6, AISC 360-16
- 휨 절 F13.1, AISC 360-16
- 블록 전단 식 J4-5, AISC 360-16
- 기둥
- 패널 웨브 전단 식 J10-9, AISC 360-16
- 플랜지 국부 휨 식 J10-1, AISC 360-16
- 웨브 국부 항복 식 J10-2, AISC 360-16
- 웨브 국부 크리플링 식 J10-4, AISC 360-16
10개의 시험체에 대해 계산된 설계 용량 중, 7개 시험체의 설계 용량은 웨브 패널 존 전단에 의해 지배되었으며, 2개의 시험체는 볼트 전단에 의해, 1개의 시험체는 블록 전단에 의해 지배되었습니다. 시험체의 모멘트 용량은 표 3.5에 제시된 모멘트 암을 지배 설계 용량에 곱하여 계산하였습니다. 볼트 전단의 경우 모멘트 암은 보의 춤과 동일하며, 웨브 패널 존 전단 및 블록 전단 강도(BFP, 모델 1, 2, 3, 4, 5, 6 및 8)의 경우 보의 춤과 플레이트 두께의 합과 동일합니다.
IDEA StatiCa 해석
10개의 강체 강구조 연결 시험체를 IDEA StatiCa에서 모델링하고 시험 보고서와 같이 기둥 중심선으로부터 177.5 in. 떨어진 위치에 전단력을 적용하여 해석하였습니다. IDEA StatiCa에서 연결부가 용량에 도달할 때까지 전단력을 점진적으로 증가시켰습니다.
ABAQUS 해석
이 절에서는 IDEA StatiCa의 출력 결과를 ABAQUS 소프트웨어(버전 2020)와 비교하였습니다. 시험 BFP를 기본 모델로 선정하였습니다. IDEA StatiCa와 ABAQUS를 사용하여 거의 동일한 조건(즉, 재료 특성, 경계 조건 및 하중 조건)으로 수치 시뮬레이션을 수행하였습니다. 모델은 처음에 IDEA StatiCa에서 설계된 후, 조립체(보, 기둥 및 플레이트 포함)를 IDEA StatiCa의 뷰어 플랫폼을 사용하여 ABAQUS로 가져왔습니다. 이후 볼트에 대한 단순화된 모델을 설계하여 ABAQUS 모델에 추가하였습니다.
ABAQUS에서의 모델 설정
ABAQUS에서 요소 유형은 C3D8R(3D 응력, 8절점 선형 육면체, 저감 적분)이었으며, 모델에서 총 681,016개의 요소가 생성되었습니다. 수치 시뮬레이션은 8개의 프로세서(Intel Xenon(R) CPU E5-2698 v4 @ 2.20GHz)에서 수행되었으며, 시뮬레이션은 완료하는 데 약 685분이 소요되었습니다.
두 소프트웨어의 결과 간에 양호한 일치가 나타났습니다. 보와 기둥의 응력 분포는 매우 근접하였습니다. 그러나 ABAQUS 모델에서 기둥, 플레이트 1 및 스티프너에서 약간 더 높은 응력이 예측되었는데, 이는 타이 구속 조건의 특성으로 인한 것으로 판단됩니다. 볼트 및 용접 그룹에 대한 예측 하중도 두 소프트웨어 간에 매우 근접하였습니다.
4 요약 및 결론
IDEA StatiCa는 강구조 연결 설계를 위한 구성요소 기반 유한요소해석(FEA) 소프트웨어입니다. 다양한 용접 및 볼트 강구조 연결부와 베이스 플레이트의 구조 평가 또는 설계에 활용할 수 있습니다. 이 보고서의 주요 목적은 미국 건축 규정에 따라 미국에서 일반적으로 사용되는 세 가지 강구조 연결 유형(즉, 단순, 반강체 및 강체)에 대해 IDEA StatiCa 소프트웨어에서 얻은 FEA 결과를 검증하는 것이었습니다. 이 연구에서 검증 목적으로 선정된 연결 시험체에 대한 실험 응답 측정값이 확보되어 있었습니다. 각 연결 유형과 10가지 변형 모델에 대해 먼저 AISC 360, 구조용 강재 건물 설계기준 (2016) 및 AISC 강구조 시공 편람 (2017) 규정의 요구사항에 따라 규정 검토 및 계산을 수행하였습니다. 그런 다음 결과를 IDEA StatiCa의 예측값과 비교하였습니다. 또한 IDEA StatiCa의 결과를 시장에서 또 다른 강력한 FEA 코드인 ABAQUS와 비교하였습니다. 시험체의 측정 응답도 연결 모델의 전반적인 거동과 파괴 모드를 비교하고 더 잘 이해하는 데 활용되었습니다.
일반적으로 IDEA StatiCa 결과, 미국 규정에 따른 규정 검토, 그리고 ABAQUS 결과 간에 양호한 일치가 나타났습니다. 계산된 결과가 IDEA StatiCa에서 얻은 결과와 다른 것은 AISC가 설계 규정으로서 보수적일 수 있는 반면, 소프트웨어는 더 정확할 것으로 예상되는 실제 거동을 포착하도록 설계되었기 때문입니다.
시장에는 다양한 하중 조건에 대한 전반적인 구조 응답을 예측할 수 있는 많은 FEA 소프트웨어가 있지만, 연결 설계에 특화된 FEA 도구는 부족한 실정입니다. 시장의 다른 FEA 소프트웨어와 비교하여 IDEA StatiCa 소프트웨어는 많은 장점을 가지고 있습니다. 사용 편의성 외에도 IDEA StatiCa의 가장 중요한 특징은 ABAQUS와 같은 기존 FEA 코드에 비해 훨씬 짧은 시간 내에 결과를 얻을 수 있는 계산 시간으로 확인되었습니다. 이는 엔지니어가 변경이 필요한 경우 초기 연결 설계를 더 빠르고 효율적으로 평가하고 수정하는 데 도움이 됩니다. 또한 일반적인 FEA 소프트웨어에서는 연결 구성 요소(즉, 볼트, 용접, 플레이트)의 하중과 용량을 후처리 단계에서 모델로부터 추출해야 하는데, 이는 번거롭고 시간이 많이 소요되는 작업입니다. 그러나 IDEA StatiCa에서는 결과가 직접 계산되어 보고됩니다. 또한 IDEA StatiCa에서는 연결부의 임의 위치/부재에 직접 하중을 적용할 수 있는 반면, 일반적인 FEA 코드에서는 기준점을 정의한 후 연결부와 연결하는 추가 단계가 필요합니다.
그러나 동일한 유형의 해석(즉, 소변형)이 수행되었음에도 불구하고 플레이트와 기둥/보 면 사이에 정의된 접촉에서 약간의 차이가 발견되었습니다. 이는 두 소프트웨어에서 사용되는 솔리드 요소와 쉘 요소의 차이 또는 접촉 알고리즘의 차이로 인한 것일 수 있습니다. 또한 IDEA StatiCa 코드가 최적 요소 크기를 계산하고 활용하는 방식이 명확하지 않았습니다. 아울러 IDEA StatiCa 소프트웨어에서 기본값으로 정의된 Eurocode(EN1993-1-5 부록 C, C8절 주석 1)의 권장 소성 변형률 한계 5%로 인해 서로 다른 파괴 모드가 관찰되었습니다.
IDEA StatiCa의 빠르고 간편한 연결 모델링 및 해석 기능으로 인해 대형 강구조물의 복잡한 비선형 모델링과 시간이 많이 소요되는 동적 해석을 비교적 신속하게 수행할 수 있습니다. 보-기둥 골조 구조물에서 연결부의 특성은 IDEA StatiCa에서 완료된 해석 및 설계 검토를 기반으로 정의할 수 있습니다. 그런 다음 SAP2000과 같은 구조 해석 소프트웨어를 사용하여 골조 해석이 완료된 후 필요에 따라 연결 모델을 수정하고 재해석할 수 있습니다. 구조 골조 모델의 원하는 최적 성능에 따라 IDEA StatiCa에서 연결부를 더 약하게 또는 더 강하게 만들 수 있습니다. SAP2000과 같은 프로그램에서 골조 구조물 모델링의 일부로 연결부의 모멘트-회전 응답을 정의해야 하기 때문에, IDEA StatiCa에서 연결 모멘트-회전 응답을 개발하는 더 쉽고 강력한 접근법은 매우 유용할 것입니다.
IDEA StatiCa 소프트웨어의 품질은 그래픽 사용자 인터페이스(GUI)에 달려 있습니다. GUI가 잘 구현되지 않으면 사용자가 애플리케이션이나 소프트웨어를 사용하는 데 어려움을 겪을 것입니다. IDEA StatiCa는 이를 잘 설계하였습니다. 우수한 GUI와 함께 소프트웨어의 품질도 확인됩니다. 일련의 관례나 표준을 따르면 일관성이 보장되고 사용자가 소프트웨어를 쉽게 탐색할 수 있습니다. 표준화되고 일관된 용어는 사용자가 용어를 접했을 때 쉽게 이해할 수 있도록 합니다. 모델은 쉽게 수정할 수 있어 빠른 변수 탐색 및 검토가 가능합니다.
소프트웨어는 더 빠른 로딩 시간과 버그 수정을 포함하여 전반적인 사용자 경험을 개선하기 위해 지속적으로 업데이트됩니다.
참고문헌
[1] AISC (2016). "Specification for Structural Steel Buildings," American Institute of Steel Construction ANSI/AISC 360-16, Chicago, Illinois.
[2] AISC (2017). "Steel Construction Manual," 15th edition, American Institute of Steel Construction, Chicago, Illinois.
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[4] ABAQUS 2020, Dassault Systemes Simulia Corporation, Providence, RI, USA.
[5] IDEA StatiCa s.r.o., Sumavska 519/35, Brno, 602 00 Czech Republic; https://www.ideastatica.com/support-center/general-theoretical-background
[6] Azizinamini, A., Bradburn, J. H., and Radziminski, J. B. (1985). Static and cyclic behavior of semi-rigid steel beam-column connections. University of South Carolina.
[7] Sato, A., Newell, J., and Uang, C. M. (2007). Cyclic testing of bolted flange plate steel moment connections for special moment frames. Final Repor to American Institute of Steel Construction.
전체 보고서는 아래 링크에서 다운로드할 수 있습니다:
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- Final Report_OSU.pdf (PDF, 7.2 MB)