개요

유한요소법을 이용하여 PHC 이음부의 구조 안전성을 검토한 프로젝트입니다. 이음부의 구조 안전성을 검토하기 위해 범용적인 유한요소법 프로그램인 ANSYS Mechanical 2023 R2를 이용하였습니다. 재질은 고객사로부터 제공받은 콘크리트 물성을 반영하였으며, 이음부는 SS400의 항복강도를 넘지 않는 탄성구간까지의 거동을 계산할 수 있는 선형 물성치가 적용되었습니다. KS F 4306에 따라 휨 강도 시험, 전단 강도 시험을 모사하여 하중조건을 인가하였으며 유한요소법을 이용하여 구조물의 응력 및 변위를 산출하였습니다. 구조물의 본 미세스 응력과 재료의 인장강도를 비교하여 구조 안전성을 평가하였습니다.

Pre-Processing

재료 물성은 상기 표와 같으며 프와송비와 탄성계수는 ANSYS 내 Structural Steel 물성치를 적용하였습니다. 본 해석의 경우, 항복강도를 넘지 않는 탄성구간까지의 거동을 계산할 수 있는 선형 물성치가 적용되었습니다. 유한요소모델 작성을 위한 3D 모델은 제공된 도면을 기반으로 작성하였으며, 해석 품질 향상을 위한 모델 간소화 작업이 적용되었습니다. 모델 간소화 작업은 컴퓨터 자원을 효율적으로 활용하고, 품질 높은 유한요소모델을 생성하기 위한 사전 작업입니다.

구조해석을 위해 총 3,022,375 개의 요소로 구성된 유한요소모델을 작성하였습니다. 주요 부품은 이음부며 3D Solid 요소를 사용하여 모델링하였습니다. 

Solving

받침재 형상은 KS F 4306의 받침재 도면을 참고하였으며 접촉면만 말뚝에 표현하여 이음부의 구조해석을 진행하였습니다
- 하중조건으로 휨 강도시험법에 따라 시험 하중(-Z 방향, 152.9 kN) 및 PHC의 사하중 적용을 위한 중력가속도(9806.6 mm/s^2)를 적용, 재하점 및 지지점은 규정상의 받침대의 접촉면을 모사하였습니다. 총 12 m 중, 재하점 사이 간격은 1 m, 지지점 사이 간격은 7.2 m입니다.

- 하중조건으로 전단강도 시험법에 따라 시험 하중(-Z 방향, 622 kN) 및 PHC의 사하중 적용을 위한 중력가속도(9806.6 mm/s^2)를 적용, 재하점 및 지지점은 규정상의 받침대의 접촉면을 모사하였습니다. 재하점 사이 간격은 1 m, 지지점 사이 간격은 2.2 m입니다.

Post-Processing

유한요소법을 이용하여, 휨 강도와 전단 강도에 대해 PHC 이음부의 변위 및 응력을 계산하고, 최대응력값을 재질의 인장강도와 비교하여 안전성을 평가하였습니다. 그 결과, 3가지 케이스 모두 최대응력이 인장강도보다 낮은 수준으로 발생하였습니다.
- 휨 강도 시험 : 이음부 최대 발생응력은 재질의 인장강도의 약 62 % 수준으로 허용 응력 내
- 전단 강도 시험-1: 이음부 최대 발생응력은 재질의 인장강도의 약 43 % 수준으로 허용 응력 내
- 전단 강도 시험-2: 이음부 최대 발생응력은 재질의 인장강도의 약 32 % 수준으로 허용 응력 내

다만, 응력결과 상에서 한 개의 Node에서 최대 응력값이 과도하게 나오는 특이점(singularity)이 발생하여, 해당 노드를 제외하고 인접한 노드점의 평균치를 산출하여 구조 안전성을 평가하였습니다. 응력 값을 산출하는 기준에 따라 평가 결과가 달라질 수 있으나 stress contour상 해당 위치에서 응력의 평균치를 가늠할 수 있는 수준으로 노드를 선정하여 산출하였습니다.