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PLANT 구조설계프로젝트/구조설계 2023. 2. 14. 12:18
오늘은 PLANT 강구조 설계 사례를 포스팅 하겠습니다.
본 용역은 발전소내의 환경설비, Duct, 배관 및 전기케이블등을 지지하는 구조물 설계로
현재 설계 진행중인 프로젝트입니다.
일반 건축물의 경우에는, 건물의 주요 용도 또는 건축주가 원하는 방향에 따라
건축사사무실에서 평면 및 입면 계획을 수립하게 되고
이때 관계기술자와 상의하여 기둥의 위치와 간격, 층고등을 정하게 되며
구조설계자 또한 가능하다면 건축계획에 크게 어긋나지 않도록
구조부재 배치후 (Preliminary Structural Arrangement) 구조 해석 단계를 거치고 이후 개별 부재 설계를 진행하게 됩니다.
PLANT 의 경우에는 구조물의 목적성이 명확하기 때문에 PLANT 효율을 높이고 운영을 용이하게 할 수 있도록
기기를 배치하는 업무가 선행됩니다.
기기 배치를 담당하는 역할을 GA 설계 (General Arrangement Design) 라고 하며
일반 건축물 설계과정에서 건축사사무실에서 하는 역할을 맡아서 합니다.
GA 설계 과정에서 각 단위 기계시스템 배치와 시스템에 생명을 불어넣기 위해 Duct 와 Pipe 배치로 연결하게 되며,
이후 각 단위 기계시스템내의 구조물 / 제품단위의 기계류 / Duct 및 Pipe 배치를 진행하게 됩니다.
또한 배치 완료 이전에 구조설계자와 협의과정을 통해 가능한
구조설계가 용이하도록 (즉, 경제적이면서 구조안전성을 확보할 수 있도록)
기기류 배치와 동시에 구조시스템을 조정하는 과정을 거치게 됩니다.
그러나 가끔은 단위 기기의 형상이 특이하거나 기기 배치의 효율성만을 높이다 보면 구조설계의 난이도가 올라가거나
경제성이 떨어지는 설계 (물량이 증가하는)를 할 수 밖에 없는 경우도 있습니다.
예를 들어 아래와 같은 경우가 있습니다.
위 모형의 설비는 하나의 기계시스템이지만 구조물은 1~3으로 분리되어 있으며 특히 1번 구조물의 경우
콘크리트 블록위에 위치해 있음을 알 수 있습니다.
해당 단위 기계시스템은 회전체이며 이런 점을 감안하여 1번 구조물의 경우에는 기본적으로는
가새구조 (Brace Frame) 이지만 회전체를 지지하는 콘크리트 상부 레벨층은 Rigid Frame 으로
강접합(Moment connection) 되어져 있습니다.
더불어
1) 1~3 번 기둥의 지점 Level 이 다른 점,
2) 구조물은 분리되어 있지만 강성이 큰 기기품 (Duct) 로 서로 연결되어 있는 점,
3) 1번 구조물은 회전체를 지지하는 구조인 점,
등을 감안하면 각각의 1~3번 구조물 설계가 완료되는 적정 시점에
“1번 구조물의 하부 콘크리트 + 1~3번의 강구조물 + 강성이 큰 기기품” 전체를 하나의
해석모델로 통합하여 Ground 에서 발생되는 지진에 대한 상호간의 영향을 평가하는
소위 Integrated Analysis (통합해석) 이 필요합니다.
또한 회전체 영향을 고려하기 위한 시간이력해석 (Time transient Analysis) 도 필요합니다.
통합해석과 시간이력해석은 프로젝트가 마무리되는 시점에 수행할 예정이며 추후에 포스팅하겠습니다.
일반적인 강구조 해석 절차 및 개별 부재 설계 절차는 구조해석 SW 회사에서 교육용으로 배포하는
매뉴얼이나 유튜브 강의 동영상을 참고하면 자세하게 설명되어 있더군요.
따라서 본 용역의 자세한 구조설계과정은 생략하겠습니다.
요즘 나오는 웬만한 SW 들은 해석 모델을 입력만 하면 하중 입력도 간단하게 할 수 있고
해석 TOOL 과 설계 TOOL 들의 연계도 잘 되는 것 같습니다.
이런 자동화 또는 커스트마이징 기능은 장점이 있는 반면에 엔지니어의
접근 난이도를 낮춤으로써 Risk도 있다고 생각합니다.
제가 생각하는 단점 또는 Risk 들을 나열해보겠습니다.
1) 구조엔지니어의 역량을 저하시킨다.
어쩌면 SW 없이는 부재 설계나 검토를 어려워 하는 구조엔지니어가 있을 수도 있습니다.
또한 구조엔지니어의 상상력을 통한 잠재력을 키울수 있는 기회를 뺏게 됩니다.
구조설계 초기에 가져야 하는 "구조 배치에 따른 힘의 흐름 - 예상되는 구조물 거동"을 미리 상상하여
최적 배치를 빠르게 만들어가는 과정이 생략될 수 있습니다.
왜냐면 구조해석 SW 를 통한 결과가 워낙 빨리 피드백 되기 때문에 수백번이라도 이렇게도 구조를 짜보고,
저렇게도 짜보고 할 수 있기 때문입니다.
약 30년전 라떼에는 퇴근하면서 해석을 서버급 (VAX) 컴퓨터에 돌리면
다음날 아침에 결과를 피드백 받기 때문에 어떻게던초기 구조배치안을 최소화시켜야 설계 일정을
맞출 수 있어서 처음부터 최적의 구조배치안을 잡기 위해 제 뇌를 최대한 사용해야 했습니다.
이런 과정을 통해 구조요소의 배치에 따른 힘의 흐름과 거동특성에 대한 개념을 스스로 터득할 수 있었습니다.
배치와 힘의 흐름에 대한 개념은 안전하고도 경제적인 구조배치를 쉽게 할 수 있을뿐만 아니라, 구조안전성 여부 판단,
VE 안, 현장 보강개념등을 수월하게 잡을 수 있습니다.
2) 부적절한 구조설계를 양산시킬 수 있다.
구조해석이나 설계의 핵심은 구조부재 배치계획과 함께 경계조건을 어떻게 주느냐에 있다고 생각합니다.
또 구조 해석에서 사용되었던 경계조건은 반드시 상세설계과정이나 실제 제작, 시공에서 실현되어야 합니다.
그런데 부재 Design 과 경계조건과의 연관성을 잘 알지 못할 경우에는 비 경제적인 설계가 되기 쉽고,
경계조건을 잡아 놓고 상세설계에서 실현하지 않으면 구조안전성이 떨어져 위험한 결과를 초래할 수 있습니다.
요즘 SW 는 워낙 좋아서 대충 설계해도 결과를 뚝딱 보여주고
(다시 말씀 드리면 30년전 라뗴에는 경계조건 조금만 잘못되도 아침에 출근해서 보면 그냥 NG 메시지만 뜹니다. 어느 절점에서 NG인지도 안 가르쳐 줬죠…ㅠ)
요즘은 경계조건 마저도 SW 가 다 잡아주는데 이러한 값들 하나 하나가 무엇을 의미하는지 정확하게 알지 못하고
그냥 "똑똑한 컴퓨터가 잘 해주겠지" 하는 막연한 생각으로 설계해버리는 경우를 많이 봤습니다.
역설적이게도 비 전문가도 구조설계를 할 수 있는 토양을 SW 가 만들어 주었다고 할 수 있습니다.
또 Lx, Ly, Lb, K 값들을 설정하기 위해서는 부재 사이즈나 접합부 상세를
어떻게 구현되어야야 하는지도 모르는 경우가 허다합니다.
세상 모든 전문분야는 실제 전문가가 수행해야 문제가 없습니다.
이것을 단순한 경제적인 관점에서 접근하게 된다면 그 피해는 고스란히 일반 시민이 받을 것이며,
크고 작은 안전사고는 반복 재생될 것입니다.
건축설계는 건축계획 전문가가, 구조설계는 구조기술자가, 시공시에 발생하는 문제는
시공기술자가 작성하는 것이 맞고 업무적으로 연관이 있는 부분이 있다면 서로 협력해야 합니다.
이번 포스팅은 PLANT 강구조 설계용역건을 설명하려고 했는데 옆길로 빠졌네요.
양해 부탁드리며 포스팅을 마치겠습니다.
위치: 창원시 상남동 부근
연락처 : 055-287-9176 , 0507-1349-9176
E-mail : kone0110@naver.com
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