오늘 다뤄볼 주제는 구조물의 “해석 모델 단순화”에 대한 것입니다.
건물 크기 수준의 초대형 스케일의 구조물이 움직일 때 가장 먼저 두려움을 크게 느낍니다. 하지만 실제로는 스케일과 상관없이 다양한 구조물에 대해 CAE를 통해 우리의 생각보다 매우 높은 안전성을 가지고 설계가 진행되게 됩니다.
인간이 바벨 등의 고중량 들 때 무게 중심을 움직이며 균형을 맞추고 힘을 전달합니다. Bucket wheel excavator과 같은 초대형 스케일 구조물에서는 특히 비대칭적인 하중에 의해서 매우 큰 위험이 발생하며 주요하게 설계가 필요하게 됩니다.
구조물의 해석 모델 단순화 과정은 왜 필요할까요?
이번 주제인 Bucket wheel excavator 구조물은 건물과 유사한 정도의 초대형 스케일의 구조물로써 다양한 부품과 크기의 부재가 연결된 형태로 구성되어 있습니다. CAE 혹은 FEM 알고리즘을 통한 해석 모델은 실질적으로 스케일보다는 상세 구현 정도에 따라 규모가 결정되게 됩니다.
스케일에 따라 해석 모델을 구성하는 요소 자체가 크거나 작게 적용되고 실질적인 양은 크기에 상관없이 유사하게 적용되게 됩니다. 다만, 모든 부품에 대해 상세하게 묘사하면 할수록 국부적인 요소의 개수가 많아질 수 있으며, 이에 따라 해석 모델의 규모가 결정되게 되는 것입니다. 실질적으로 나노미터 수준에서부터 킬로미터 수준까지 다양한 구조물에 대해 FEM 모델로 구축하고 해석 검증을 진행하게 됩니다.
상세 구현의 정도는 일반적으로 해석 목적에 따라 결정되게 됩니다. Full model로 구축되는 해석 모델의 경우는 힘의 전달 메커니즘과 전체적인 변형 위주로 검토하는 목적으로 진행되므로 조대한 요소 크기와 단순화된 형상 및 1D/2D 요소 등의 간소화 모델로 구축하여 진행하며, Part model은 반대로 국부적인 위치에서 조밀한 요소 크기와 함께 고차원의 요소를 통한 모델 구축 후 상세 검토 용도로 사용됩니다.
Bucket wheel excavator 구조물은 어떻게 설계해야 할까요?
Bucket wheel excavator 구조물은 대규모 작업에 사용되거나 무거운 물체를 들어 올릴 때 사용하게 됩니다. 외팔보 형태의 부재 끝단 부에서 거대한 집중질량이 가력되므로 휨변형이 크게 발생하게 되며, 전도 방지를 위해 Cable과 함께 Counter weight를 활용하여 양지점의 모멘트 합산이 0이 되도록 구성하게 됩니다. 하나의 균형추 역할을 하는 것과 유사합니다. 앞서 이야기 한 것과 같이 역기나 바벨 등을 들 때 자연스럽게 무게 중심을 뒤쪽으로 두는 것과 유사한 상황이라고 이해하면 쉽습니다.
이번 예제인 Bucket wheel excavator 구조물 해석의 주목적은 전체 구조물 기준에서 Counter weight와 구조물 간의 모멘트 균형이 맞는지, 케이블의 최대 장력이 유효한지, 구조물 자체의 부재 안전성을 가지는지 등에 대한 큰 단위의 구조 안전성 검토를 목적으로 합니다. 초대형 스케일 구조물이므로 Full model을 상세하게 묘사할 수 없으므로 1D, 2D 차원의 요소로 단순화하여 모사되었으며, 예제 모델과 함께 주요 결과에 대해서 알아보기 위한 자료입니다.
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