개요

호주의 토목/건축업계의 선두주자중 하나인 Tierney & Partners사는 2000년 시드니 올림픽 개막식에서 보여진 올림픽 성호대와 그 주탑, 그리고 성화 봉송로의 설계 책임을 맡았으며, 세계에 보여질 이 프로젝트의 일부로 LUSAS를 사용하였다.

8.5 톤에 이르는 성화대는 속이 비어있는 주름진 표면의 구조로 스테인레스로 제작되었다. 직경 10m이며, 그 두께는 가운데 0.85m에서 가장자리에서는 0.15m로 변화한다. 개막식때에는 바닥 높이에 안착되어 있다가 Cradle lift에 실려 위로 이동하며, 주탑에 이른 후 여기에서 지상 50m 높이의 최종 위치까지 들어올려지게 된다. 성화대는 LUSAS에서 3차원 Shell 요소로 전체가 모델링 되었으며, 자중, 풍화중, 성화대가 바닥에서 최종 위치까지 이동하는 동안 발생하는 동적효과에 대해 정해석, 동해석, 좌굴해석 등이 수행되었다.

복잡한 구조형상이므로 정확한 강도의 부재사용이 필요하였는데, 이것은 성화대가 이동하는 중의 각 위치에서의 변형을 보정하기 위해서 아주 중요한 것이었다. LUSAS는 시간에 따라 이동하는 하중 하에서 구조가 어떻게 반응하는 지를 잘 보여주었고, 국부적으로 큰 응력이 발생하는 요소를 구분 표시하여 주었다. 어떤 부재나 연결점에 파괴가 발생하게 되면 국부적 응력 흐름의 변화와 전체 구조의 거동을 또한 잘 예측할 수 있었다. 이런 과정을 통해서 LUSAS 모델에 대해 점차 확신을 갖게 되었고 이에 따라 전체 구조물에 대해서도 안정성을 확신하게 되었다.

또한 LUSAS의 결과는 속이 비어 있는 표면 강판이 성화대의 강도와 강성에 중요한 역할을 하게 한다는 초기 설정이 적합했음을 확인시켜주었다. 내측 프레임에 듬성듬성하게 연결되어있는 주름지고 일부 관통되어 있는 표면 구조재가 주 역할을 하게 되므로, 전체적으로 현저하게 가벼운 구조물이 될 수 있었다. 이로 인한 경비 절감 효과는 물론이고, 프로젝트가 진행되는 동안 각종 장비가 추가 되어 최초 5톤에서 8.5톤까지 하중이 증가된 것을 생각하면 이것은 아주 중요한 것이었다.

해석 결과는 예상 범위내에 드는 것이었다. 사실 처음 얻어낸 처짐값은 최초 예상보다 약간 작은 것이었지만, 이로 예상되던 설계상의 이점은 점차 많은 양의 가스를 싣게 되고, 전기 및 기계 장비들이 추가되는 등으로 인해 상쇄되었는데, 프로젝트의 종료 시점에는 최초 성화대 자중 대비 60%를 육박하는 하중이 증가되었다. 속이 빈 Shell 형태의 성화대 구조를 채택하였기에 이러한 하중 증가를 구조적인 추가 보완없이 수용할 수 있었던 것이다. 게다가 작업간 가스 라인의 탈착, 기타 기계 장비의 이전 등 조작상의 문제를 지원하기 위해 일부 연결점 혹은 성화대 이동로 인접 캔틸레버 구속 부분에서의 큰 변화가 요구되기도 하였다. 이 때에는 이미 잔여 프로젝트 기간이 부족하여 다시 모델링 하여 검토할 수 있는 상황이 되지 못하였는데, 전체 구조계의 거동에 대하여 LUSAS를 통해 사전에 충분한 이해가 있었기 때문에 모델 중 일부 부재의 특성을 변경시켜 사용함으로써 빠르고 실용적으로 변경이 요구되었던 문제를 해결해 줄 수 있었다.

여기에 프로젝트에 참가했던 Zlatko Gashi의 말을 인용하면 아래와 같다.
‘구조물의 전체 거동에 대해 신뢰할 수 있고, 정확한 이해가 필요하다면, 구조물 각 부분 부분을 검토에 반영시킴으로써만 가능할 것이다.일부 부재를 무시한다면 전체적으로 구조의 강도나 강성을 저평가하게 될 것이기 때문이다. 복잡하고 미묘한 구조물을 대상으로 할 때에는 설계자가 도구 프로그램의 사용 자체의 복잡성으로 큰 추가적인 부담을 느끼지 않으면서, 구조설계의 모든 관점을 다루어 볼 수 있는 LUSAS 와 같은 프로그램의 사용이 꼭 필요하다고 하겠다. 또한 모델링에 앞서 세밀한 계획, 발생 할 수 있는 변경 가능성 및 중요한 문제점에 대한 인식과 예측은 성공적인 설계를 위한 핵심요소이며, 이러한 것들이 설계와 시공 과정을 통틀어 반영된 모델링을 통해서 그 가치가 발견될 것이다.’

고객이 지적한 이 프로젝트에 LUSAS를 사용함으로써 얻은 이점 · 이러한 탄탄한 이론적 바탕과 적용성을 가진 툴을 보유한다는 것은 아주 필수적인 것이다. 그렇지 못했다면 이러한 상황의 구조를 모델링 하는 것은 가능하지 않았을지도 모른다.

• 쉽고 직관적인 모델러

• 상호충돌없이 호환되어 사용할 수 있는 120여개의 많은 수의 유한 요소

• 쉬운 시공 단계별 모델링 방법과 설계 진행간 모델링 보완의 용이성

• 형상을 정의하는 Geometry(Points.Lines/Surfaces/Volumes)와 구조계(Elements/Nodes)의 분리운영 – 한번 형상을 정의하면 여러 종류의 요소를 번갈아 사용하며 비교하거나, 요소 분할 수를 조정하여 비교할 수 있고, 기타 두께 등 다른 특성들도 쉽게 수정하여 시도할 수 있게 된다.

• 하중케이스마다 다른 구속 조건을 부여하는 기능 – 구속 조건이 달라진다고 별개의 모델을 만들 필요가 없다는 장점