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1. 강역을 왜 고려해야하나요?
일반적으로 라멘과 암거, 철골 구조물 등은 Frame 또는 Beam으로 모델링을 수행하는 경우가 많습니다.
이러한 모델은 일반적으로 CTC(Center to Center)로 모델링을 하는 경우 두 부재의 연결 부위
즉, 기둥과 보 혹은 Chord 부재와 Brace와 같이 두 단면이 만나는 곳에서 단면 겹침 현상이 발생합니다.
<그림 1> 강역 고려 구간
강역은 이렇게 두 단면이 만나는 곳의 겹침으로 인한 변형이 과도하게 산출되는 것을 방지하기 위해
단부의 강성을 증가시키거나 모멘트 발생을 억제시키는 옵션을 사용한 부분을 말합니다.
2. 강역 고려시 참고 기준
강역의 고려는 엔지니어의 판단에 따라 이루어지는 경우도 있지만, 도로교 설계기준에서는 단면력을 계상할 경우 강역의 영향을 고려해서 해석을 수행하는 것을 원칙으로 하고 있습니다.
KDS 44 90 00 : 도로암거설계기준에 따르면 “구조 해석 시 헌치에 의한 휨 강성 및 부재 축선의 변화는 그 영향이 적으므로 무시하였으며”라고 명시되어 있으며, 이 경우 부재 절점부에 작용하는 휨모멘트는 아래 그림과 같습니다. 이러한 강역의 계산은 도로교 설계기준에서 제시하고 있는 방법에 따라 계산이 되어야 합니다.
<그림 2> 강역설정 전 후 모멘트도
도로교설계기준 해설편(2008)에서 제안하는 강역 거리의 계산법은 아래와 같습니다.
<그림 3> 단면에 따른 강역 구간
(가) 등단면의 경우 : 부재단부가 다른 부재와 접합할 때는 부재단에서 부재 두께의 1/4 안쪽 점에서 절점까지
(나) 변단면의 경우(1) : 부재가 축선에 대해 25˚이상 60˚ 미만인 경사진 헌치를 갖는 경우 부재 두께가 1.5배가 되는 점에서 절점까지
(다) 변단면의 경우(2) : 헌치의 경사가 60˚ 이상의 경우는 헌치의 시점에서 부재 두께의 1/4 안쪽 점에서부터 절점까지
예시를 통해 두 가지 상황에 따른 강역 거리의 계산 방법에 대해 알아보겠습니다.
<그림 4> 변단면 및 등단면의 강역 구간
강역의 계산은 위의 방법에 따라 간단히 계산할 수 있습니다.
3. 강역 고려 유무에 따른 모멘트 차이
일반적으로 강역을 고려하는 것이 더 경제적인 단면을 설계할 수 있는 것으로 알려져 있습니다.
이는 강역을 고려하지 않을 경우 모멘트가 크게 발생하는 경우가 많으므로 보수적인 설계는 가능하지만, 불필요하게 큰 힘으로 설계를 한다는 단점을 가지게 됩니다.
강역 고려 전후의 모멘트를 비교해보기 위해 midas Civil을 이용해 얼마나 차이가 나는지 확인해 보았습니다.
아래 그림은 비교에 사용된 개략적인 암거 구조물의 단면 및 그에 따라 강역을 고려한 모델과 고려하지 않은 모델입니다.
이때 모델링은 midas Civil에서 제공하는 라멘/암거 Wizard를 이용해 생성하였으며, 자동으로 적용된 강역을 고려한 모델과 강역을 고려하지 않은 모델로 구분하였습니다.
midas Civil에서 강역의 고려는 Beam End Offsets 기능을 적용해 모델링 됩니다.
<그림 5> 강역적용 유무 모델 비교
위 두 가지 모델을 이용해 계산된 모멘트는 아래 그림과 같습니다.
큰 차이는 아니지만, 강역을 고려한 모델과 고려하지 않은 모델과 비교하여 모멘트가 5.63% 감소하는 것을 확인할 수 있습니다.
예상과 같이 강역을 고려할 경우 불필요한 단면력을 배제하여 조금은 더 경제적이고, 구조물의 실제 형상을 반영한 단면 설계가 가능할 것으로 보입니다.
<그림 6> 강역적용 유무에 따른 모멘트 비교
4. 결론
Frame 또는 Beam을 사용한 모델의 경우 부재가 겹쳐진 부분의 강성 변화를 고려하기 위해 강역을 설정해야 합니다.
강역 거리의 계산은 [KDS 24 14 00] 교량구조설계에 따라 가능하며, midas Civil의 기능을 이용할 경우 모델링을 생성할 때 자동으로 고려할 수 있습니다.
강역의 고려는 구조물의 안전에 큰 부분을 차지하는 것은 아니지만, 작은 부분이라도 무시하거나 지나치지 않는 엔지니어가 더 안전하고 경제적인 구조물을 설계할 수 있으므로 한 번쯤은 확인해 보셨으면 합니다.
오늘 알아본 블로그 콘텐츠을 직접 적용해 보실 수 있도록 강역 계산을 손쉽게 할 수 있는 엑셀 계산 시트을 콘텐츠 하단에 준비했습니다. 콘크리트교 설계기준 (극한강도설계법) KDS 24 14 20을 참고하였으며 설계기준에 따른 등단면과 변단면인 경우의 강역 거리를 산출할 수 있습니다.
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