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문제 정의
- 이에 본 연구에서는 설계편람에서 제시하고 있는 설계지침 및 표준화 원칙을 검토하고, 이를 적용하여 보 이음부의 마찰 접합을 대상으로 고력볼트 표준접합부 설계자동화 시스템(이하, 개발 시스템)의 프로토타입을 구축하고자 한다. 또한 써드 파티 어플리케이션(3rd Party Application)개발을 목적으로 소프트웨어 벤더에서 제공하는 API(ApplicationProgrammingInterface)를 통해 BIM 소프트웨어와의 연동함으로써 개발 시스템의 효율성을 높이고자 한다.
- 이에 본 연구에서는 설계편람에서 제시하고 있는 설계지침 및 표준화 원칙을 검토하고, 이를 적용하여 보 이음부의 마찰 접합을 대상으로 고력볼트 표준접합부 설계자동화 시스템(이하, 개발 시스템)의 프로토타입을 구축하고자 한다. 또한 써드 파티 어플리케이션(3rd Party Application)개발을 목적으로 소프트웨어 벤더에서 제공하는 API(ApplicationProgrammingInterface)를 통해 BIM 소프트웨어와의 연동함으로써 개발 시스템의 효율성을 높이고자 한다.
- 마지막으로, 완성된 프로그램의 검증을 수행하였다. 프로그램 검증은 두 가지 목적으로 구분하여 진행하였다. 첫 번째는 개발 프로그램으로부터 도출된 설계 결과의 적정성을 검증하는 것으로, 설계편람에서 제시하고 있는 접합부 설계 일람표와 개발 프로그램으로부터 도출된 접합부 설계 결과표 즉, 라이브러리 D/B를 비교 · 분석하였다.
가설 설정
- 1)플랜지 첨판의 폭은 형강의 공칭 폭으로 한다. 2)첨판의 두께는 플랜지와 웨브별로 각각 표 1, 표 2와 같이 일정한 규격으로 표준화한다.
제안 방법
- 먼저, 설계편람에서 제시하고 있는 고력볼트 접합부의 설계법을 검토하였다. 설계편람에서는 보와 기둥 부재에 대하여 각각 마찰접합과 지압접합의 네 가지 설계법을 제시하고 있으나, 연구에서는 보 이음의 마찰접합만을 대상으로 하였다.
- 먼저, 설계편람에서 제시하고 있는 고력볼트 접합부의 설계법을 검토하였다. 설계편람에서는 보와 기둥 부재에 대하여 각각 마찰접합과 지압접합의 네 가지 설계법을 제시하고 있으나, 연구에서는 보 이음의 마찰접합만을 대상으로 하였다. 설계법의 검토 방법은 KBC-09 건축구조설계기준의 강구조 기준을 근거로 제안하고 있는 표준화된 설계법(이하, 표준설 계법)을 분석하여 설계적용의 타당성을 검토하였다(대한건축학회, 2009).
- 설계편람에서는 보와 기둥 부재에 대하여 각각 마찰접합과 지압접합의 네 가지 설계법을 제시하고 있으나, 연구에서는 보 이음의 마찰접합만을 대상으로 하였다. 설계법의 검토 방법은 KBC-09 건축구조설계기준의 강구조 기준을 근거로 제안하고 있는 표준화된 설계법(이하, 표준설 계법)을 분석하여 설계적용의 타당성을 검토하였다(대한건축학회, 2009).
- 다음으로 검토된 설계법과 설계편람에서 제시하고 있는 표준화 원칙을 이용하여 접합부 구조해석을 위한 알고리즘을 작성 하였으며, 이를 근간으로 Excel VBA(Visual Basic for Application)을 이용하여 고력볼트 접합부 설계 자동화 프로그램을 작성하였다. 프로그램 작성에서 사용된 ExcelVBA는 엑셀 응용 프로그램에서 활용할 수 있는 VisualBasic을 의미하는 것으로 닷넷 프레임워크(.
- NETFramework)개발환경에 속하며, 연구에서 대상으로 하는 BIM 소프트웨어인 TEKLA에서 제공하는 OpenAPI 역시 닷넷 환경에서 구동되기 때문에 시스템 개발을 위한 적합한 환경이라 할 수 있다. 프로그램 작성 과정에서는 접합부 설계에 필요한 입력 값인 모부재의 단면 및 재질 정보, 볼트의 단면 정보, 첨판의 재질 정보와 표준화 설계 원칙을 각각 엑셀 데이터베이스로 구축하여 시스템의 접근 및 확장에 효율성을 제고할 수 있도록 하였다.
- 첫 번째는 개발 프로그램으로부터 도출된 설계 결과의 적정성을 검증하는 것으로, 설계편람에서 제시하고 있는 접합부 설계 일람표와 개발 프로그램으로부터 도출된 접합부 설계 결과표 즉, 라이브러리 D/B를 비교 · 분석하였다.
- 첫 번째는 개발 프로그램으로부터 도출된 설계 결과의 적정성을 검증하는 것으로, 설계편람에서 제시하고 있는 접합부 설계 일람표와 개발 프로그램으로부터 도출된 접합부 설계 결과표 즉, 라이브러리 D/B를 비교 · 분석하였다. 두 번째는 설계 결과와 BIM 모델링 소프트웨어 사이의 연동성을 검증하는 것으로, 샘플 구조물을 대상으로 실제 모델로부터 접합부 설계를 위한 입력 값을 연동하여 구조설계를 수행하고, 다시 그 결과를 모델로 내보내어 구조설계 결과와 접합부 모델의 속성 값을 비교함으로써 개발 시스템의 적용성을 검증하였다.
- 설계 편람의 부록에서는 제시된 설계법을 통해 도출된 고력볼트 표준접합부 설계 일람표를 포함하고 있다. 일람표에는 SS400,SHN490 재질의 강재를 대상으로 F10T와 F13T 고력볼트를 적용하여 보에 대해서는 100%, 85%,70%의 부분강도를 기둥에 대해서는 100%,75%, 50%의 부분강도에 대한 설계 결과를 테이블로 정리하였다.
- 그림 2에서 제시하고 있는 표준설계법은 연구의 목적인 고력 볼트 표준접합부 설계자동화 프로그램의 근간이 되는 것으로, 프로그램으로의 적용에 앞서 KBC-09강구조기준 및 참고 문헌에서 제시하고 있는 설계식과 비교․분석하여 제시된 설계지 침의 적정성을 검토하였다. 설계식의 비교를 위해 KBC 2009 강구조설계(한국강구조학회,2009);철골구조설계(신태송,2005), 손선욱(호서대학교,2008)등의 문헌을 참고하였다.
- 표 4의 비교 항목을 바탕으로 설계편람에서 제시하고 있는 설계식을 수정 보완하였으며, 그 내용은 다음과 같다. 먼저, 플랜지 첨판의 폭 및 두께 결정에 관한 것으로,첨판의 두께 결정식을 다음과 같이 제시하고 있다.
- 하지만 KBC-09 0710.4.2에 따르면 접합부재의 설계전단강도 ∅Rn은 전단항복과 전단파단의 한계상태 모두 고려하도록 되어 있으므로 연구에서는 전단항복 외에 전단파단에 대하여식 (5)를 추가하였으며, 계산된 값 중에서 작은 값을 소요두께로 산정하고, 웨브 첨판의 두께는 소요두께 이상이 되도록 적용하였다.
- 본 연구에서는 하중조합에 따른 소요강도에 대하여 미끄럼이 일어나지 않는 마찰접합 즉, ∅ = 0.85를 적용하였다.
- 고력볼트 접합부 설계자동화 프로그램의 작성에 앞서 설계 편람의 검토를 통해 수정․보완된 설계 법으로부터 접합부 구조해석 알고리즘을 작성하였다. 작성된 알고리즘은 이후 시스템 구현 단계에서 활용되어진다.
- 그림 3은 작성된 알고리즘의 일부로, 입력된 값으로부터 접합부 소요강도를 산출하기까지의 설계과정을 포함하고 있다. 연구에서는 작성된 알고리즘을 공학용 해석 솔루션인 MathCAD를 이용하여 검증하였으며 이를 통해 설계식의 적정성을 검토하였다(그림 4).
- 2.4절에서 설계편람에서 제시하고 있는 설계법을 검토하여 수정 보완하여 접합부 구조해석 알고리즘을 작성하였으며, 이를 근간으로 보 이음 마찰접합부의 설계자동화 시스템을 구현하였다. 구현이 완료된 시스템의 UI(UserInterface)는 그림 6과 같다.
- 구현이 완료된 시스템의 UI(UserInterface)는 그림 6과 같다. 설계자동화 시스템은 기능적으로 크게 접합부 구조설계와 BIM 모델링 S/W와의 연동을 통한 모델링 자동화로 구분하여 구현하였다.
- 접합부 구조설계 기능의 구현은 다음과 같다. 먼저, 설계조건 입력에 관한 것으로, 연구에서는 입력의 효율성을 높이기 위하여 구조설계를 위하여 요구되는 모부재의 단면, 재질 정보, 접합재 즉 볼트 및 첨판의 재질, 단면 정보를 D/B로 구축하고 입력 대화상자와 연동하여 단순한 선택만으로 입력이 가능하도록 하였으며, 플랜지의 공칭폭 결정에 따른 첨판 및 볼트의 표준화 원칙(표 3) 등을 D/B화하여 단면 정보의 입력 단계에서 관련된 사항들이 자동으로 결정되도록 하였다. 또한 설계편람에서는 전강도설계법을 근간으로 구조 설계자에 의해 설계휨강도에 대한 실제 소요강도의 비율, 브라켓 길이 등을 고려하여 85%, 70%의 부분강도를 선택할 수 있도록 제안하고 있으나, 연구에서는 사용자 정의에 의한 부분강도를 선택할 수 있도록 하였으며, 전강도설계법 외에 존재응력설계법을 추가하여 좀 더 범용적으로 적용할 수 있도록 하였다(그림 7).
- 먼저, 설계조건 입력에 관한 것으로, 연구에서는 입력의 효율성을 높이기 위하여 구조설계를 위하여 요구되는 모부재의 단면, 재질 정보, 접합재 즉 볼트 및 첨판의 재질, 단면 정보를 D/B로 구축하고 입력 대화상자와 연동하여 단순한 선택만으로 입력이 가능하도록 하였으며, 플랜지의 공칭폭 결정에 따른 첨판 및 볼트의 표준화 원칙(표 3) 등을 D/B화하여 단면 정보의 입력 단계에서 관련된 사항들이 자동으로 결정되도록 하였다. 또한 설계편람에서는 전강도설계법을 근간으로 구조 설계자에 의해 설계휨강도에 대한 실제 소요강도의 비율, 브라켓 길이 등을 고려하여 85%, 70%의 부분강도를 선택할 수 있도록 제안하고 있으나, 연구에서는 사용자 정의에 의한 부분강도를 선택할 수 있도록 하였으며, 전강도설계법 외에 존재응력설계법을 추가하여 좀 더 범용적으로 적용할 수 있도록 하였다(그림 7). 개발 시스템에서는 존재응력설계법의 선택할 경우 접합부의 소요강도(Mu, Vu)는 사용자에 의해 입력된 존재응력을 부재의 공칭설계강도와 비교하여 최소 부재설계 강도의 50% 중 큰 값을 만족하도록 설정하였다.
- 또한 설계편람에서는 전강도설계법을 근간으로 구조 설계자에 의해 설계휨강도에 대한 실제 소요강도의 비율, 브라켓 길이 등을 고려하여 85%, 70%의 부분강도를 선택할 수 있도록 제안하고 있으나, 연구에서는 사용자 정의에 의한 부분강도를 선택할 수 있도록 하였으며, 전강도설계법 외에 존재응력설계법을 추가하여 좀 더 범용적으로 적용할 수 있도록 하였다(그림 7). 개발 시스템에서는 존재응력설계법의 선택할 경우 접합부의 소요강도(Mu, Vu)는 사용자에 의해 입력된 존재응력을 부재의 공칭설계강도와 비교하여 최소 부재설계 강도의 50% 중 큰 값을 만족하도록 설정하였다.
- 입력된 설계 조건으로부터 시스템 내부적으로 구조설계 알고리즘을 근간으로 작성된 설계 기능을 이용하여 접합부 구조설계를 수행하고, 그 결과를 시트에 출력한다. 그림 7은 출력된 설계 결과를 PDF로 변환한 것으로, 연구에서는 단일 접합부에 대하여 리포트 형식의 상세한 설계 결과를 출력하며(좌), 여러 접합부에 대하여 테이블 형식의 요약된 설계 결과를 출력하도록(우)구현하였다.
- 보 이음 마찰접합부의 설계자동화 시스템의 구조설계 결과의 적정성을 검증하기 위하여 설계편람에서 부록으로 제시하고 있는 접합부 설계 일람표와 개발 시스템을 통해 도출된 접합부 설계 라이브러리 D/B를 비교·검토하였으며, 그 결과는 표 4와 같다.
- 먼저 설계조건의 입력 단계에서는 그림 6의 입력 대화상자에서 Read from TEKLA 기능을 이용하여 TEKLA로부터 모부재의 정보를 읽어오며(그림 8), 시스템 내부에서는 모부재의 인스턴스(instance)정보를 저장한다. 설계 결과의 출력 단계에서는 구조설계 결과로부터 API를 이용하여 해당 접합부의 인스턴스를 생성하고, 입력 단계에서 저장된 모부재의 인스턴스에 접합부 인스턴스를 추가 생성하여 TEKLA에서 해당 부재의 접합부 모델을 생성한다.
- BIM 모델링 S/W와의 연동성 및 개발 시스템의 적용성을 검증하기 위하여 TEKLA에서 3D-2BAY의 샘플 모델을 대상으로 개발 시스템을 적용하여 접합부 구조설계 및 모델링을 수행하였으며 그 결과를 검토하였다. 샘플 모델은 SS400 강재를 사용하였으며, 기둥과 보는 각각 H200×200×8×12, H400×200×8×13 단면을 적용하였다.
- (1) 보 이음 마찰접합부를 대상으로 고력볼트 표준접합 설계 편람에서 제시하고 있는 표준설계법을 검토하였으며, 이를 통해 플랜지 첨판의 치수 결정식과 웨브의 전단강도 결정식을 수정·보완하였다.
- (2) 수정․보완된 설계법에 따라 보 이음 마찰 접합부의 구조설계 알고리즘을 작성하였으며, 이를 근간으로 접합부 설계자동화 시스템을 구축하였다.
대상 데이터
- 샘플 모델은 SS400 강재를 사용하였으며, 기둥과 보는 각각 H200×200×8×12, H400×200×8×13 단면을 적용하였다.
데이터처리
- 마지막으로, 완성된 프로그램의 검증을 수행하였다. 프로그램 검증은 두 가지 목적으로 구분하여 진행하였다.
- 연구에서는 접합부 설계자동화 프로그램의 작성을 위해 Excel VBA를 이용하였으며, 설계 결과와 BIM 모델링 S/W와의 연동을 위해 TEKLA OpenAPI를 활용하였다. ExcelVBA는 Excel응용프로그램에서 활용할 수 있도록 VisualBasic 프로그래밍 언어를 내장한 것으로 Visual Basic본연의 프로그래밍 기능과 Sheet, Range등 Excel 고유의 개체에 대한 접근성을 제공한다.
이론/모형
- 그림 2에서 제시하고 있는 표준설계법은 연구의 목적인 고력 볼트 표준접합부 설계자동화 프로그램의 근간이 되는 것으로, 프로그램으로의 적용에 앞서 KBC-09강구조기준 및 참고 문헌에서 제시하고 있는 설계식과 비교․분석하여 제시된 설계지 침의 적정성을 검토하였다. 설계식의 비교를 위해 KBC 2009 강구조설계(한국강구조학회,2009);철골구조설계(신태송,2005), 손선욱(호서대학교,2008)등의 문헌을 참고하였다.
성능/효과
- 이상으로 TEKLA에서 개발 시스템을 적용한 결과, 개발 시스템에서 도출된 접합부 설계 결과와 설계 결과를 연동한 TEKLA 모델로부터 작성된 상세도를 비교한 결과 잘 일치하는 것으로 확인되었다(그림 14).
- (3) 접합부 설계자동화 시스템은 설계편람에서 제시하고 있는 전강도설계법 뿐만 아니라 존재응력설계법을 적용하여 경우에 따라 다양한 설계조건을 선택할 수 있도록 하였으며, BIM 모델링 S/W와 설계 데이터를 공유하여 시스템의 설계 조건의 입력 및 설계 결과의 출력, 즉 설계 결과가 반영된 접합부 모델 생성을 자동화 할 수 있도록 하였다. 이를 통해 설계 업무의 효율성 및 생산성을 제고할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 고력볼트 표준접합 설계편람은 한국강구조학회에서 2009년도에 발간된 것으로 KBC-09 건축구조기준의 한계상태설계법에 따른 고력볼트 접합부의 표준설계법을 제시하고 있으며, 첨판 및 고력볼트 배치의 표준화 및 표준접합 원칙을 포함하고 있다. 설계편람에서 사용된 고력볼트는 기존의 F10T 뿐만 아니라 성능이 1.3배 우수한 1,300MPa급의 F13T 고력볼트가 적용되고 있으나, F13T 고력볼트에 대한 적용은 향후 연구결과가 더 필요한 부분으로 보완/확정할 필요가 있을 것으로 사료된다. 기존의 건축구조기준(KBC-05)에서는 고력볼트의 마찰접합만을 규정하고 있으나, 이와 달리 KBC-09에서는 마찰접합 뿐만 아니라 지압접합도 규정하고 있어 설계편람에서는 보와 기둥 이음부에 대하여 각각 마찰접합, 지압접합을 적용하여 총 4가지 타입에 대한 설계법을 제시하고 있다.
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