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교량은 다양한 형식을 가지고 있지만, 그 중 아치교(Arch Bridge)는 아름다운 미관과 뛰어난 안전성을 가진 형식으로 알려져 있습니다. 기존에 제공해드린 “아치교 설계 핵심사항↗(클릭 시 새창)”에서 아치교와 관련한 설계 고려사항과 실제 건설된 아치교의 다양한 사례를 알려드렸습니다.
오늘은 지난번 콘텐츠와 연계하여 아치교 설계에 필요한 구조해석 모델을 조금 더 간편하게 생성할 수 있는 방법에 대해 알려드리겠습니다. 이 텐츠는 지난 5월 3일 해외에서 진행된 웨비나인 “The Synergy between midas Civil and midas FEA NX” 내용을 참조하여 작성되었습니다. 아치교의 전체 구조계 해석 모델 및 상세 해석 모델 생성의 자세한 사항에 대한 관심이 있으신 분들은 아래 버튼을 클릭하여 웨비나를 확인해 주세요.
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1. 개요
일반적으로 구조물을 설계할 때 필요한 구조해석 모델링은 다양한 것들이 있지만, 필수적으로 필요한 모델은 아래와 같습니다.
1) 전체 구조계 해석 모델(Global Analysis Model)
2) 상세 구조 해석 모델(Detailed Analysis Model)
전체 구조계 해석 모델은 구조물 전체의 거동을 확인하기 위한 해석입니다. 주로 힘과 모멘트, 변형 등을 확인하기 위해 수행하는 모델링으로 교량의 경우 일반적으로 아래 그림 1과 같이 1D 보(Frame) 요소를 이용해 수행하고 있습니다.
<그림 1. midas Civil의 1D 보요소를 활용한 아치교 모델>
그리고 상세 구조 해석 모델은 전체 구조계 해석 모델 중 하중이 집중되는 구간인 지점부, 접합부 등에 대해 응력 양상을 보다 정밀하게 확인하기 아래 그림 2와 같이 2D 판(Plate) 요소 또는 3D 솔리드(Soild) 요소를 이용해 수행되고 있습니다.
<그림 2. FEA NX의 3D 솔리드 요소를 활용한 아치교 접합부 상세 모델>
두 가지 해석을 위한 모델링은 사용되는 요소와 모델링 범위의 차이로 인해 필요에 따라 각각 모델링을 수행하고 있어, 실무에서 어려움을 겪는 경우가 종종 있습니다.
전체 구조계 해석 모델을 이용해 상세 해석 모델을 만들 수 있다면 업무 효율성에 더 많은 도움이 될 수 있을 것입니다.
2. 전체 구조계 해석 모델링
아치교의 전체 구조계 해석 모델은 midas Civil에서 제공하는 Arch Wizard를 통해 편리하게 생성할 수 있습니다.
먼저 모델링에 사용된 아치교의 높이와 폭, 길이 등은 아래 그림 3과 같습니다.
<그림 3. 아치교 주요 치수 및 명칭>
midas Civil에서 제공하는 Arch Wizard를 이용해 모델링하는 방법은 아래 영상 1을 통해 확인할 수 있습니다.
<영상 1. Arch Wizard를 활용한 아치교 1D 보요소 모델링>
아치교의 모델링에서 가장 시간이 많이 소요되는 아치부의 모델링을 Wizard기능을 활용해 진행할 경우 보다 손쉽게 모델링을 완료할 수 있습니다.
3. 접합부 상세 해석 모델링
아치교 접합부는 사방향으로 설치되는 경사부재(Diagonals)로 인해 3D 솔리드 요소를 통한 모델링을 수행할 경우 부재 방향을 고려하기 위한 좌표 설정은 쉬운 작업은 아닙니다. 하지만 midas Civil의 “Frame to Solid” 기능을 이용해 전체 구조계해석 모델을 FEA NX로 연동해 작업할 경우 각 부재의 방향이 고려된 모델링으로 생성되므로 조금은 간편하게 작업할 수 있습니다. 물론, 전체 구조계 해석에서 고려하지 못하는 접합부의 거셋플레이트 등은 직접 모델링 해줘야 하지만 처음부터 3D Solid 요소를 활용해 모델링을 하는 경우에 비해 많은 시간을 절약할 수 있습니다.
midas Civil의 “Frame to Solid” 기능을 이용해 전체 구조계 해석 모델을 FEA NX로 연동하는 작업은 아래 영상에서 확인할 수 있습니다.
<영상 2. midas Civil의 Frame to Solid 기능을 활용한 아치교 3D 솔리드 모델링>
이렇게 생성된 접합부 모델은 FEA NX를 통해 응력과 변형에 대한 검토를 위한 3차원 유한요소 해석을 수행할 수 있습니다.
전체 구조계 해석 모델링 중 일부분에 대한 상세 해석을 진행할 경우 상세 해석 모델 경계조건의 고려나 하중의 적용은 아주 중요한 부분입니다. 따라서, midas Civil에서 해당 지점의 하중값 또는 변위값을 가지고 와서 해석을 수행하는 것이 일반적이지만 FEA NX에서 생성된 3D 솔리드 요소를 midas Civil로 가지고 올 수 있으므로, 필요한 경우 아래 그림과 같이 전체 구조계 해석 모델에 상세 해석을 포함하여 해석을 수행할 수도 있습니다.
이 경우 상세 해석 모델에 필요한 경계와 하중을 따로 고려할 필요가 없기 때문에 조금은 더 편리하게 상세 해석을 진행할 수 있습니다.
<그림 4. 3D 솔리드 상세 해석 모델을 포함한 midas Civil 모델링>
4. 결론
3D 솔리드 요소를 이용한 상세 해석을 위해 2차원 도면을 이용해서 기하 형상을 생성하는 작업은 많은 시간과 오류를 발생시키는 작업으로 필수적으로 전체 구조계 해석 모델과의 연관성 및 동일성을 확인해야 합니다.
특히 3D 솔리드 요소를 이용한 유한요소해석에서 기하형상을 구축하는 작업은 가장 시간이 오래 걸리는 작업 중 하나이며, 복잡한 형상이나 경사를 가지는 구조물의 기하 형상을 구축하는 작업은 더 많은 시간을 필요로 하는 작업입니다.
midas Civil과 FEA NX를 함께 사용할 경우 전체 구조계 해석 모델을 통해 원하는 부분의 상세 해석을 위한 모델링을 쉽게 생성할 수 있으므로, 별도의 전체 구조계 해석 모델과의 연관성 및 동일성을 확인해야 하는 시간을 절약할 수 있습니다.
오늘 보여드린 콘텐츠에서는 아치교에 대한 모델링을 말씀드렸지만 1D 보요소를 이용해 해석을 수행하는 자켓구조물이나 모노파일 구조물, 플랜트 구조물, 다양한 강교의 접합부 모델링의 생성에도 동일한 방법을 적용해 모델링을 수행할 수 있습니다.
복잡한 접합부의 상세 해석 모델링을 midas Civil에서 제공하는 Frame to Solid 기능을 통해 FEA NX로 수행해 보세요.
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