h빔 형강은 강축 약축에 따라서, 하중방향이나 유형에 따라서 천차만별이기 때문에 전문적인 유한요소 해석 프로그램을 사용하지 않으면 솔루션을 찾기 어려운 경우가 많은데요. 이번에 소개해드릴 프로그램은 무료 오픈소스로 배포된 FEA 프로그램 PrePoMax입니다. 이 프로그램을 사용하여 특정 규격 h형강을 하나 설정한 후, 강도 해석하는 과정을 보여드리려고 합니다. 이번 사례 말고도 여러 강좌들이 있으니 함께 참고해보셔도 좋겠습니다.
PrePoMax 메뉴얼 무료 FEM 유한요소 오픈소스 강좌
메일만 주셔도 FEM/ CFD 무료 오픈소스 설치 방법에 대한 PDF를 발송 드리고 있습니다.
(anslab007@gmail.com)
1. 모델링 불러오기
우선 모델링을 불러오겠습니다. FreeCAD를 통해 모델링을 작성해보았으며 대략적인 도면은 아래와 같습니다.
전체 높이 200*100 이며, 플랜지 8mm, 웨브두께 5.5mm 를 갖는 H 빔 형강입니다. 건축 분야에서도 FEA를 이런식으로 활용해볼 수 있구나라는 것을 보여드리기 위해 규격 하나를 정해서 작성해보았습니다.
STP 파일을 만든 후 import 명령을 통해 모델링을 불러왔습니다.
2. 메시 작업
메시 작업은 Frontal-Delaunay for quads 알고리즘을 사용하여 사각형 메시로 진행해보았습니다. 사각형 요소는 곡면이 들어간 모델링으로 구현하기는 어렵지만, 평면구간에서는 상당히 높은 정확도를 보입니다. 메시작업을 완료하면 아래와 같은 형상을 얻게 됩니다. PrePoMax 화면입니다.
3. 재질 설정 및 섹션 할당
모델링 및 요소 생성(메시 생성)이 완료되었다면 다음은 재질을 불러온 후 섹션을 할당해주어야 합니다. 라이브러리 재질에서 S420 재질을 불러오도록 하겠습니다. Material 에서 우클릭 하시면 됩니다.
아래와 같이 Library Editor에서 S420을 불러옵니다.
다음은 Section 에서 우클릭 후, Solid section 타입에서 모델링을 클릭하여 섹션을 할당해줍니다.
위 과정까지는 어렵지 않게 하실 수 있어야 합니다.
4. Step 생성 및 경계조건 입력
이제 Step이라는 항목에서 우클릭 후 create를 눌러 스텝을 생성해주도록 합니다. 스텝은 경계조건과 하중조건 등 연산에 핵심이 되는 부분을 입력할 수 있는 컨테이너라고 이해하시면 됩니다.
4-1. BCs (바운더리 컨디션) 입력
BCs는 바운더리 컨디션의 약자인데요. 요소의 움직임에 대한 정보를 입력해주는 부분입니다. 구속을 하는 것이죠. BCs에서 우클릭 하고 Create를 눌러주시면, Fixed 경계조건을 통해 한쪽 끝 단을 고정시킬 수가 있습니다.
4-2. Load 조건 입력
다음은 Load 조건을 설정해주어야 합니다.
고정 경계조건이 선택된 반댓쪽 끝 면에 Surface traction 으로 하중을 걸어주도록 합니다.
아래와 같이 Loads에서 우클릭 후 create 를 눌러주시고, Surface Traction type의 Load를 선택하여 아래 보시는 반댓쪽 끝단의 face를 선택해줍니다.
이번 예제에서는 하중값은 -2000N을 F2에 집어넣었는데요.
좌표를 보시고, F1,F2,F3 이 순서대로 x,y,z를 의미하기 때문에 방향에 맞게끔 넣어주시면 됩니다. 부호에 유의하셔야 합니다.
설령 부호를 잘못 넣는다고 해도 아래와 같이 방향표시가 되기 때문에 최종적으로 값을 기입한 후 체크해보시면 되겠습니다.
H빔 구조해석 CAE 분석 결과
이제 H beam의 결과를 분석해보도록 하겠습니다.
Analysis 에서 우클릭 후 Run 을 클릭해주도록 합니다.
아래 보시는 것처럼, 1.497mm 처지는 것으로 결과가 확인됩니다.
MISES 응력을 확인해볼 수도 있습니다. 22.89Mpa이 나왔습니다.
H빔 2차단면 모멘트 계산을 통한 검증
간단한 재료역학 이론에 파라미터를 대입하여 이상유무를 체크해봅니다. 제가 사용하는 계산기 프로그램 calcpad에서 H Beam의 높이, 두께 등의 치수를 넣고 2차 단면 모멘트 및 최대 처짐량을 계산해봅니다.
H 형강 구조에서 아래와 같이 수식을 작성할 수 있습니다.
최종적으로 2차 단면모멘트와 처짐공식에 대입하여 최대 처짐량을 계산해보았습니다.
1.44mm 라는 값이 도출됩니다.
재료 역학 이론치로 도출된 값이 유한요소 프로그램 PrePoMax를 통해 연산 된 값 1.497mm와 근사하다는 결론을 내릴 수 있습니다.
마무리
지금까지 H빔 형강의 구조해석을 무료로 진행하는 프로그램 PrePoMax를 통해 해석 전체 과정을 쭉 보여드렸습니다. 실무에 적용해보시면서 여러가지 다양한 아이디어를 접목해보시면 좋을 듯 합니다.