1. 서 론

적재설비는 물류창고의 제한된 공간을 효율적으로 활용하기 위하여 강재 또는 이와 유사한 재질로 다단 적재된 물건의 하중을 지지할 수 있으며, 자체 중량에 비하여 무거운 하중을 지지할 수 있고, 높은 구조로 제작이 가능한 비구조요소로 분류되는 구조체이다. 적재설비는 최근 물류의 증가에 따라 제한된 공간에서도 많은 물류를 보관할 수 있도록 다단화, 고층화 되고 있다. 그러나 적재설비의 구성요소간의 연결은 사용자의 편의를 위하여 단순 결합방식을 채택함으로 인하여 구조적 불안전성을 내포하고 있다(BSSC Storage Rack Project Task Group, 2005). 이와 같은 구조적 불안전성은 지진과 같은 외부하중에 민감하게 반응하여 다양한 손상을 발생할 수 있다.

지진과 같은 외부하중으로 인한 적재설비의 성능에 대한 관심은 1994년 LA Northridge 지진으로 인한 물류의 엄청난 손실이 발생 한 후 집중되기 시작하였다. 적재설비에 적재되는 물류는 각각의 경제적 가치가 다르며, 1994년 미국의 Northridge 지진 시에는 약 400억 달러, 1995년 일본 효고현 남부지진 시에는 9조 6천억엔의 경제적 피해가 발생한 것으로 보고되고 있다. 이와 같은 이유에서 세계 각국은 적재설비에 관한 설계기준을 마련하고, 이를 반영하고 있다. 미국의 경우, RMI (Rack Manufacturers Institute, 1974)에 의해 지진하중이 처음 적재설비에 적용된 후 건축물 설계기준인 UBC (Uniform Building Code, 1976)에서 적재설비의 안전성이 언급되었고, 2003년 이후 산업용 적재설비가 비구조요소로 평가되기 시작하면서 비구조요소 설계 상세 및 지진하중이 적용되기 시작하였고, FEMA 460 (BSSC Storage Rack Project Task Group, 2005)에서 일반인이 접근 할 수 있는 구역에 위치한 적재설비의 내진 고려사항에서 지진 시 적재설비 내진 안전성 확보를 위한 상세 가이드라인 제시하였으며, ANSI/RMI MH16.1 (2012)에는 적재설비의 설계 및 시험, 그리고 활용을 위한 사항에서 산업용 적재설비 중 파렛트 랙, 이동 랙 및 스테커 랙의 상세 설계기법을 제시하였다. 유럽의 경우, FEM (Federation Europeenne de la Manutention)에 의해서 적재설비의 내진설계에 관한 관련 기준의 개발이 이루어졌으며, 적재설비의 정적시험과 진동대 시험을 포함하는 동적시험 방법을 제시하였으며, FEM 10.2.02 (2009)에 파렛트 랙의 적정 강도 및 안정 요구사항, 파렛트 규격 및 최대 적재하중 등을 제시하였다. 호주와 뉴질랜드는 AS/NZS 4084:2012에서 강재 적재설비의 설계기준을 제시하였으며, 한계상태 설계법을 적용하였다. 일본의 경우, 다수의 지진경험을 활용한 표준을 제공하고 있으나 별도의 법령 및 기준, 매뉴얼은 제시되어 있지 않다.

이와 같은 세계적인 상황에서 국내의 경우, 최근까지 적재설비와 같은 비구조요소에 대한 관심은 전무하다고 볼 수 있을 정도로 미비하였다. 그러나 2016년 9월 경주 지진 시 일부 적재물 및 비구조요소의 지진 피해가 발생한 후 적재설비와 같은 비구조요소에 관한 내진설계에 대한 관심이 증대되었다. 하지만, 현재까지 적재설비에 관한 법령 및 기준, 매뉴얼이 제시되어 있지 않으며, 일본과 달리 다수의 지진경험이 없기에 표준도 제공되어 있지 않다.

본 논문에서는 국내의 적재설비를 대상으로 지진 안전성을 평가하기 위한 초기 연구로써 지진 취약도 평가를 위한 해석 모델 중 구조적 불확실성을 내포하고 있는 연결부 요소에 대한 모델을 개발하기 위한 연구를 진행하였다. 이를 위하여, 실제 사용되고 있는 적재설비를 선정하고, 전체 모델에 대한 진동대 실험과 적재설비의 구성요소에 대한 정적하중 실험을 진행하여 적재설비의 구조적 불확실성을 확인하였다. 또한, 구조적 불확실성을 내포하고 있는 연결부 모델을 대상으로 세부 FE모델링 및 Simulation을 진행하였으며, FE해석만으로 해결할 수 없는 Slip-pinching 현상을 표현하는 모델을 개발하여 지진 취약도 모델에 반영할 수 있는 신뢰성 있는 모델을 제시하고자 하였다.

2. 적재설비의 동·정하중 실험

2.1 적재설비

적재설비는 사용자의 화물을 단기간 또는 장기간 보관하는 비구조요소로써, 국토교통부 국가물류통합정보센터에서는 파렛트 랙(Pallet Rack), 적층 랙(Mezzanine Rack), 모빌 랙(Mobile Rack), 암랙(Arm Rack), 그리고 Carton Sliding Rack으로 분류하고 있다. 본 논문에서는 총 5가지 종류의 적재설비 중 국내외에서 가장 많이 사용하고 있는 파렛트 랙을 대상으로 하였으며, 이하 파렛트 랙을 적재설비로 표기하였다. 적재설비는 다음의 Fig. 1과 같이 기둥(Column), 보(Beam), 그리고 대각선 버팀대(Diagonal Bracing)만으로 구조체를 이룬다.

Fig. 1.

Pallet Rack

Fig. 1의 적재설비는 사용자의 요구에 따른 다양한 구성(층간 높이의 자율화)을 위하여 기둥-보 연결부를 단순 걸쇠방식으로 적용하고 있다. 즉, 기둥의 홈에 보의 걸쇠를 결합하는 방식으로 적재설비의 층을 구성한다. 또한, 적재물의 적재를 위하여 통로방향(Down-Aisle)은 개방형 공간으로 구성하고, 적재설비의 보강을 위하여 통로직각방향(Cross-Aisle)은 대각선 버팀대를 사용하여 폐쇄형 공간으로 구성한다. 본 논문에서는 국내 물류센터에 일반적으로 사용되는 표준 규격의 적재설비를 대상으로 연구를 진행하였다.

2.2 적재설비 진동대실험

적재설비를 대상으로 한 진동대 실험은 연구대상 구조물인 표준 적재설비의 동적 특성 및 내진성능을 평가하기 위하여 진행하였다. 진동대 실험은 비구조요소 실험에 활용되는 ICC-ES AC156 (2010)을 기반으로 지진방재연구센터(국토교통연구인프라운영원)의 진동대를 이용하여 진행하였다. 연구에서 사용된 적재설비는 Fig. 2와 같이 4,500mm의 기둥과 2,700mm의 보(Load Beam), 적재물 적재를 위한 가로보(Tie Beam), 그리고 대각선 버팀대로 3단 파렛트 랙을 구성하였으며, 각 층 별 설계 최대하중의 80%인 1.2ton의 추가하중을 설치하였다. 진동대 실험은 건축구조기준에 따른 지진구역Ⅰ, 보통암반 조건에서의 지반응답스펙트럼에 만족하도록 최대가속도 0.5g의 기준 지진파형을 작성하여, 기준 지진파형의 50%에서 최대 200%까지 25%씩 증가시키며 진행하였다. 실험 시 적재설비의 거동을 계측하기 위한 장비는 층간변위, 변형각, 감쇠를 측정하기 위한 4개의 변위계, 고유진동수와 층응답 주파수 특성을 분석하기 위한 30ch의 가속도계를 설치하였다.

Fig. 2.

Test Model

실험결과, 표준 적재설비는 0.44~7.03Hz 대역에서 지진에 취약한 주파수 특성을 보유한 것을 확인하였다. 또한, 측정된 데이터를 분석한 결과 적재설비는 4.37%의 감쇠를 보이는 것으로 확인되었으며, PGA 0.26g 가진 후 적재설비 기초 플레이트의 변형이 발생하였고, 0.3g 가진 후 기초 고정 볼트의 풀림이 확인 되었다. 추가적으로 표준 적재설비의 고유진동수를 확인하기 위하여 Modal Test를 진행하였다. Modal Test는 Hammer를 이용하여 진행하였으며, 적재설비에 설치한 5개의 가속도계로부터 획득된 데이터를 분석하였다. 다음의 Table 1은 진동대 실험결과와 Modal Test 결과에 따른 적재설비의 고유진동수를 비교한 결과이다.

Table 1에서 보는 바와 같이, 표준 적재설비의 고유진동수는 진동대실험 결과와 Modal test결과가 서로 상이한 결과를 보였다. 이와 같은 상이한 결과는 Modal test 진행 시 사용한 햄머 가진력이 적재설비 전체를 움직일 정도로 작용하지 못하였고, 그 결과 진동대 실험에서 발생하는 연결부의 거동이 Modal test에서는 발생하지 않은 것으로 판단된다.

Table 1. Resonance Frequency

2.3 적재설비 구성요소의 부재실험

진동대 실험과 Modal Test결과, 본 연구의 대상 구조물인 표준 적재설비의 불확실성이 확인되었다. 이와 같은 불확실성의 원인을 파악하기 위하여 적재설비를 구성하는 구성 요소를 대상으로 부재실험을 진행하였다. 부재실험은 FEM 10.2.02 (2009)에서 제기하고 있는 정적실험 방법을 기준으로 진행하였으며, 다음의 Fig. 3에 표현한 총 8가지 기본 실험(Push-over Test)을 진행하였다.

Fig. 3.

Members Test of Steel Storage Rack (Push-Over Test)

Fig. 3의 기본실험은 총 8가지 구성요소를 대상으로 각 3회의 반복 실험을 수행하였다. 다음의 Fig. 4는 기본실험 중 연결부 실험(Beam end Connector Test 1, 2)을 제외한 총 6가지 실험을 결과를 압축실험과 굽힘 실험으로 나누어 그래프로 표현한 것이다. Fig. 4(b)의 그래프에서 변위는 총 길이의 1/4위치에서 측정한 결과이다.

Fig. 4.

Test Results of Compression and Bending Test

그래프에서 확인 할 수 있는 바와 같이, 6가지 실험은 일반적인 압축실험과 굽힘 실험 결과의 양상을 보임이 확인되었다. 다음으로 Fig. 5는 기둥과 보 연결부의 전단실험과 굽실 실험의 결과를 그래프로 나타낸 그림이다.

Fig. 5.

Test Results of Beam End Connector

Fig. 5(a)는 기둥과 보 연결부의 전단강도를 측정하기 위한 실험의 결과이다. 그래프에서 보는 바와 같이, 실험초기에 약 2mm의 변위가 발생하기 전에 이상현상을 보임을 확인할 수 있다. 이와 같은 결과는 기둥과 보 연결부의 갭(gap)으로 인한 결과로 판단되며, 갭이 사라진 후 하중이 적절히 작용하는 것으로 고려된다. 또한, 약 14mm부분에서 28mm 구간의 결과는 기둥에 보를 연결하는 걸쇠와 기둥의 구멍이 손상되며 나타나는 결과이다. 이와 같은 결과는 Fig. 5(b)의 굽힘 실험 결과를 모멘트-변형각 그래프로 표현한 그림에서도 유사하게 발생하였다.

이와 같은 연결부의 문제를 좀 더 자세히 확인하기 위하여 기둥과 보 연결부를 대상으로 Fig. 6과 같이 반복실험을 진행하였다. 반복실험은 정적실험 결과 이상데이터가 확인된 적재설비 구성요소 중 기둥-보 연결부를 대상으로 진행하였다. 실험체는 Fig. 6(a)와 같이 기둥-보 연결부를 대상으로 시편을 구성하였으며, 연결부로 부터 702mm 떨어진 보의 끝 단을 UTM기에 연결하였다. 시험체에서 보-기둥 연결부에 포함된 볼트는 단순히 보가 기둥에서 탈락되는 것을 방지하기 위한 것으로 실제 적재설비의 구성과 같이 적용하였다.

Fig. 6.

Members Test of Steel Storage Rack (Repetition Test)

Fig. 6의 반복하중 실험은 왕복 변위를 ±10mm에서 ±60mm까지 ±10mm씩 증가 시켜가며 진행하였으며, 실험의 결과를 다음의 Fig. 7에 그래프로 표현하였다.

Fig. 7(a)는 실험 조건별 결과를 하나의 그래프로 표현한 것이다. 그래프에서 보는 바와 같이 왕복변위 ±40mm부터 UTM의 작용력이 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 해당 시점을 확인한 결과, 총 4개의 걸쇠 중 최상단과 최하단 걸쇠에 손상이 발생되었음이 확인되었다. Fig. 7(b)는 실험 조건 중 ±20mm 조건에서 진행한 결과를 나타낸 그래프이다. 그래프에서 확인 할 수 있는 바와 같이, 기둥-보 연결부는 Slip 및 Pinching 현상이 확인 되었으며, 이러한 Slip 및 Pinching 현상은 6가지 실험 조건에서 모두 발생하였다.

Fig. 7.

Beam-column Connector of Repetition Test

3. 적재설비 FE Model 및 해석

지진으로 인한 적재설비의 취약도 평가를 위해서는 신뢰성 높은 모델의 규명이 반드시 필요하다. 본 논문에서 대상 구조물로 선정한 국내의 표준 적재설비는 통로방향(적재물 적재방향)으로는 좌우 대칭을 이루지만, 통로직각방향으로 브레이싱의 설치로 인하여 대칭을 이루지 않는다. 또한, 통로방향과 통로직각방향의 비율이 약 3:1정도인 직사각형 형태이며, 기둥 부재와 보 부재의 연결을 위한 기둥에 연속적으로 배열된 구멍으로 인하여 구조적 거동을 예측하기 위한 모델링에 많은 어려움이 있으며(Abba, 2017), 적재설비의 단순화로는 적재설비의 거동을 모사할 수 없다. 이러한 이유에서 추가적인 연구에서 진행될 취약도 평가 모델에서는 3차원으로 적재설비를 모델링하고 자 하였다. 그에 앞서 본 논문에서는 이와 같은 3차원 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 적재설비의 FE모델링 및 해석을 진행하고, 해석 결과를 실험 결과와 비교하고자 하였다.

적재설비의 FE 모델링 및 해석은 상용해석 프로그램인 NX- Nastran을 활용하여 진행하였다. 먼저, 적재설비의 FE모델은 다음의 Fig. 8과 같이 실제 적재설비를 최대한 그대로 모사할 수 있도록 모델링하였다.

Fig. 8에서 보는 바와 같이, 각 부재의 연결부는 면대면 접촉방식을 적용하여 하중이 원활히 전달될 수 있게 하였으며, 각 층별 보와 가로보 접합 위치에 각각 150kg (층별, 1.2ton)의 하중을 추가 배치하였다. 다음의 Table 2는 적재설비 FE모델의 해석 결과이다.

Fig. 8.

FE Model of Steel Storage Rack

Table 2. Comparison of Resonance Frequency

S.T: Shaking Table Test, M.T : Modal Test, FE : FE Analysis

Table 2에서 보는 바와 같이, FE해석 결과는 진동대 실험 및 Modal Test와 많은 차이를 보였다. 이와 같은 이유는 앞서 언급한 진동대 실험과 Modal test 결과의 오차와 적재설비를 구성하는 기둥과 보의 연결방식(걸쇠 채결방식)으로 인하여 발생하는 Slip현상과 대부분 볼트 채결방식으로 이루어진 구조체의 불확실성에 기인한 것으로 판단된다. 특히, 연결부의 불확실성은 장주기 진동에 기인한 것으로 판단되며, 부재실험에서 확인된 이와 같은 불확실성은 단순 FE모델링 만으로 해결할 수 없는 문제이다.

4. 연결부 상세 FE Model 및 Simulation

적재설비 FE해석 결과, 단순 3차원 모델만으로는 적재설비의 거동을 정확히 표현하지 못하는 것을 확인하였다. 이와 같은 문제점(연결부의 불확실성)을 해결하기 위하여 연결부 상세 FE 모델링 및 Simulation을 수행하였다. 연결부 상세 FE모델은 기둥-보 연결부 반복실험을 모사하여 Fig. 9와 같이 진행하였다.

Fig. 9.

Detail FE Model of Column and Beam Connector

Fig. 9의 연결부 상세 FE모델에서 연결부는 스프링을 사용하였으며, 각 스프링은 ARX (Auto Regressive eXogenous) 모델을 사용하여 규명한 다항식을 적용하였다. ARX 모델은 입력과 출력 관계를 이용한 다항식을 사용하여 복잡한 비선형 거동을 모델링 할 수 있는 모델이다. ARX 모델은 시스템의 응답 중 이전 단계의 값이 현재 단계의 응답에 미치는 영향을 보유하는 Auto-regressive output () 요소와 응답에 영향을 미치는 외부요인에 해당하는 Exogenous Input (), 그리고 직접적인 에러를 포함하는 White noise ()로 구성된다. 본 논문에서는 기둥-보 연결부 반복실험의 변위를 입력으로 사용하고, 힘을 출력으로 사용하여 연결부의 다항식을 추출하였다. ARX모델의 일반식은 다음의 Eq. (1)과 같다(Ismail, 2015).

 (1)

여기서, 는 노이즈가 포함되지 않은 출력항이고, 교란항이다. 는 와 의 인수로써 음수 쉬프트 연산자이며, 는 입력 출력간의 샘플링 지연이다. Eq. (1)은 다음의 Eq. (2)로 단순화 할 수 있다.

 (2)

ARX로 규명한 기둥-보 연결부의 상세 모델에 적용되는 스프링모델은 다음 Eq. (3)과 같다.

 (3)

Eq. (3)의 각 계수값은 Matlab를 활용한 System Identification Toolbox를 활용하여 추출하였으며, Eq. (3)을 기둥-보 연결부의 상세 모델의 스프링모델에 적용하여 Simulation을 진행한 결과를 다음의 Fig. 10에 나타내었다.

Fig. 10.

Simulation Result

Simulation과 실험결과의 비교를 위하여 Matlab의 compare 함수를 사용하였으며, Fig. 10의 그래프에서 확인할 수 있는 바와 같이, Eq. (3)의 모델을 적용한 Simulation 결과, 기둥-보 연결부 반복하중 실험결과와 약 8%미만의 오차를 보이는 결과를 보였다. 특히, Fig. 10(a)에서 확인 할 수 있는 바와 같이, 기둥-보 연결부에서 발생하는 Slip와 Pinching 현상을 정확히 모사하였다.

5. 결 론

본 논문은 국내에서 연구가 미비한 적재설비를 대상으로 지진과 같은 외부하중으로 인한 적재설비의 취약성을 평가하기 위한 모델에 적용 할 수 있는 신뢰성 있는 적재설비 모델을 개발하고자 연구를 수행하였다. 이를 위하여 국내의 다양한 적재설비 중 대중적으로 물류센터에서 사용하고 있는 파렛트 랙을 표준 적재설비로 선정하였으며, 선정한 적재설비의 거동을 파악하기 위하여 진동대 실험 및 Modal Test를 진행하였다. 또한, 지진 취약도 평가에 적용하고자 전체 모델에 대한 FE모델링 및 해석, 연결부 모델에 대한 상세 FE모델링 및 수학적 모델 개발을 진행하였다. 이상의 이론적 실험적 연구에 따른 결과는 다음과 같다.

(1)표준적재설비를 대상으로 진동대 실험 및 Modal Test를 진행한 결과, 각 실험간의 고유진동수의 차이가 확인되었다. 해당 적재설비는 기둥-보 연결부 및 볼트연결방식의 불확실성이 예상되었으며, 기둥-보 연결부는 연구 진행결과 Slip-pinching 현상과 같은 장주기 진동력에 영향을 받는 거동을 보였다. 이와 같은 기둥-보 연결부의 거동은 Modal test 진행 시 사용한 햄머 가진력으로는 발생하지 않음으로써 진동대 실험과 오차가 발생한 것으로 판단된다.

(2)표준적재설비의 불확실성을 분석하기 위하여 진행한 다양한 구성요소의 부재실험 결과, 기둥-보 연결부가 표준적재설비 불확실성의 원인임을 확인하였다. 또한, 기둥-보 연결부를 대상으로 진행한 반복하중 실험의 결과 해당 요소의 Slip 및 Pinching 현상을 확인하였다.

(3)표준적재설비를 대상으로 상세 FE모델링 및 해석을 진행한 결과, 상용해석 프로그램에서 지원하는 단순한 모델 구성으로는 적재설비의 거동을 정확히 모사하지 못함을 확인하였다. 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 기둥-보 연결부의 상세 모델링을 진행하였고, 연결부 요소의 수학적 모델 개발을 진행하였다. 개발한 연결부 요소의 모델을 FE모델에 적용하여 Simulation을 진행한 결과, 연결부 반복하중 실험결과와 약 8% 미만의 오차를 보이며, 연결부의 거동을 모사하는 것을 확인하였다.

최종적으로 본 논문에서는 실험을 통한 적재설비의 취약부의 이상 거동을 확인하고, 이와 같은 이상거동을 단순 FE 모델만으로 모사 할 수 없음을 확인하였다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 기둥-보 연결부의 ARX모델을 개발하였고, 개발한 수학적 연결부 모델을 적용한 FE모델을 활용한 Simulation 결과가 실험결과와 매우 우수한 일치를 보이는 것을 입증하였다.