2.1 연구의 범위 및 방법

본 연구 의 범위는 플랜트에서 적용되는 파이프랙 설치 수 준과 규모를 고려하여 철골 모멘트 시스템 중 중간 모멘트 시 스템(Intermediate Moment Frames : IMF)에서 요구하는 총 회 전각과 모멘트 강도의 측정값을 연구의 범위로 한정하였다. 해 당 측정값을 기준으로 내진성능을 평가하여 구조적 측면의 설 계인자를 도출하고자 한다. 또한 미국 내진 철골접합부 설계 FEMA-350(Federal Emergency Management Agency)에서 제시하는 “보-기둥 접합 방법(Beam-Column Connection Method)”을 근거로 모듈러(Modular) 형태의 철 구조물 접합 형태를 개발한다. 또한, 접합성 향상으로 성능적 측면을 도 출하여 시공성, 경제성 등을 향상시키고자 한다. 일반적으로 보와 기둥을 연결하는 철 구조물이나 플랜트산업에서 파이프 랙을 구성하는 철골구조는 주로 용접에 의해 접합이 이루어 져 왔다. 하지만 용접에 의한 접합방식에는 구조물의 특성이 변화되거나 응력 집중부가 발생하는 등 구조물의 안전성이 저하되는 문제점이 발생되고 있다. 이에 본 연구는 다음과 같 은 방법으로 철 구조물을 제작하고 조립하는 방법을 제시하 고자 한다.

2.2 국내 연구 동향

연구의 배경과 목적에서 서술한 바와 같이 파이프랙의 구 조와 시공성에 관한 연구를 수행했던 사례는 복합 철골 구조 물(철 구조물/철골구조물 통일)과 관련한 연구에 비해 미비한 수준이었다.

파이프랙 관련 연구 중의 하나로 모든 장치물 중에서 특히 유체가 흐르는 고온, 고압의 Pipe와 그를 지탱하는 파이프랙 의 골조 부재의 열팽창에 의한 하중에 있어서는 그 영향이 최 소가 되도록 파이프랙의 안정성이 확보되어야 한다. 이에 대 한 적절한 보강방안으로서 현 설계기준에 따른 해석과 함께 열전달 및 열응력 그리고 열에 의한 변형에 대해 해석을 찾아 볼 수 있다. 설계하중에 중점을 둔 김성연의 연구와 Pipe의 압 력 및 온도 등의 운전조건에 대한 고려와 함께, 시설 운용 중 발생 가능한 지점침하, 지진에 대한 영향을 검토하고 설계에 반영할 수 있도록, 파이프랙 구조물의 지점 침하 검토, 내진성 능평가, 열-구조 연성해석 등을 수행해 설계 시 적절한 부재를 설계하기 위한 기초가 되는 구조해석 결과를 제시하고 완공 상태인 파이프랙 구조물에 대해서는 최적의 계측기 결정 및 설치 위치를 판단하는 등의 안전성 진단 방안을 제시한 ‘파이 프랙 구조물의 안전성 진단 방안 연구(유진규, 세종대학교 대 학원 건설환경공학과 석사 논문, 2012)’도 있었다.

김성용과 신창훈은 ‘패널존의 강도비에 따른 기둥 - 보 접 합부의 내진성능 평가’ 연구를 통해서 H형 기동-보 접합부에 서 스캘럽 주변의 파단을 피하기 위해 스캘럽을 생략하고 보 와 기둥의 쉬어탭을 볼트로 체결한 후 보 플랜지의 양면에 커 버 플레이트와 리브로 보강하는 방법을 제안하기도 했다(패 널존의 강도비에 따른 기둥 - 보 접합부의 내진성능 평가, 김 성용, 신창훈, 한국방재학회논문집 제7권 1호, 2007).

‘HCB(Hybrid Castellated Beam) 보-기둥 접합부의 내진성 능’에 대해 다룬 연구도 있다. 해당 연구는 신형상 철골보의 일종인 HCB 공법을 개발해 접합부에 대한 내진성능평가 실 험을 수행한 것으로, 중간모멘트골조 접합부 이상의 내진성 능 확보가 가능하고, Web에 형성된 개구부에 설비배관 등을 관통시켜 충고절감을 가능하게 만들었다는 점에서 주목할 만 하다(김장훈, 정기택, 오상훈, 대한건축학회 추계학술발표대 회논문집 제31권 제2호, 2011).

이 외에도 파이프랙을 직접적으로 다룬 것은 아니지만, 취 성파괴를 방지하고 구조적 안전성을 확보하기 위한 강도와 강성, 에너지소산능력에 초점을 맞추어 충분한 에너지소산능 력 및 한계상태 모멘트 지지 능력을 발현하는 ‘내진접합부 설 계에 대한 상·하부 스플릿 T 접합부에 관한 연구(백민창, 인하 대학교 대학원 건축공학과 석사 논문, 2014)’도 있었다.

2.3 연구방법

2.3.1 접합부의 요구기준

파이프랙을 구성하는 철골의 내진성능은 보-기둥(Beam- Column) 모멘트(Moment) 접합부의 연성능력과 에너지 소산 량(Energy Dissipation Capacity)에 의해 결정된다. 현재 적용 되고 있는 미국 공업규격 Steel 규정협회 및 미국표준협회 (AISC/ANSI341-10) 기준[¹]과 KBC 기준[²]에서는 모멘트 (Moment) 접합부의 총 회전각 성능에 따라 Table 1과 같이 특 수 철골 모멘트 골조, 중간 철골 모멘트 골조, 보통 철골 모멘 트 골조 시스템으로 분류하고 있다.

Table 1

Rotational angle of joint and moment strength criterion

회전성능이 우수한 골조 시스템일수록 더 높은 반응수정계 수를 사용하여 설계하도록 규정하고 있다. 가장 우수한 접합부 회전성능을 갖는 특수 철골 모멘트 골조 시스템의 접합부인 경 우 접합부 총 회전각이 0.04 Radian 이상의 성능을 보유해야만 하고 모멘트 강도는 0.8MPa 이상의 내력을 보유해야 한다.

중간 모멘트 골조의 접합부는 총 회전각이 0.02 Radian 이 상의 성능을 보유해야 하고 모멘트 강도는 0.4MPa 이상의 성 능을 보유해야 한다.

보통 모멘트 골조의 접합부는 총 회전각에 대한 특별한 제 한사항을 두지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 중간 모멘트 시스템을 기준으로 하였다.

2.3.4 시제품 조립 및 시험방법

디자인 5에 대한 유한요소 해석 결과 모든 조건을 충족함으 로 아래 사진과 같이 시제품을 제작하였고, 이 시제품을 국내 공인기관인 D건설 기술연구소에 의뢰한 결과 유한요소 해석 에서 예측한대로 결과가 도출되었다. Photo 1, 2, 3, 4, 5

Photo 1

Von Mises stress distribution map 1

Photo 2

Von Mises stress distribution map 2

Photo 3

Von Mises stress distribution map 3

Photo 4

Von Mises stress distribution map 4

Photo 5

Prototype install

2.4 시험 방법

시험은 국토교통부 건축구조설계기준 0722 내진성능검증, 품질확보계획 및 용접규정을 준용하였으며, 이중 0722.2.4. 재 하이력 중 0722.2.4.2 보-기둥모멘트접합부의 가력방법에 따 라 파이프랙에 주로 사용되는 H-Beam-250x250x11x11t 부재 로 실험을 수행하였다. 시험환경은 온도(24 ± 3.0℃), 상대습도 (73 ± 10%)에서 실험하였다. 시험장비 제원은 Table 3과 같다.

Table 3

Test Equipment Specifications

2.4.1 시험내용

의뢰자가 제공한 모멘트 접합 실험체와 모멘트 접합 실험 체에 대하여 국토교통부 건축구조설계기준에 제시된 내용에 따라 반복가력 실험을 수행하였다.

시험결과는 Actuator에서 계측된 하중과 변위 값을 기준으 로 작성하였으며 실험체의 상세 사진은 Photo 6~11과 같다.Photo 7, 8, 9, 10

Photo 6

Bonding specimen foreground

Photo 7

New modular junction test specimen

Photo 8

Existing joint test specimen foreground

Photo 9

Details of existing joint specimen

Photo 10

New Modular Specimen Installation Status

Photo 11

Installation condition of existing joints

2.4.2 실험체 재하이력 결과 값

실험은 국토교통부 건축구조설계기준 0722 내진성능검 증, 품질확보계획 및 용접규정에 맞게 작업하였으며, 이중 0722.2.4. 재하이력 중 0722.2.4.2 보-기둥모멘트접합부의 가 력방법에 따라 실험을 수행하였다. 시험결과는 기준 상에 제 시된 재하이력 단계별로 발생한 최대하중과 최대모멘트, 변 형량(mm)으로 Fig. 14와 같다.

Fig. 1

디자인 1

Fig. 2

디자인 2

Fig. 3

디자인 3

Fig. 4

디자인 4

Fig. 5

디자인 5 Modular Steel structure of Sample

최대 층간변위각(Θ) 0.04rad의 경우 기존 볼트접합의 경우 모멘트는 -139~138kN·m으로 변형량은 -44.4~44.32mm으로 나타났으며 H-Beam, 모듈러 접합의 경우 모멘트는 -173~162 kN·m로 기존볼트접합에 비하여 좀더 많은 모멘트가 발생되 었으나 변형량은 -43.9~44.39mm으로 오차범위 내로 변형량 은 동일하게 발생되었다고 알 수 있다. Fig. 6, 7, 8, 9, 10

Fig. 6

디자인 5 Modular Joining of beam and column

Fig. 7

Modular Side Detail View

Fig. 8

Modular Front view detail

Fig. 9

Modular Details

Fig. 10

Modular Installation diagram

2.4.3 실험 후 실험체 상황

접합부에 총 회전각이 0.02 Radian 이상 모멘트 강도는 0.4MPa을 반복적으로 재하하여 기존보트접합부 및 개발된 H-Beam모듈러 접합에 대한 실험 후 실험체의 변형 등을 Photo 12, 13과 같이 확인되지 않았다.

Photo 12

Situation after new Modular Test

Photo 13

Situation after Existing Joint Test

2.4.4 실험 결과

중간 모멘트 골조의 접합부에 총 회전각이 0.02 Radian 이 상 모멘트 강도는 0.4MPa 이상에서 기존 볼트접합에 비하여 유사하고 일부 우수한 성능을 확보할 수 있다는 것을 Fig. 12, 13을 통하여 확인할 수 있다. Fig. 11

Fig. 11

Modular Finite Element Analysis of Steel Structures

Fig. 12

Modular Finite Element Analysis of Steel Structures

2.4.5 기존 접합부와 신규 Modular 접합부의 경제성 및 품질향상 분석

H-Beam-250x250x11x11t 1개소 설치를 기존 설치방법과 디자인 5인 신규 Modular 접합방식으로 공기단축, 원가절감 및 품질향상 분석결과는 Table 4(a), 4(b) and 4(c)와 같다.

Table 4a

Schedule shortening

Table 4(b)

Cost Reduction

Table 4(c)

Quality improvement

3.1 기술적 측면

H-Beam 대 H-Beam의 접합기술의 향상과, 내진성능이 향 상된 파이프랙 구조기술 개발, 파이프랙 제작 및 설치 시간 단 축 기술 개발, 다양한 방법의 철 구조물 설치 기술 개발, 적용 분야 확대에 따른 기술의 접근성 향상이라는 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.

3.2 경제적 측면

기존 파이프랙 공법에 비해 현장설치 공정 축소로 인건비 및 장비비 절감 효과를 기대할 수 있으며, 자재비의 경우 H-Beam 연결을 위한 고장력 볼트의 수량 감소효과 대비 대량 생산을 위한 금형비용 발생으로 경제적 효과가 다소 감소 될 여지가 있다. 디자인 5안의 기술을 적용할 경우, 플랜트 설치 기간 단축으로 전체적으로 투자비 감소도 예상할 수 있다.

3.3 안정성 측면

기존의 현장설치에서 나타났던 다소 큰 위험성 요소를 최 소화시킬 수 있는 공장제작 공정을 통해 접합 작업자의 안정 성을 증대시킬 수 있으며, 기존 기술 대비 단순화된 접합 방식 을 통해 복잡했던 이전 접합 작업으로 인해 발생했던 산업 재 해 사고를 줄일 수 있게 된다. 이는 전반적인 산업 재해율 감소 효과까지도 기대할 수 있는 부분이라 판단된다.

본 연구를 통해 기술 개발 및 시제품으로 플랜트 산업에 적 용 가능한 시뮬레이션 및 설치 시현이 가능하다는 이점이 있 다. 또한 다른 분야에 비해 다소 미흡했던 파이프랙 제작 및 설치 기술에 대한 후속 연구를 독려함으로써 파이프랙 기술 의 발전 기반을 마련할 수 있다는 점에서 높은 활용성이 예상 된다.

개발된 기술은 기존에 각 플랜트 산업에 적용되어 왔던 파 이프랙 접합 기술의 단점을 보완할 수 있는 대안으로써 군산 공단 내 플랜트 파이프랙, 여수산단 지역 파이프랙, 울산 지역 파이프랙 등 그 적용 범위를 확장할 수 있을 것이다. 이후 충 분한 검토와 검증 단계를 거쳐 기술력을 확보한 후에는 특수 구조물 시장으로의 진출도 가능할 것이다. 이후 시제품 제작 및 시뮬레이션과 최종 검증 단계를 거쳐 실제 상용화에 이르 는 제품 개발 계획이 연구되어야 할 것이다.