치장석재 지지 철물, 3분 만에 모델링하고 해석까지 — CBFEM 접합부 해석
1. 왜 접합부를 따로 푸는가
건물 외벽에 붙는 치장석재는 L 앵글 브래킷 하나로 벽에 매달립니다. 석재의 자중과 면외 지진력이 촉을 거쳐 조정판 끝에 걸리고, 그 힘은 볼트 → 앵글 → 앵커를 지나 콘크리트 벽으로 흘러갑니다.
문제는 이 짧은 경로에서 힘이 몇 배로 부풀어 오른다는 데 있습니다. 앵글 높이는 50 mm 인데 하중이 걸리는 자리는 벽면에서 84 mm 떨어져 있으니, 지레비가 그대로 앵커 인장으로 나타납니다. 손계산으로도 어림할 수 있지만, 조정판이 앵글을 «비틀어 누르는» 지레작용까지 손으로 따라가기는 쉽지 않습니다.
그래서 접합부는 판을 셸로 나누고 접촉·앵커·볼트를 각각의 거동으로 푸는 CBFEM(Component Based Finite Element Method) 으로 다룹니다. 아래는 도화기술이 자체 개발한 DHAnalStudio 로 이 브래킷을 만들고 해석하는 전 과정입니다.
2. 모델링부터 결과까지 — 전 과정
프로그램 안의 [따라하기] 를 그대로 따라간 화면입니다. 순서는 이렇습니다.
| 단계 | 하는 일 | 제원 |
|---|---|---|
| ① | 벽체 놓기 | 콘크리트 t200 (반투명) |
| ② | L 철물 | L-60×50×50×5T STS304 |
| ③ | 조정판 | PL 70×50×5T · 벽면에서 X 로 10 이격 |
| ④ | 장공 두 개 | 30×12 — 이격·단높이 조절 |
| ⑤ | 볼트 | M10 (와셔·너트 포함) |
| ⑥ | 앵커 | D10 · 매입 38 · 세로 장공 30 |
| ⑦ | 상·하 촉 | t2 · 지지점 간격 d₁ = 30 |
| ⑧ | 해석 모델 | 셸 메시 8 mm |
| ⑨ | 하중 | 조정판 앞 끝에 P = 0.5 kN |
| ⑩ | 비선형 해석 | 10 단계 · 29 회 반복 |
| ⑪ | 결과를 형상에 입히기 | von Mises (판 상·하면) |
| ⑫ | 솔리드를 감추고 메시 | 셸 컨투어 확인 |
여기서 ①~⑦ 은 설계자가 도면을 보고 그리는 그대로입니다. 절점이나 요소를 손으로 만들 일은 없습니다. 형상이 끝나면 ⑧ 한 번으로 해석 모델이 만들어집니다.
3. 형상을 손에 쥔 것처럼 — 돌려 보기
앵커가 벽을 뚫고 들어간 깊이, 조정판이 앵글 위에 얹힌 모습, 볼트가 두 판을 죄는 자리 — 돌려 보면 상세가 그대로 읽힙니다. 마지막에는 정면·측면·평면으로 세워 도면처럼 확인합니다.
4. 형상이 그대로 해석 모델이 된다
솔리드를 해석 모델로 옮길 때 각 부품은 «자기가 하는 일» 로 바뀝니다.
- 판 → 셸 메시 (면내 + 굽힘)
- 콘크리트 → 압축전용 접촉 — 들뜨는 쪽은 힘을 받지 않습니다
- 앵커 → 인장전용 스프링 + 전단 스프링 — 누르는 힘은 앵커가 아니라 앵글과 콘크리트의 지압이 받습니다
- 볼트 → 전단 + 인장 + 겹친 면의 접촉
- 접히는 자리 → 두 판의 절점을 합쳐 한 몸으로
여기서 두 가지가 결과를 좌우합니다. 첫째, 접촉은 압축만 받아야 합니다. 들뜬 쪽에 조금이라도 «붙잡는 강성» 이 남으면 앵커 인장이 실제의 절반으로 나와 위험측이 됩니다. 둘째, 변을 나눠 갖는 판끼리는 절점이 같은 자리에 와야 합니다. 나눔이 어긋나면 몇 점만 붙고 나머지가 매달려 구조가 흐느적거립니다. DHAnalStudio 는 메시를 만들기 직전에 두 판의 나눔을 자동으로 맞춥니다.
5. 결과 — 힘이 어디로 흘렀나
P = 0.5 kN · 셸 메시 8 mm 기준입니다.
| 항목 | 값 | 검토 |
|---|---|---|
| 앵커 인장 | 2.04 kN | / 6.7 kN = 0.31 |
| 앵커 전단 | 0.50 kN | / 11.0 kN = 0.05 |
| 콘크리트 압축 합력 | 2.05 kN | 앵글 발이 벽을 누른다 |
| 판 응력 (내민다리) | 187 MPa | / 205 MPa = 0.91 |
| 판 응력 (벽면다리) | 167 MPa | / 205 MPa = 0.81 |
| 조정판 앞 끝 처짐 | 1.46 mm | — |
결과가 맞는지 스스로 보는 세 가지
해석 결과는 «그럴듯해 보이는 것» 으로 믿을 수 없습니다. 이 모델은 세 가지로 자기 검산이 됩니다.
- 벽에 수직한 힘의 균형 — 앵커 인장 2.04 kN = 콘크리트 압축 합력 2.05 kN
- 세로 힘의 균형 — 앵커 전단 0.50 kN = 걸어 준 P
- 탄성 영역의 선형성 — P 를 0.2 → 0.5 kN 으로 올리면 모든 값이 정확히 2.5 배
세 가지가 어긋나면 모델 어딘가가 «떠 있는» 것입니다.
6. 엔지니어가 읽어야 할 것
앵커 인장이 하중의 네 배입니다. 앵글 높이(50)가 팔길이(84)보다 짧아 지레비가 그만큼 크기 때문입니다. 이 브래킷을 안전하게 만드는 가장 빠른 길은 앵커를 키우는 것이 아니라 앵글 높이를 키워 지레비를 줄이는 것입니다.
응력은 앵글이 접힌 자리에 몰립니다. 조정판이 앞은 누르고 볼트 자리는 들어올리는 지레를 만들어, 내민다리의 뿌리 응력이 단순 캔틸레버 손계산(P·L/Z)의 두 배로 나옵니다. 손계산만으로는 놓치기 쉬운 대목입니다.
같은 철물에 P = 1.0 kN 을 걸면 내민다리가 항복합니다 (STS304 항복 205 MPa). 이 상세의 탄성 한계가 그쯤이라는 뜻이므로, 석재 중량과 지진력을 확인해 브래킷 간격을 정해야 합니다.
7. 이 영상은 프로그램이 스스로 찍었습니다
위 두 GIF 는 화면 녹화가 아니라, DHAnalStudio 의 [부재 형상] → [따라하기 자동 촬영] 기능이 만든 것입니다. 사람이 메뉴를 눌러 만드는 것과 똑같은 단계를 프로그램이 스스로 밟으면서 단계마다 화면을 찍고, 회전·확대 장면까지 이어 GIF 로 저장합니다. 그래서 프로그램이 바뀌면 자료도 다시 찍기만 하면 됩니다 — 그림과 실제 화면이 어긋날 일이 없습니다.
요약
- 외장 석재 브래킷은 짧은 팔길이 때문에 앵커 인장이 하중의 몇 배로 커집니다.
- 압축은 앵커가 아니라 앵글과 콘크리트의 지압이 받습니다 — 접촉을 압축전용으로 두어야 값이 맞습니다.
- 형상 → 메시 → 해석 → 결과가 한 화면에서 이어지고, 힘의 균형과 선형성으로 스스로 검산할 수 있습니다.
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