1. 서 론

적재설비는 물류의 운송 및 보관의 편리를 위하여 전세계적으로 사용되는 대표적인 비구조요소이다. 적재설비는 적재되는 무거운 하중을 지지할 수 있도록 설계 및 제작되며, 적재되는 물류의 높이에 따라 적재 공간을 효율적으로 조절할 수 있도록 기둥의 홀에 보의 걸쇠를 걸어서 공간을 구성하는 방식을 적용하고 있다. 이러한 적재설비는 물류가 적재되기 위하여 개방된 통로방향을 모멘트 저항 프레임으로 구성하며, 기둥의 연성과 에너지 소산으로 외력에 저항한다. 그리고 폐쇄된 통로 직각 방향은 안정성과 외력에 대한 저항력을 증대시키기 위하여 통로 직각 방향으로 앞과 뒤의 기둥을 브레이스로 연결한다. 이러한 적재설비의 외력 저항 설계에도 불구하고, 다양한 지진에서 적재설비의 손상 및 붕괴가 확인되었다.

일반적으로 적재설비의 가격은 적재되는 물류의 가격에 비해 크지 않지만, 1994년 LA Northridge 지진으로 발생한 적재설비의 손상으로 적재물에 엄청난 손실(1993년 환율 기준 약 15억 달러)이 발생하였고, 그로 인하여 외력으로 인한 적재설비의 안전성에 관심이 증대되기 시작하였다. 국내에서는 적재설비에 관한 연구가 미비한 상황이지만, 지진 위험 지역에 위치해 있거나 지진이 자주 발생하는 해외 국가에서는 다양한 연구를 통하여 적재설비의 안전을 위한 설계 기준을 발표하고 활용하고 있다^{(AS, 2012; European Racksing Federation, 2009; RMI, 1974; RMI, 2012)}.

지진하중으로 인한 적재설비의 안전성에 관한 연구는 크게 적재설비의 부재 또는 부분 모형을 대상으로 진행한 부재 및 연결부의 성능에 관한 연구와 Full-Scale 적재설비를 대상으로 외력으로 인한 적재설비의 거동을 분석하는 연구로 나뉠 수 있다. 부재 및 연결부의 성능에 관한 다양한 연구 결과, 적재설비의 안전성은 기둥과 보의 연결부의 불확실성과 바닥면의 탄성 변형에 관련이 있다는 것이 확인되었다. ^{Bernuzzi and Castiglioni(2001)}는 기둥과 보 연결부의 형식을 2가지로 분류하여 반복하중 실험을 진행하여, 기둥과 보 연결부의 움직임이 적재설비에 미치는 영향을 확인하였다. ^{Gilbert and Rasmussen(2011)}는 적재설비 기둥 바닥면의 변형을 측정하기 위한 실험 방법을 제안하고, 실험을 통하여 바닥면의 변형이 적재설비의 측면 응답에 큰 영향을 미치는 것을 확인하였다. ^{Huang et al.(2021)} 등은 바닥면이 부착된 기둥 하부 모형을 대상으로 실험을 통하여 바닥면의 휨거동과 접합부의 파괴 모드를 확인하였다. 그리고 ^{Heo et al.(2018)}는 적재설비의 기둥-보의 연결부의 불확실성을 분석하기 위한 FE 해석을 진행하였으며, 이를 통해 연결부 요소의 수학적 모델 개발을 진행하였다. 이러한 부재 및 부분 모형을 대상으로 한 연구는 외력으로 인한 국부적인 변형을 확인할 수 있으나, 국부적인 변형이 적재설비에 어떠한 영향을 주는지 확인하는 것에는 한계가 있다. 이러한 문제점을 극복하고자 ^{Kanyilmaz et al.(2016)}은 외력으로 인한 적재설비의 응답에 영향을 주는 요인과 파괴 현상을 분석하기 위하여 push-over tests를 진행하였고, ^{Petrone et al.(2016)}은 적재설비의 통로 직각 방향으로 push-over tests를 진행하여 베이스 플레이트의 비탄성 변형이 상당한 연성과 에너지 소산을 통해 안정적인 이력 반응을 제공하는 것을 확인하였다. 그리고 ^{Jacobsen and Tremblay(2017)}은 진동대 실험을 통하여 적재설비의 연성은 기둥-보 연결과 기둥의 베이스 플레이트의 비탄성 회전을 통해 달성되는 것을 확인하고, 기둥-보 연결부와 베이스플레이트의 이력 응답을 제시하였다. 이러한 다양한 연구가 진행되었으나, Full-Scale 적재설비를 대상으로 진동대 실험을 진행하여 적재설비가 손상되고 파괴되는 과정을 분석한 연구가 미흡한 상황이다.

본 논문에서는 적재설비 중 물류창고 및 대형 마트, 그리고 기업에서 가장 일반적으로 사용되고있는 팔레트 랙을 대상으로 지진하중으로 인한 팔레트 랙의 손상 및 파괴거동을 분석하였다. 이를 위하여, 실제 사용되는 Full-Scale 팔레트 랙을 선정하고, 국내외 기준을 반영한 인공지진파로 진동대 시험을 진행하였다. 진동대 실험은 인공지진파의 하중을 50 % 씩 증가시켜가면서 진행하였으며, 지진하중으로 인한 팔레트 랙의 층별 변위를 계측하여, 층간 변위, 영구 변형, 그리고 비틀림을 확인하였다. 또한, 시험 후 육안으로 팔레트 랙 부재의 손상을 확인하였다. 최종적으로 지진하중으로 인한 팔레트 랙의 손상 및 파괴 거동을 분석하고, 보강이 필요한 취약부를 확인하였다.

2. 팔레트 랙의 손상 및 거동 특성 분석 실험

2.1 팔레트 랙

국토교통부 국가물류통합정보센터에서는 적재설비를 팔레트 랙(Pallet Racks), 적층 랙(Mezzanine Racks), 모빌 랙(Mobile Racks), 암랙(Arm Racks), 그리고 Carton Sliding Racks으로 분류하고 있다. 본 논문에서는 규격 팔레트에 적재물을 올리고, 팔레트 단위로 적재하는 팔레트 랙을 대상으로 연구를 수행하였다. 팔레트 랙은 일반적으로 자체 중량에 비하여 큰 하중이 적재되며, 기둥의 하부는 고정되지만 상부는 고정되지 않아서 지진과 같은 큰 하중을 받을 경우, 상층부로 갈수록 큰 변위가 발생된다. 팔레트 랙은 지게차를 이용하여 팔레트를 적재하기 위하여 개방된 통로 방향(Down-Aisle)과 구조적 보강을 위하여 기둥과 기둥 사이를 브레이스로 연결하여 폐쇄된 통로 직각 방향(Cross-Aisle)으로 형상적으로 분류할 수 있다. 일반적으로 통로방향은 좌우가 대칭이지만, 통로 직각 방향은 대각선 브레이스로 인하여 비대칭 형상을 가진다. 팔레트 랙은 팔레트와 접촉되며 기둥과 연결을 위하여 양끝단에 걸쇠가 있는 보, 보의 이동에 따라 적재공간을 조절할 수 있도록 단면에 균등한 홀을 가지고 있으며 하부에는 베이스 플레이트가 접합되어 있는 기둥, 통로 직각 방향으로 기둥과 기둥을 대각선으로 연결하는 브레이스, 그리고 지면과 접촉되는 베이스 플레이트로 다음의 Fig. 1과 같이 구성된다.

팔레트 랙을 구성하는 기둥, 보, 브레이스는 경량화를 위하여 길이에 비하여 얇은 단면으로 설계되고 제작된다. 팔레트 랙의 높이 및 각 층별 공간은 사용자의 요구에 따라 상이하지만, 통로방향의 폭과 통로 직각 방향의 깊이는 규격화된 팔레트를 적재하기 위하여 동일하다. 즉, 통로 직각 방향의 폭은 보가 지탱할 수 있는 최대 하중을 고려하여 한 개의 적재공간에 2개의 팔레트가 적재될 수 있도록 결정되며, 통로 직각 방향의 깊이는 보의 앞뒤 간격이 팔레트의 크기보다 크지 않도록 결정된다.

Fig. 1. Components of Pallet Racks

2.2 팔레트 랙 진동대 시험

대부분의 구조물은 진동대 시험의 비용 및 가능 여부 문제로 손상 및 파괴 현상을 분석 위하여 설계 데이터 및 일부 부재를 대상으로 한 실험 데이터에 근거하여 구조 모델을 구성하고, 구성된 구조 모델을 활용하여 해석적 연구를 수행한다^{(Heo et al., 2018)}. 하지만, 팔레트 랙은 각 부재를 볼트로 연결함으로 발생하는 연결의 불확실성과 비선형적 거동으로 인하여 단순히 부재 실험 데이터 및 설계자료를 기반으로 둔 해석적 평가로 지진하중으로 인한 팔레트 랙의 손상 및 파괴 거동을 분석하는 데 어려움이 있다. 게다가 국내에서는 팔레트 랙을 포함하는 적재설비의 손상 및 파괴에 대한 연구가 진행되지 않았기 때문에 국내에서 설치되고 있는 팔레트 랙을 해석적으로 평가하는데 문제가 있다. 이러한 이유에서 본 연구에서는 Full-Scale 팔레트 랙을 대상으로 손상 및 파괴 거동을 분석하기 위한 진동대 시험을 수행하였다. 진동대 시험을 위한 팔레트 랙은 3단으로 구성되어 4개의 적재공간이 있으며, 다음의 Fig. 2에 연구 대상으로 선택한 팔레트 랙의 규격을 정리하였다.

Fig. 2의 팔레트 랙에서 통로 방향(Down(X)-Aisle)의 보는 걸쇠 방식과 M8볼트를 사용하여 지진하중으로 인한 보의 탈락을 방지하였다. 통로 직각 방향(Cross(Y)-Aisle)의 브레이스는 기둥 단면과 M10 볼트로 결합하였다. 적재설비의 최대 설계하중은 1.5 ton이지만, 실제 1.5 ton의 하중 블록을 적재하면 보의 휨이 발생하기 때문에 최대 설계하중의 80 %인 1.2 ton을 각 층에 설치하였다. 바닥면을 제외한 각 층에는 상용 팔레트를 2개씩 설치하여 1개당 0.6 ton의 하중 블록을 적재하였으며, 진동대 실험 시 하중 블록의 탈락 방지를 위해 M16 볼트로 하중블럭과 팔레트와 결합하고 보와 팔레트를 M8 볼트로 연결하였다. 진동대 시험은 부산대학교 지진방재연구센터에서 보유하고 있는 MTS 사의 진동대를 이용하여 진행하였다. 진동대 시험을 위하여 M24볼트 4개로 Fig. 2의 팔레트 랙 기둥 하부의 베이스 플레이트를 진동대에 토크렌치를 사용하여 고정하였다. 진동대 시험을 위한 하중은 AC156과 KBC 2016을 참고하여 다음의 Table 1과 Fig. 3에 나타낸 요구응답스펙트럼을 만족하는 인공지진파를 사용하였다.

Table 1. Parameter for Required Response Spectrum(KBC, 2016)

Standard	SDS	z/h	Horizontal (g)		Vertical (g)
			AFLX-H	ARIG-H	AFLX-V	ARIG-V
KBC 2016	0.37	0	0.37	0.15	0.25	0.10

Fig. 2. Size of Pallet Racks

Fig. 3. Required Response Spectrum for Vibration Band Testing

3. 팔레트 랙의 파괴 거동 분석을 위한 진동대 실험

팔레트 랙의 파괴 거동 분석을 위한 진동대 실험은 Fig. 3의 요구응답스펙트럼을 만족하는 인공지진파를 이용하여 진행하였으며, 지진파의 크기 증가에 따른 팔레트 랙의 응답을 확인하기 위하여 지진파를 50 %부터 300 %까지 50 %씩 증가시켜가면서 진행하였다. 실험은 평면 2방향 동시 가진하며 진행하였으며, 팔레트 랙의 응답은 각 층별 변위 응답을 계측하였으며, 변위 데이터 계측을 위하여 TML사의 Wire Tension 타입 변위 센서 인 DP 1000E를 다음의 Fig. 4와 같이 각 층에 2개씩 총 6개의 센서를 설치하였다.

Fig. 4. Displacement Meter Installed on Each Level

다음 Fig. 5는 인공지진파 50 ~ 200 %까지 50 %씩 증가시켜가며 진행한 진동대 실험으로 획득한 팔레트 랙의 각 층의 변위 응답을 그래프로 표현하였다.

인공지진파 50 ~ 100 %로 진동대 실험을 진행한 결과, 팔레트 랙의 X방향 각 층의 변위 응답은 미소한 차이를 보였으나, Y방향 각 층의 변위 응답은 큰 차이가 나타나지 않았다. 이러한 결과는 인공지진파 50 ~ 100 %의 가진력은 팔레트 랙 기둥의 휨을 발생시킬 정도의 가진력을 발휘하지 못하였기 때문으로 판단된다. 특히, 통로 직각 방향인 Y방향은 브레이스로 보강되어 있기 때문에, X방향에 비하여 지진하중에 의한 저항력이 크기 때문에 Y방향의 층 별 변위가 유사하게 발생한 것으로 판단된다. 인공지진파 150 ~ 200 %로 진동대 실험을 진행한 결과, X방향과 Y방향의 각 층 변위 응답의 차이가 증가하기 시작하였다. Y방향은 상층으로 갈수록 크기만 증가하기 시작하였지만, X방향은 동시간에 변위의 크기뿐만 아니라 변위 발생 방향의 변화도 확인되었다. X방향은 팔레트의 적재를 위하여 개방되어 있고, Y 방향과 같은 브레이스 보강이 없기에 휨이 크게 발생하였기 때문으로 판단된다. 다음의 Fig. 6은 인공지진파의 250 %와 300 %로 진행한 진동대 실험으로 획득한 각 층의 변위 응답을 그래프로 나타낸 것이다.

Fig. 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 인공지진파 250 %로 진행한 실험결과, 영구 변형이 발생하기 시작하였다. X방향과 Y방향 모두 층별 변위 응답의 차이가 크게 증가하였으며, 영구 변형의 차이는 X방향에 비하여 Y방향이 크게 발생하였다. Y방향은 브레이스로 보강하여 저항력이 증가하여 X방향에 비하여 휨은 크게 발생하지 않았으나, 에너지를 소산시키지 못하면서 X방향보다 큰 변위 응답이 나타나면서 손상(영구변형)이 X방향에 비하여 크게 나타난 것으로 판단된다. 인공지진파 300 %로 진행한 실험은 Fig. 6에서 확인할 수 있는 바와 같이, 실험 15초 이후에 X방향과 Y방향의 영구변형이 증가하기 시작하였으며, 영구변형과 실험으로 인한 변위응답이 합해지면서 전체적인 변위가 한계상태를 초과한다고 판단되어 35초 지점에서 실험을 중지하였다. 인공지진파 300 %의 실험에서 X방향과 Y방향의 영구 변형은 250 % 실험결과와 달리 영구변형의 방향이 반대 방향으로 나타났다. X방향의 영구 변형은 1층과 2층의 영구 변형 차이가 2층과 3층의 영구변형 차이에 비하여 크게 나타났는데, 1층과 2층 사이의 손상이 원인으로 판단된다. 이러한 차이는 Y방향의 영구변형에서도 확인되었다.

Fig. 5. Displacement Response for Each Level – Artificial Seismic Waves 50 ~ 200 %

Fig. 6. Displacement Response for Each Level – Artificial Seismic Waves 250 %~300 %

4. 팔레트 랙의 붕괴 원인 분석 및 취약부 조사

3절에서 서술한 진동대 실험 결과, 변위데이터를 가진파 강도에 따른 변위의 누적 변화를 확인하고자 하였다. 이를 위해 각 층별로, 가진파의 강도별로 그래프를 그려 비교하고자 하였다. 다음 Fig. 7에 정리한 그래프는 X축은 X 방향의 거동, Y축은 Y 방향의 거동, Z축은 시간의 경과를 표현하였다.

Fig. 7. Permanent Displacement Graphs for Each Layer

다음 그래프와 같이 분석한 결과, 3절에서 변위 데이터를 기반으로 분석한 바와 유사하게 가진력이 약한 경우에는 각층의 누적 변위가 작게 발생하지만, 가진력이 크게 발생할 경우, 점점 누적 변위가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 그 외에도 비교적 지진하중이 약한 50 %, 100 %, 150 % 가진은 변위의 발생이 유사한 것, 적재설비의 구조상 바닥과 가까운 1층보다 3층에서 변위가 가장 크게 발생하는 것이 일반 변위와 누적 변위가 유사한 것을 확인하였다.. 이와 같은 현상은 가진력 200 %에서 나타났지만, 가진 종료 후 처음 설치했던 초기 상태로 돌아오는 1층과 비교했을 때, 2층과 3층은 초기 상태로 돌아오지 못한 영구 변형이 발생한 모습을 확인하였다. 300 % 가진 시 이전과 다르게 영구변형이 발생하였는데, 이는 앞서 서술한 바와 같이 적재설비가 지진하중을 견디지 못하고 비틀림에 의한 파괴가 발생한 이유로 판단되었다.

적재설비의 파괴는 다음 Fig. 8에서 보이는 바와 같이 1층과 2층 사이의 기둥 단면의 변형으로 인한 통로 직각 방향의 기둥 브레이스 연결부 볼트의 파손, 기둥 하부의 단면 변형과 1층과 2층 사이의 기둥의 변형에 의해 발생한 것으로 확인하였다.

Fig. 8. Pallet Racks Destruction

5. 결 론

본 논문은 대표적인 비구조요소인 적재설비 중 가장 일반적으로 사용되고 있는 팔레트 랙을 대상으로 진동대 실험을 진행하여, 지진하중으로 인한 팔레트 랙의 손상 및 붕괴를 확인하고, 변위 응답 데이터를 분석하여 지진하중의 증가에 따른 팔레트 랙의 손상 진행 및 붕괴 원인을 분석하고자 하였다. 이상의 연구에 따른 결과는 다음과 같다.

(1) 인공지진파로 가진하며 진행한 팔레트 랙의 진동대 실험 결과, 국내에서 일반적으로 사용되는 팔레트 랙은 통로방향인 X방향은 층별 변위 응답의 방향이 다르게 나타나며 휨이 크게 발생하는 것이 확인되었고, 통로 직각 방향인 Y방향은 브레이스 보강으로 인하여 휨은 크게 발생하지 않았지만, X방향에 비하여 변위가 크게 발생하는 것이 확인되었다.

(2) 지진하중으로 인한 팔레트 랙의 손상은 영구 변형으로 나타났으며, 인공지진파 250 %에서 영구 변형이 발생하여 파렉트 랙의 손상이 발생하였다. 영구 변형은 통로방향인 X방향에 비하여 통로 직각 방향인 Y방향에서 크게 발생하였으며, X방향에 비하여 Y방향으로 크게 발생한 변위가 기둥의 저항 한계 상태를 초과하면서 발생한 것으로 판단된다. Y방향 손상의 직접적인 원인은 기둥 하부의 단면 변형으로 확인되었다.

(3) 지진하중으로 인한 팔레트 랙의 기둥의 좌굴과 비틀림으로 볼트 파손이 원인으로 확인되었다. 이와 같은 붕괴는 인공지진파 300 % 실험에서 발생하였으며, 기둥 좌굴에 의한 단면 변형으로 인하여 저항력이 저하되면서 비틀림이 발생하고, 비틀림의 증가에 따라 기둥과 브레이스 연결부 볼트가 파괴되고, 최종적으로 지진하중에 버티지 못하면서 붕괴된 것으로 판단된다.

최종적으로 본 논문에서는 지진하중으로 인한 팔레트 랙의 손상과 붕괴를 확인하고, 기둥의 좌굴에 의한 단면 변형이 손상과 붕괴의 원인임을 확인하였다. 이러한 결과로부터, 지진하중으로 인한 팔레트 랙의 지진안정성을 증대시키기 위해서는 기둥 단면의 보강이 우선적으로 고려되어야 할 것으로 판단된다.