3.1 양중작업 시 급제동에 의한 관성력 고려방안

대상 모듈러 시스템은 Fig. 3과 같이 양중 시 모듈의 각 기둥상부에 설치된 견인고리에 양중 로프를 연결하여 크레 인에 의해 양중되어 좌우운동을 하게 된다. 양중에 의한 좌 우운동 중에는 급제동에 의하여 관성력이 발생될 수 있으며, 모듈의 상부바닥과 하부바닥에서 각 질량에 해당하는 크기 가 다른 관성력이 각각 발생하게 된다. 이때 발생된 크기가 다른 관성력으로 인해 질량이 작은 바닥은 수평변위가 작고 콘크리트 슬래브가 설치되어 질량이 큰 바닥은 수평변위가 크게 발생되어 결국 상하 바닥간에는 상대변위가 발생하게 된다. 따라서 모듈의 양중 시 급제동에 의한 구조적 영향은 질량이 작은 바닥부분을 지점으로 두 관성력의 크기 차이만 큼의 관성력이 질량이 큰 바닥부분에 작용하는 것으로 간주 될 수 있다.

Fig. 3.

Lifting Behavior and Analysis Model

속도의 변화가 일정한 것으로 가정되는 등가속도이론 (^{Halliday et al., 2004})에 관한 식 (1)을 적용하여 제동 시 속도에 따른 가속도를 산정하고, 산정된 가속도와 모듈의 질량을 이용하 여 관성력을 산정할 수 있다. 급제동 시 발생된 관성력은 모 듈에 짧은 시간동안 발생하는 펄스하중 형태로서 모듈을 검 토하기 위한 등가정적하중은 구조 동역학적으로 산정된 관 성력의 최대 2배 (Chopra, 2007)를 적용 가능하므로 다음 식 (2)와 같다. 수식에서 A _E 는 제동 시 발생가속도, V _E 는 제 동전속도, V ₀ 는 제동후 속도, S_E 는 제동거리, F_E 는 관성력, P _E 는 등가정적하중을 나타내며, 질량 m은 하부바닥과 상 부바닥의 질량차이를 적용한다.

대상 시스템의 구조모델은 양중 시 시공방법 및 관성력 발 생 위치를 고려하여 모듈의 기둥 상부를 지점으로 하고, 산 정된 등가정적하중을 모듈의 하부바닥에 적용하여 해석할 수 있을 것으로 판단된다.

3.2 양중 설치작업 시 풍속에 따른 고려방안

건설현장에서 모듈을 크레인으로 양중 시 강풍이 불 경우 작업이 매우 위험해질 수 있다. 산업안전기준에 관한 규칙 제 117조의 3에서는 순간풍속이 20m/sec를 초과할 시 운전 작업을 중지하도록 하고 있으며, 실제 건설현장에서는 일반 적으로 순간풍속이 10m/sec를 초과시 양중작업이 위험하여 운행을 중지하고 있다. 모듈 시스템은 바람에 대한 수압면적 이 크기 때문에 일반 건축자재 보다 풍속에 따른 영향이 크 게 작용할 것으로 판단되므로 풍속에 대한 별도 제한이 필요 할 것으로 사료된다.

양중 설치작업 시 바람이 작용하면 모듈은 Fig. 4와 같이 양중포인트를 중심으로 흔들림이 발생하게 되며, 모듈을 목 적한 위치에 정확히 설치하기 위해서는 작업인부들이 인력 으로 직접 모듈의 흔들림을 제어해야 한다. 따라서 순간풍속 에 의해 모듈에서 발생되는 하중을 산정하고 인력으로 안전 하게 모듈을 제어할 수 있는 순간풍속을 초과할 시에는 작업 을 제한할 필요가 있다.

Fig. 4.

Wind Displacement and Installation

현재 우리나라 건축구조기준 (^{KBC, 2009})에서는 건축물 이 준공되어 사용되는 기간동안 발생하는 풍하중의 최대크 기를 확률적으로 결정하기 위하여 기본풍속에 의한 설계속 도압을 산정하고 있으나, 본 연구의 대상 모듈검토 시에는 모듈 설치작업 시 매순간 변동하는 풍속에 대한 속도압의 영 향을 평가하고자 기본풍속 대신 순간풍속을 적용하였다.

3.3 운송시 급제동에 의한 관성력 고려방안

공장에서 생산된 모듈의 차량운송은 Fig. 5와 같이 로프를 아래로 당겨 차량에 고정시킴으로서 모듈하부와 적재 바닥 에 마찰력을 증가시키는 방법으로 이루어지고 있다. 따라서 차량에 의한 운송 중 발생하는 관성력 고려 시 모듈하부는 차량에 고정되었다고 가정하고 발생된 관성력은 모듈 상부 바닥의 질량 크기에 의하여 산정된다.

Fig. 5.

Transport Behavior and Analysis Model

양중 시와 마찬가지로 제동 시 발생되는 관성력은 등가속 도이론을 적용하고, 모듈을 검토하기 위한 등가정적하중은 산정된 관성력의 2배를 적용하면 다음 식 (3) 및 (4)와 같다. 수식에서 A _s 는 제동시 발생가속도, V _s 는 제동전 속도, V ₀ 는 제동후 속도, S_s 는 제동거리, F_s 는 관성력, P _s 는 등가정 적하중을 나타내고 있으며 질량 m은 모듈 상부바닥의 질량 을 적용한다.

대상 시스템의 구조모델은 운송 시 시공방법 및 관성력 발 생 위치를 고려하여 모듈의 기둥 하부를 지점으로 하고, 산 정된 등가정적하중을 모듈의 상부바닥에 적용하여 해석할 수 있을 것으로 판단된다

3.4 모듈설치시 발생하는 충격하중 고려방안

공장에서 생산된 모듈은 Fig. 6과 같이 건설현장에서 양중 되어 적층 설치될 때 충격하중이 발생하게 되며, 일반적으로 충격하중은 적층되는 모듈의 중량보다 큰 하중으로 하부 모 듈에 전달되게 된다. 충격하중은 다음 식 (5)과 같이 물체의 운동속도 (υ )와 질량크기 (m), 충돌 시 두 물체의 접촉시간 (t)에 의하여 결정된다 (^{Halliday et al., 2004}). 모듈의 적층 시 발생 충격하중은 상부모듈의 연직하중 반대방향으로 상 부모듈에 작용하기 때문에 Fig. 6의 (b)와 같이 대상시스템 의 구조모델은 하부모듈의 기둥 하부를 지점으로 하고, 산정 된 충격하중을 기둥 상부에 작용시켜 해석을 수행하였다.

Fig. 6.

Installation Impact Force and Analysis Model

3.5 시공단계에 대한 부재 안전성 및 변형검토

양중, 운송 및 설치 시 발생된 하중에 대한 부재 안전성 검 토는 구조물이 완공되고 점유되어 사용되면서 구조설계 시 목적된 성능을 발현하는데 있어 영향이 없도록 하여야 한다. 따라서 시공단계에서 발생된 하중에 대하여 부재가 파괴될 때의 단면강도를 검토하는 한계상태 설계법은 목적상 맞지 않으며, 부재의 발생응력이 안전율을 고려한 허용응력 내에 있도록 설계하는 탄성설계 기반의 허용응력 설계법을 사용 하여 검토를 수행하는 것이 타당할 것으로 판단된다.

또한 각 시공단계에서 부재의 안전성과 더불어 모듈 내부 건축마감재의 파손방지를 고려하여 부재의 처짐 및 모듈의 변위를 제한하여야 한다. 따라서 대상 모듈러시스템에 대한 변형검토 시 건축구조기준에서 제시하는 부재의 수직처짐 및 모듈의 수평변위에 대한 제한값 1/300 및 1/400을 각각 적용하였다.

4.1 구조해석모델의 수립

각 시공단계에 대한 구조해석모델 수립은 국내에서 구조 실무시 범용적으로 사용되는 ^{MIDAS Gen (2015)}이 사용되 었으며, 모듈내 각 부재는 2개의 절점에 의해 정의되는 선형 요소로서 Fig. 9와 같이 각 절점당 세 개의 이동변위 성분과 회전변위 성분을 갖는 Beam Element로 모델화되었다.

Fig. 9.

Beam Element

각 시공단계에 대한 해석모델 형상 및 지점조검, 하중작용 치를 Fig. 10에 나타내었으며, 각 부재간 접합부에 적용된 단부 지점조건은 Table 4와 같다.

Fig. 10.

Analysis Model for Each Process in Construction

4.2 양중작업 시 적정 양중속도 검토

양중작업 시 급제동에 따른 영향을 평가하기 위하여, 타워 크레인의 고속양중속도에 해당하는 분당 80m 속도 (^{Lee and Kim, 2006})를 기준으로 분당 80~50m 범위에 대한 제동가속 도를 각각 산정하고, 그에 따른 등가정적하중 및 비틀림 하 중 산정결과를 Table 5에 나타내었다.

제동가속도 산정식 (1)에서 제동거리는 짧을수록 가속도가 커지므로 0.1m로 짧게 가정하였으며, 비틀림하중은 우발편 심을 고려하기 위하여 모듈의 하중중심으로부터 평면치수 5%를 적용하여 산정되었다. 산정된 하중을 양중 시 구조해 석모델에 적용하여 부재안전성 및 모듈의 수평변위를 검토 하였으며, 검토결과를 Table 6 및 Table 7에 나타내었다.

분당 80~50m 범위의 양중 시 속도에 따른 부재안정성 검 토결과 분당 70m 이상의 속도에서 SG1 부재응력이 허용응 력을 만족하지 못하였으며, 분당 60m 이하에서는 모든 부재 응력이 허용응력을 만족하는 것으로 나타났다. 또한 양중속 도에 따른 모듈의 수평변위 검토결과 분당 50m에서 수평변 위는 장변방향에서 7.1mm로 나타나 건축구조기준에서 제시 하는 허용수평변위 7.5mm (=H/400)를 만족하는 것으로 검 토되었다. 따라서 대상 모듈러시스템의 양중작업 시 양중속 도는 분당 50m가 적정한 것으로 사료된다.

4.3 양중작업 시 적정 순간풍속 검토

양중에 의한 설치작업 시 순간풍속에 따른 발생하중을 산 정하고 인력에 의하여 안전하게 모듈을 제어할 수 있는 수준 의 순간풍속을 판단하고자, 건설현장에서 일반적으로 적용하 는 양중작업한계 순간풍속인 10m/sec를 기준으로 초당 10~5m 범위에 대한 모듈의 장·단변방향에 발생하는 하중을 각각 산정하여 Table 8에 나타내었다. 이때 적용된 계수는 Table 9에 나타내었다.

설치작업 시 바람에 의하여 발생되는 모듈의 변위를 인력 으로 제어 가능한 한계를 인당 0.5kN으로 가정하고 모듈 1 개 설치 시 풍하중의 한계 작업가능하중은 2인 작업 기준 1kN으로 설정하였다. 순간풍속에 따른 발생하중 산정결과 수압면적이 큰 단변방향이 장변보다 약 2배가량 크게 발생 하였으며, 초당 5m에서 단변방향 발생하중은 0.97kN으로 산정되어 한계작업가능하중을 만족하는 것으로 검토되었다. 따라서 대상 모듈러시스템의 양중에 의한 설치 작업시 순간 풍속은 초당 5m가 적정한 것으로 사료된다.

4.4 차량 운송시 적정 속도 검토

차량에 의한 모듈의 운송 시 고려하는 급제동은 차량의 주 행 중 신호변화와 같이 일반적으로 발생할 수 있는 차량의 정지동작 중 다소 짧은 정지시간과 거리가 발생되는 제동을 대상으로 한다. 따라서 차량의 급제동에 따른 영향을 평가하 기 위하여, 시내도로 주행 규정속도인 60km/h를 기준으로 시 간당 60~30km 범위에 대한 제동가속도를 각각 산정하고 그 에 따른 등가정적하중 및 비틀림 하중 산정결과를 Table 10 에 나타내었다. 제동가속도 산정 시 차량제동거리는 노면포장 별 차량의 제동거리에 대한 실험논문 (^{Lee and Choi, 2010}) 을 토대로 가장 짧은 제동거리에 해당하는 10m를 적용하였 다. 산정된 하중을 운송 시 구조해석모델에 적용하여 부재안 전성 및 모듈의 수평변위 검토결과를 Table 11 및 Table 12 에 나타내었다.

시간당 60~30km 범위의 운송속도에 따른 부재안정성 및 모듈수평변위 검토결과 시간당 60km이하의 속도에서 모든 부재응력이 허용응력을 만족하였으며, 모듈의 수평변위 또한 건축구조기준에서 제시하는 허용수평변위 7.5mm (=H/400) 를 만족하는 것으로 검토되었다. 따라서 대상 모듈러시스템의 차량운송 시 속도는 시간당 60km가 적정한 것으로 사료된다.

4.5 설치작업 시 적정 설치속도 검토

모듈의 적층설치 시 분당 5~2m 범위의 설치속도를 대상 으로 충격하중을 각각 산정하고, 산정된 충격하중을 설치 시 해석모델에 적용하여 부재안전성을 검토하였으며, 검토결과 를 Table 13에 나타내었다. 충격하중 산정식에서 충돌시간은 충돌하는 물체의 재료적인 특성과 형상, 속도 및 각도 등 여 러 가지 변수에 따라 달라지며 매우 짧은 시간동안 발생하는 현상이기 때문에 충돌시간을 정확히 알아내는 것은 매우 어 렵다. 따라서 모듈의 적층설치 시 발생되는 충격력을 산정하 기 위한 충격시간은 0.001초로 가정되었다.

설치속도에 따른 부재안전성 검토결과 분당 2m 이하에서 부재응력이 허용응력을 만족하는 것으로 나타나 대상 모듈 러시스템의 적층설치 시 속도는 분당 2m가 적정한 것으로 사료된다.