수년간 창고, 프레임, 반복적인 논리로 이루어진 홀 등 "일반적인" 강구조를 설계하다가 어느 날 공간에서 기울어진 마스트와 직관적으로 쉽게 받아들여지지 않는 방향에서 당기는 케이블, 그리고 구조 상세라기보다 기계 조형물에 가까워 보이는 연결을 마주하게 됩니다. ixCube 4-10 소프트웨어를 개발한 ixRay와 함께 진행한 막구조 및 강구조 연결에 관한 최근 웨비나에서 바로 이런 내용을 다루었습니다.
처음에는 익숙하게 느껴졌습니다. 전체 모델, 몇 가지 하중 케이스, 그리고 상세에 대한 기본 도면까지는 그랬습니다. 그러나 노드를 모델링하기 시작하자마자 상황이 흥미로워졌습니다.
전체 해석은 쉬운 부분입니다
작업 흐름은 대부분의 프로젝트와 같은 방식으로 시작되었습니다. 마스트, 케이블, 막재가 함께 거동하는 막구조를 ixCube 4-10에서 전체 해석하고, 하중 케이스를 준비하고, 변형을 확인했습니다. 모든 것은 Gerry가 깔끔하게 정리했습니다. 마스트, 케이블, 막재가 각자의 역할을 하며 형상 결정(form-finding)도 끝나 모두 만족스러운 상태였습니다(공개 웨비나였으니까요).
그다음 제가 연결을 넘겨받았습니다.
IDEA StatiCa Checkbot이 여기서도 도움이 됩니다. BIM 링크를 사용하면 ixCube 4-10에서 IDEA StatiCa로 형상, 단면, 하중 조합이 바로 내보내집니다. 힘을 수동으로 다시 입력할 필요도, 좌표계와 씨름할 필요도 없습니다.
갑자기 형상이 중요해집니다. 아주 많이
노드를 가져오자 막구조 연결과 "일반적인" 강재 상세의 차이가 즉시 분명해졌습니다.
벽지 무늬처럼 노드가 반복되는 일반 강구조와 달리, 여기서는 모든 접합부가 저마다 다른 형태였습니다. 이상한 각도로 케이블이 들어오는 마스트 헤드, 콘크리트와 상호작용하는 앵커링 노드, 곳곳의 핀, 그리고 모든 곳에 존재하는 편심이 있었습니다.
하지만 가장 어려운 점은 이 구조가 직교 체계가 아니라는 것입니다. 막구조는 공간적으로 복잡하여 서로 수직인 부재가 없고, 플레이트는 직사각형인 경우가 드물며, 힘은 대부분 축방향입니다. 다만 각도 때문에 항상 그렇지는 않습니다.
연결 템플릿을 선택하고 볼트 개수를 조정하는 대신, 설계는 전통적인 수동 작업의 연속이 되었습니다. 연결 애플리케이션 전문 사용자로서의 체면을 지켜준 것은 애플리케이션에서 형상을 만드는 대신 DXF 파일에서 실제 형상의 거셋 플레이트를 가져오는 것이었습니다.
그리고 머리를 더 써야 했습니다. 특히 부재 벡터에 맞도록 공간상에서 플레이트를 배치하는 일이 그랬습니다. 여기서 스티프너 플레이트 작업 옵션의 원점을 부재 LCS 또는 플레이트로 설정하는 기능도 큰 도움이 되었습니다. 그 후에는 X, Y 오프셋과 회전을 밀리미터 단위로 조정하는 작업이었는데, 묘하게 만족스러웠습니다.
좋습니다, 시간이 꽤 걸렸습니다. 하지만 이러한 기법 덕분에 해결되었고, 저는 빨간 버튼(궁금하신 분들을 위해 말씀드리면 계산 버튼입니다)을 누르는 데 훨씬 가까워졌습니다.
케이블은 빔이 아닙니다
그전에 조금 더 조정할 부분이 있습니다. 기본적으로 연결 모델은 부재가 모든 단면력 성분을 전달한다고 가정합니다. 빔과 기둥에는 문제가 없지만 케이블에는 완전히 잘못된 가정입니다.
막구조에서 케이블은 인장력을 전달하기 위해 존재합니다. 그것뿐입니다. 휨 모멘트도, 회전 강성도, 전단력도 없습니다. IDEA StatiCa 연결 모듈에서 케이블을 모델링할 수 있을까요? 아니요. 하지만 좋은 우회 방법이 있습니다. 케이블 자체와 그 인장 메커니즘은 이미 인증된 제조업체의 영역입니다. 여기서 중요한 것은 케이블이 당기는 접합부입니다. 따라서 케이블은 완전한 로드로 대체하여 모델링하며, 모든 매개변수는 BIM 링크를 통해 가져온 케이블에 따라 설정합니다.
핀은 볼트 그리드가 아닙니다
막구조에는 역학적으로 하나의 핀이 모든 하중을 전달하는 연결이 많습니다. IDEA StatiCa에서는 연결된 부재의 단부 지점을 가상으로 조정하여 진정한 단일 핀 연결을 모델링할 수 있습니다.
기술적으로는 부재 속성에서 클릭 한 번으로 케이블 부재를 N-Vy-Vz 모델 유형으로 전환하면 됩니다. FEA 전체 모델에서 인장력만 가져오기 때문에 힘 입력은 이미 준비되어 있습니다. 이 경우 축력을 제외한 모든 성분을 해제하는 것은 녹색 체크를 얻기 위한 소프트웨어 요령이 아닙니다. 모델이 구조적 현실을 따라잡는 것입니다.
이 단계를 건너뛰면 물리적으로 말이 되지 않는데도 계산이 되는 연결이 만들어지거나, 더 흔하게는 계산이 불가능한 메커니즘이 되어 "해석 0%"라는 최종 메시지를 보게 될 수 있습니다.
이제 빨간 버튼을 누를 차례이며, 그에 따르는 도파민도 함께 찾아옵니다.
여기서 (CB)FEM이 진가를 발휘합니다
결과가 나타나는 모습을 지켜보는 것만으로도 즐겁습니다. Eurocode에서 요구하는 녹색/적색 합격-불합격 표와 하루 업무를 마무리할 PDF 보고서를 여전히 얻을 수 있습니다. 하지만 그뿐 아니라 독특한 형상의 플레이트를 따라 흐르는 응력장, 핀 구멍 주변의 응력 집중 영역, 그리고 엔지니어링 직관과 즉시 일치하거나 이를 되짚게 하는 변형 형상도 확인할 수 있습니다.
어떤 플레이트가 실제로 일하고 있고 어떤 플레이트는 그저 일광욕을 하고 있는지 분명하게 볼 수 있었습니다.
막구조에서는 이것이 매우 중요합니다. 이러한 상세에서는 "수식을 만족한다"는 것만으로는 충분하지 않습니다. 무슨 일이 일어나고 있는지 직접 봐야 합니다. 그리고 때로는 지배 요소가 예상했던 것과 전혀 다르기도 합니다.
마무리
막구조의 강구조 연결 설계는 까다롭습니다. 정밀해야 하고, 실제 거동을 존중해야 하며, 단순화된 가정 뒤에 숨는 일을 멈춰야 합니다. 하지만 실제로 생각하는 것을 그대로 모델링할 수 있는 도구가 있다면 깊은 만족감도 느낄 수 있습니다.
IDEA StatiCa는 원래 이러한 연결을 위해 개발된 것은 아니지만, 약간의 숙련도나 조언만 있으면 예상보다 훨씬 잘 대응합니다.
루빅 큐브 완료. 다음 도전 과제는 루빅 십이면체입니다 😉.
자료
직접 프로젝트에 적용해 보고 싶으신가요? 샘플 파일을 받아 IDEA StatiCa에서 바로 열어 보세요.
또는 전체 작업 흐름을 설명한 웨비나 녹화 영상을 시청해 보세요.
IDEA StatiCa의 기능을 직접 체험해 보십시오. 2주간 무료로 제공됩니다.
14일 무료 이용