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Journal of the Korea Concrete Institute

J Korea Inst. Struct. Maint. Insp.
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  1. 학생회원, 건양대학교 재난안전공학과 석사과정
  2. 정회원, 건양대학교 해외건설플랜트학과 교수
  3. 정회원, 건양대학교 공공안전연구소 연구교수
  4. 정회원, 건양대학교 재난안전공학과 박사과정
  5. 정회원, 건양대학교 재난안전공학과 박사과정



적재설비, 기초 고정조건, 거동특성 분석, El-Centro 지진파, 진동대 실험
Storage racks, Foundations fixing conditions, Behavioral characteristics analysis, El-Centro earthquake wave, Shake table test

1. 서 론

경주지진, 포항지진과 같이 규모 5이상의 지진으로부터 한반도는 더 이상 안전을 보장할 수 없음을 인식하게 되었다. 최근 한반도를 불안에 떨게 한 지진 중 경주지진의 경우, 지진으로 인한 구조물의 손상 등과 같은 피해는 미비하였으나, 진열된 상품이 낙하하는 등 지진하중의 영향으로 비구조요소의 진동으로 인한 물적 피해가 크게 발생했다. 이러한 지진 피해는 그동안 구조요소에 비하여 지진 안전성에 관한 관심이 소홀하였던 비구조요소에 대하여 연구가 필요하다는 인식을 심어주는 계기가 되었다.

적재설비는 다양한 종류의 물류를 보관하고 분류하기 위해 사용되며, 편리하게 물류를 보관하고 분류하기 위해 사용자의 요구에 따라 즉각적으로 변형 및 조립이 가능하도록 단순 결합 방식 구조가 적용되고 있는 다양한 비구조 중 하나이다. 적재설비는 단면의 크기에 비하여 상당히 긴 길이의 부재 조합으로 구성되어 있으며, 자체 중량에 비해 무거운 하중을 지지하는 특징을 가지고 있다. 지진으로 인한 적재설비의 피해는 적재설비 그 자체의 피해보다는 적재물의 낙하로 인한 물류의 손상으로 인한 피해가 더 크게 발생한다.

지진으로 인한 적재설비의 피해에 관한 연구는 1994년 LA Northridge 지진으로 발생한 대규모 적재설비의 지진 손상으로 인한 피해로 인해 활발히 진행되었으며, 국내에서는 2016년 발생한 경주지진으로 그동안 관심을 받지 못하던 적재설비와 같은 비구조요소의 지진 안전성에 관한 관심이 증대되면서 연구가 수행되고 있다. 과거 수행된 적재설비의 지진 안전성에 관한 연구 결과, 적재설비를 구성하는 각 부재의 연결부가 적재설비의 지진 안전성에 큰 영향을 미치는 것으로 확인되었다. 적재설비의 구성요소의 연결부에 관한 대표적인 연구로는 적재설비의 다양한 지점조건과 기초 연결에 관한 연구(Kanyilmaz et al., 2016; Midorikawa et al., 2009)(6,5), 기둥과 기초를 연결하기 위해 볼트를 활용하지 않는 기둥-기초 연결부인 플레이트에 대한 모델개발 기술 연구(del Coz Díaz et al., 2006)(3), 기둥-기초 연결부인 플레이트의 두께와 치수 그리고 연결 조건과 기둥의 단면 조사(Petrone et al., 2016)(7) 등과 같이 적재설비에 대한 다양한 연구(Baldassino and Bernuzzi, 2000; Filiatrault et al., 2006)(1,4)가 진행되고 있다. 하지만, 기존의 연구에서 대부분 적재설비의 기둥-보 연결부를 중심으로 연구가 수행되었고, 적재설비와 기초 연결 조건에 대해서는 기둥의 플레이트 형상에 따른 거동특성에 국한되어 연구가 수행되었다. 최근 진행된 적재설비의 지진 안전성에 관한 연구(Heo et al., 2018)(10)에서 지진으로 인한 강한 외력으로 적재설비 기둥의 플레이트에서 손상이 확인되었으며, 특별한 규정 없이 사용자의 편의대로 적재설비를 기초에 고정하고 있어 적재설비와 기초를 고정하는 조건에 관한 다양한 연구가 필요하다.

이와 같은 연구의 필요성에 따라 본 연구에서는 적재설비와 기초의 다양한 고정조건에 따른 적재설비의 거동특성을 분석하고자 하였다. 연구의 목적을 달성하기 위하여 물류창고에서 사용되고 있는 Full-Scale 적재설비를 대상으로 진동대 실험을 진행하였으며, 실험을 통하여 획득한 적재설비의 변위 응답 결과와 영구 변형 결과를 분석하여 적재설비와 기초 고정조건에 따른 거동특성을 분석하였다.

Fig. 1. Composition of storage racks

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2. 적재설비의 구성

적재설비는 적재물을 단기간 또는 장기간 보관하는 비구조물로서 적재물의 적재가 가능한 통로 방향(Down-Aisle)과 적재가 불가능한 통로 직각 방향(Cross-Aisle)으로 다음 Fig. 1(a)와 같이 구성된다. 통로 방향은 Fig. 1(b)에서 보는 바와 같이 기둥(Column)과 보(Beam)로 구성되며, 기둥은 길이에 비해 두께가 얇은 단면으로 설계된다. 기둥에는 사용자의 요구에 따라 적재공간의 높이를 손쉽게 조절할 수 있도록 Fig. 1(d)와 같이 보의 걸쇠가 연결되는 홈이 균일하게 배열된다. 통로 방향에서 기둥에 연결되는 보는 적재물의 하중을 받는 부재로 하중 저항을 위하여 폭보다 높이가 크며, 손쉬운 이동 및 적재설비의 하중을 줄이기 위하여 Channel and Hat 단면으로 설계된다. 보의 양 끝단에는 기둥과 연결을 위한 걸쇠를 포함하는 플레이트를 배치한다. 기둥과 기둥을 보로 연결한 통로 방향은 물류의 적재를 위한 개방형 공간이다. 다음으로 통로 직각 방향은 Fig. 1(c)에서 보는 바와 같이 기둥과 브레이싱(Bracing)으로 구성된다. 브레이싱의 경우 통로 직각 방향에서 앞과 뒤의 기둥을 연결하는 부재이며, 한쪽 단면이 개방된 단면으로 Fig. 1(d)와 같이 설계된다. 통로 직각 방향은 브레이싱으로 인해 폐쇄되기 때문에 적재물이 불가능한 폐쇄형 공간이다.

국토교통부 국가물류통합정보센터에서는 적재설비를 파렛트랙(Pallet Rack), 적층랙(Mezzanine Rack), 모빌랙(Mobile Rack), 암랙(Arm Rack), 그리고 Carton Sliding Rack으로 분류하고 있다. 본 연구에서는 가장 일반적으로 사용되는 Fig. 2(a)와 같은 파렛트랙(이하 적재설비로 표기)을 대상 구조물로 선정하였다.

본 연구의 대상 구조물로 선정한 적재설비는 Fig. 2(a)에서 보는 바와 같이 통로 방향 폭 2,785 mm, 높이 4,500 mm, 그리고 통로 직각 방향 폭 1,000 mm의 3단 프레임 구조이다. 본 연구에서 대상 적재설비의 각 부재는 Fig. 1(d)와 같이 설계하였다. 앞서 설명한 적재설비를 구성하는 각 부재는 Fig. 2(b)와 같이 연결하였다. 먼저, 기둥과 보는 보의 걸쇠를 기둥의 홈에 끼우는 방식으로 연결하였으며, 보의 탈락을 방지하기 위하여 M8 볼트를 체결하였다. 다음으로 기둥과 브레이싱은 기둥의 개방된 면에 브레이싱을 삽입하고 M10 볼트로 고정하는 방식으로 결합하였다.

본 연구에서 선정한 적재설비의 각층별 최대 설계하중은 1.5 ton이다. 예비 실험 결과, 최대 설계하중을 모두 적재하였을 경우, 보의 휨이 발생하였다. 적재설비를 기초에 고정하는 조건 이외에는 안정조건을 유지하기 위하여, 본 연구에서는 최대 설계하중의 80%인 1.2 ton을 각 층별로 적재하였으며, 개당 300 kg의 질량체를 각 층에 4개씩 배치하여 적재물을 대체하였다. 일반적으로 적재설비에 적재물이 적재될 때는 적재물을 적재설비에 고정하지 않지만, 본 연구에서는 적재물의 낙하와 같은 위험 상황을 방지하기 위하여 Fig. 2(b)와 같이 적재물을 모사한 질량체를 보에 고정하였다. 마지막으로 기초와 기둥의 연결부는 기둥 하부에 플레이트를 용접 부착하고, 기둥의 플레이트와 기초를 볼트로 결합하였다. 기초와 기둥의 연결부 조건은 다음 3장에 자세히 설명하였다.

Fig. 2. Storage racks and connections

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3. 적재설비의 지진 응답 실험

적재설비의 지진과 같은 외부하중에 대한 안전성에 관한 기존의 연구 사례에서 확인할 수 있듯이, 적재설비와 기초를 고정시키는 부분인 플레이트는 적재설비에 지진 안정성에 중대한 영향을 미치는 부분으로 평가되었다(Baldassino and Bernuzzi, 2000)(1). 언급한 바와 같이, 적재설비를 기초에 고정하는 방법은 사용자의 편의에 따라 임의로 고정되고 있다. 본 연구에서는 가장 일반적으로 사용되고 있는 기둥-기초 고정방식 4가지를 선정하고, 기둥-기초 고정방식에 따른 적재설비의 거동특성을 분석하고자 하였다. 일반적으로 구조물의 거동특성을 분석하기 위하여 해석적 방법을 적용할 수 있으나, 적재설비는 각 부재의 연결에 많은 불확실성을 내포하고 있기에 해석적 연구로는 정확한 적재설비의 거동특성을 확인하기 어렵다. 그에 따라 본 연구에서는 실제 현장에서 사용되고 있는 Full-Scale 적재설비를 대상으로 실험적 연구를 수행하였다.

적재설비의 기둥-기초 고정방식은 다음의 Fig. 3과 같이, 볼트 1개 연결, 볼트 2개 연결, 볼트 4개 연결, 그리고 용접 및 앵커를 사용한 강한 접합 방식(강화된 볼트 4개 연결)을 선정하였다.

Fig. 3. Fixed condition of storage racks

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Fig. 3(a)는 가장 많이 적용되고 있는 고정방식인 볼트 1개 연결방식으로 적재설비 내측 방향으로 개방된 기둥 단면의 안쪽에 볼트를 고정하는 방식이다. 다음으로 Fig. 3(b)는 일반적으로 대형 물류창고와 같은 곳에서 적용되는 방식으로 기둥을 중심으로 대각선 방향으로 각각 하나씩, 총 2개의 볼트로 기초와 고정하는 방식이다. 그리고 Fig. 3(c)는 기둥을 중심으로 4방향에 각각 하나씩, 총 4개의 볼트로 기초와 고정하는 방식이다. 마지막으로 Fig. 3(d)는 적재설비의 이동계획이 없는 경우, 적용하는 방식으로 적재설비를 기초에 강하게 접합하는 방식이다. 본 연구에서는 실험의 환경적 특성으로 앵커 및 용접이 불가능하였기에 용접을 모사하여 기둥 하부 플레이트의 두께를 증가시켜서 외부하중으로 인한 플레이트의 변경을 방지하면서 기초와 강하게 접합될 수 있도록 하였다.

각 기초 조건에 따른 적재설비의 고유진동수는 공진 탐색 실험으로 획득한 데이터를 분석하여 확인하였다. 공진 탐색 실험은 랜덤파(=0.05 g)로 50초 동안 각 방향 독립 가진하여 진행하였다. 다음의 Fig. 4Fig. 5는 각각 실험을 통하여 획득한 응답 데이터를 분석하여 획득한 x 방향과 y 방향의 기초 구속조건에 따른 Frequency 영역 그래프와 각 방향 입력 지진파의 Frequency 영역 그래프이다.

Fig. 4에서 확인할 수 있는 바와 같이, 적재설비의 x 방향 응답은 기초 고정조건에 따라 0~1 Hz 사이, 3~4 Hz 사이, 그리고 6.5~7.5 Hz 사이에 고유진동수가 존재하는 것이 확인되었다. 그리고 Fig. 5에서 확인할 수 있는 바와 같이, 적재설비의 y 방향 응답은 기초 고정조건에 따라 2~3 Hz 사이, 그리고 4~5 Hz 사이 고유진동수가 존재하는 것이 확인되었다.

Fig. 4. Natural frequency of storage racks(x direction)

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Fig. 5. Natural frequency of storage racks(y direction)

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Fig. 6. Input earthquake wave(El-Centro earthquake)

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기초의 고정방식에 따른 적재설비의 거동특성을 분석하기 위한 실험은 대상 적재설비를 진동대에 Fig. 3의 고정방식으로 결합한 후 지진 응답실험을 수행하였다. 지진 응답실험은 지진방재연구센터(국토교통연구인프라운영원)의 진동대를 활용하여 진행하였으며, Fig. 6과 같은 입력 지진파를 사용하였다.

Fig. 6의 입력 지진파는 국내 설계지반가속도스펙트럼과 유사한 수준인 El-Centro 지진파이며(Hwang et al., 2015)(15), Fig. 6(a)Fig. 6(b)는 각각 x 방향과 y 방향의 시간 영역 그래프와 응답 스펙트럼 그래프이다. 진동대는 수평 2방향(x, y 방향)으로 Fig. 6의 x 방향과 y 방향의 입력 지진파를 동시 입력하여 구동되도록 하였으며, 수직 방향 가진은 진행하지 않았다. 지진파의 세기에 따른 적재설비의 응답을 확인하기 위하여 실험은 El-Centro 지진파의 최대 지반 가속도(PGA=0.366 g)를 기준으로 최소 50%에서 최대 150%까지 50% 간격으로 지진파를 증가시켜가면서 진행하였다.

지진으로 인한 적재설비의 손상은 적재설비 자체의 손상인 영구 변형과 지진하중을 받는 중에 발생하는 큰 변위로 인한 적재물의 낙하로 분류할 수 있다. 본 연구에서는 영구 변형과 층별 변위 응답을 획득하기 위하여 가속도 센서(Acceleration Sensor)와 함께 변위 센서(Displacement Sensor)를 설치하여 응답 데이터를 획득하였다. 응답 데이터의 획득을 위한 센서는 다음의 Fig. 7(a)에 표기한 위치(가속도 센서 – A, 변위 센서 - D)에 설치하였다. 가속도 센서(A)는 수평 2방향에 대한 응답을 획득하기 위하여 다축 계측이 가능한 센서를 사용하였으며, 진동대에 1개 부착하였고, 적재설비의 각 층별 응답을 계측하기 위하여 각 층별로 1개씩 부착하였다. 변위 센서(D)는 적재설비 층별로 수평 2방향에 대한 변위를 계측하기 위하여, 각 층별로 x축으로 1개, y축으로 1개의 변위 센서를 사용하였으며, 다축 진동대 실험으로 인한 적재설비의 거동을 고려하여 케이블 타입의 변위 센서를 사용하였다. 다음 Fig. 7(b)은 적재설비의 응답 계측을 위하여 사용한 센서를 설치한 모습이다.

Fig. 7. Installation of sensor

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4. 적재설비의 기초 조건에 따른 거동특성 분석

적재설비의 기초 조건에 따라 외력으로 인한 적재설비의 거동특성을 분석하기 위하여 지진 응답실험을 수행하였으며, 지진하중으로 인한 적재설비의 가속도 응답과 층별 변위 응답을 획득하였다. 데이터 획득 결과, 가속도 응답은 적재설비 내에 존재하는 비고정 연결부에서 발생하는 노이즈성 응답으로 인하여 데이터 분석이 불가능하였다. 이러한 이유에서 적재설비의 비고정 조건에 따른 거동특성 분석을 위해 지진 응답실험 데이터 분석은 변위 응답을 대상으로 진행하였다. 획득한 변위 응답을 분석하여 적재물의 낙하와 관련된 최대변위 응답과 적재설비의 안정성과 관련된 영구 변형 결과를 분석하였다. 두 가지(최대변위, 영구 변형) 변위 응답은 최상층을 대상으로 분석하였으며, 총 3가지 CASE(El-Centro 50%, El-Centro 100%, El-Centro 150%)의 실험결과를 분석하였다. 또한, 실험 직후 적재설비의 파손을 육안으로 확인하는 작업을 병행하여 분석 결과에 추가하였다.

다음의 Fig. 8은 El-Centro 50%로 진행한 지진 응답실험의 각 방향 변위 응답을 그래프로 표현한 것이고, Table 1은 최대변위 응답과 영구 변형을 정량적으로 나타낸 것이다. Fig. 8(a)는 x 방향에서 변위 응답 그래프이고, Fig. 8(b)는 y 방향에서의 변위 응답 그래프이다.

Fig. 8(a)에서 확인할 수 있는 바와 같이, x 방향 최대변위 응답을 분석한 결과, 적재설비는 볼트 1개와 볼트 2개의 조건에서 유사한 응답을 보였으며, 볼트 4개와 용접 모사 조건의 응답이 유사한 응답을 보였다. y 방향의 최대변위 응답의 경우, 모든 조건에서 적재설비는 유사한 응답을 보였다. Table 1을 살펴보면, x 방향 최대변위는 볼트 2개로 적재설비를 고정한 조건에서 가장 작게 발생하였고, 용접 모사 조건에서 가장 큰 변위가 발생하였다. 그리고 y 방향 최대변위는 볼트 4개 조건에서 가장 작게 발생하였고, 용접 모사 조건에서 가장 큰 변위가 발생하였다. 하지만, y 방향 변위의 차이는 최대 3 mm로 미소하였다. 이러한 결과로 봤을 때, El-Centro 50% 정도의 지진 상태에서 적재물의 안전을 고려할 경우, 볼트 1개 및 볼트 4개로 적재설비와 기초를 고정하는 조건을 선정하는 것이 적절할 것으로 판단된다. 다음으로 영구 변형을 측정한 결과, x 방향 응답의 경우, 적재설비는 볼트 2개의 조건에서 가장 작은 영구 변형이 발생하였으며, 볼트 4개 조건에서 가장 큰 변형이 발생하였다. y 방향 응답의 경우, 고정조건별 차이는 최대 0.68 mm로 고정조건의 영향이 미소한 것으로 판단되었다.

Fig. 8. Maximum displacement of storage racks on 3rd floor (El-Centro 50%)

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Fig. 9. Maximum displacement of storage racks on 3rd floor (El-Centro 100%)

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Table 1. Maximum displacement and permanent displacement of storage racks on 3rd floor(El-Centro 50%)

Fixed Conditions

Maximum Displacement (mm)

Permanent Displacement (mm)

x direction

y direction

x direction

y direction

1 bolt

17.02

8.18

1.38

0.84

2 bolts

17

8.04

0.52

1.26

4 bolts

52.04

5.14

3.52

1.16

Enhanced 4 bolts

56.92

8.48

2.84

0.58

Table 2. Maximum displacement and permanent displacement of storage racks on 3rd floor(El-Centro 100%)

Fixed Conditions

Maximum Displacement (mm)

Permanent Displacement (mm)

x direction

y direction

x direction

y direction

1 bolt

29.34

14.16

2.4

0.8

2 bolts

33.68

14.18

3.28

1.42

4 bolts

73.54

12.22

1.68

1.22

Enhanced 4 bolts

122.4

12.06

2.44

0.84

다음의 Fig. 9는 El-Centro 100%로 진행한 지진 응답실험의 각 방향 변위 응답을 그래프로 표현한 것이고, Table 2는 최대변위 응답과 영구 변형을 정량적으로 나타낸 것이다.

Fig. 9에 그래프로 나타낸 El-Centro 100%에서 고정조건별 응답은 x 방향의 경우, 적재설비는 볼트 1개와 볼트 2개의 조건에서 유사한 응답을 보였으며, 볼트 4개와 용접 모사 조건의 응답이 유사한 응답을 보였다. y 방향 응답은 모든 조건에서 적재설비는 유사한 응답을 보였으며, 이와 같은 결과는 El-Centro 50%로 가진한 실험의 결과와 유사하였다. Table 2를 살펴보면, x 방향 최대변위는 볼트 1개로 적재설비를 고정한 조건에서 가장 작게 발생하였고, 용접 모사 조건에서 가장 큰 변위가 발생하였다. 그리고 y 방향 최대변위는 용접 모사 조건에서 가장 작게 발생하였고, 볼트 2개 조건에서 가장 큰 변위가 발생하였다. 다음으로 영구 변형을 측정한 결과, x 방향 응답의 경우, 적재설비는 볼트 4개의 조건에서 가장 작은 영구 변형이 발생하였으며, 볼트 2개 조건에서 가장 큰 변형이 발생하였다. y 방향 응답의 경우, 고정조건별 차이는 최대 0.62 mm로 고정조건의 영향이 미소한 것으로 판단되었다.

Fig. 10. Maximum displacement of storage racks on 3rd floor (El-Centro 150%)

../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.3.68/fig10.png

Table 3. Maximum displacement and permanent displacement of storage racks on 3rd floor(El-Centro 150%)

Fixed Conditions

Maximum Displacement (mm)

Permanent Displacement (mm)

x direction

y direction

x direction

y direction

1 bolt

35.9

19.52

14.34

1.46

2 bolts

36.06

21.46

2.88

3.88

4 bolts

188.7

17.92

5.34

4.42

Enhanced 4 bolts

217.68

17.06

9.6

2.28

Fig. 10은 El-Centro 150%로 진행한 지진 응답실험의 각 방향 변위 응답을 그래프로 표현한 것이고, Table 3은 최대변위 응답과 영구 변형을 정량적으로 나타낸 것이다.

Fig. 10에 그래프로 나타낸 El-Centro 150%에서 고정조건별 응답 역시 El-Centro 50%와 유사한 특성을 보였으며, 각 조건별 정량적 수치의 차이는 El-Centro 100%와 유사하였다. 영구 변형의 경우, El-Centro 100%에서는 각 조건별 차이가 2 mm 미만이었지만, El-Centro 150%에서는 최대 11.46 mm가 발생하였다. 특히, 1개의 볼트로 적재설비의 기둥이 고정된 조건에서 14.34 mm의 영구 변형이 발생하였다. 그리고 y 방향의 영구 변형의 차이가 증가하기 시작하였으며, 볼트 4개의 조건에서 최대의 영구 변형이 발생하였다.

총 3가지 실험(El-Centro 50%, 100%, 150%)에 따라 적재설비의 기초 고정조건별 응답특성을 분석한 결과, 지진하중으로 인한 적재설비의 변위는 지진파의 크기보다는 기초 고정조건의 차이에 따라 다른 응답특성을 보였다. 즉, 볼트 1개 또는 볼트 2개로 적재설비를 기초에 고정하였을 때, 최상층의 변위는 작게 발생하였고, 볼트 4개 및 용접 모사 조건에서 최상층의 변위가 상대적으로 크게 발생하였다. 이와 같은 결과는 적재설비 기초 고정조건에 따른 고유진동수의 변화보다, 기초 고정방식에 따른 복원력의 차이가 원인으로 판단된다. 즉, 볼트 1개 또는 볼트 2개 조건에서는 수평 2방향 가진으로 인하여 기둥 플레이트의 들림이 발생하고, 그로 인한 복원력에 저하가 발생하며, 최종적으로 저하된 복원력으로 감소된 운동에너지로 인해서 상대적으로 작은 변위가 발생한 것으로 판단된다. 이와 대비하여 볼트 4개 및 용접 모사 조건의 경우, 기둥 플레이트에 들림 현상을 방지함으로써 적재설비 본래의 복원력을 유지하였으며, 유지된 복원력이 운동에너지로 변환되면서 상대적으로 큰 변위가 발생한 것으로 판단된다. 그리고 영구 변형의 경우, El-Centro 100% 이하의 조건에서 각 조건별 최대 2 mm 미만의 미소한 차이를 보였지만, El-Centro 150%에서 최대 영구 변형이 발생한 볼트 1개 조건과 최소 영구 변형이 발생한 볼트 2개의 차이가 11.46 mm로 기초의 고정조건에 따라 큰 차이를 보였다.

실험 후 육안으로 적재설비를 점검한 결과, El-Centro 100% 이하에서는 적재설비의 파손 및 볼트의 풀림이 관찰되지 않았다. 하지만, El-Centro 150%로 진행한 실험에서 볼트 1개로 적재설비를 고정한 조건에서 Fig. 11(a)에서 보는 것과 같은 통로 직각 방향의 기둥과 브레이싱 연결부의 볼트의 풀림이 확인되었다. 추가적인 적재설비의 파손을 확인하기 위하여 El-Centro 200%로 지진파의 크기를 증가시킨 조건으로 실험을 수행하였다. 그 결과, Fig. 11(b)에서 확인할 수 있는 바와 같이, 통로 직각 방향의 기둥과 브레이싱 연결부의 볼트가 끊어진 것이 확인되었다. 이와 같은 볼트의 풀림 및 파괴는 적재설비가 통로방향으로는 대칭이지만, 통로 직각방향으로는 브레이싱으로 인하여 비대칭 형상을 하고 있으며, 이러한 비대칭성으로 인하여 발생하는 비틀림 현상으로 브레이싱 연결부 볼트의 마모로 인한 볼트의 풀림 및 파괴가 발생한 것으로 판단된다.

Fig. 11. Damage of Storage Racks Member

../../Resources/ksm/jksmi.2021.25.3.68/fig11.png

5. 결 론

본 연구에서는 관련 규정 및 연구가 미비하여, 사용자의 임의로 설치 운영되고 있는 적재설비의 지진으로 인한 거동특성을 분석하기 위하여, 적재설비와 기초 고정조건에 따른 거동특성을 지진 응답실험을 통하여 분석하였다. 이상의 실험적 연구에 따른 결과는 다음과 같다.

(1) 일반적으로 적재설비의 설치에서 사용하고 있는 4가지 고정조건을 대상으로 3가지 크기의 지진파로 진동대 실험을 수행하였으며, 그 결과, 적재설비는 지진파의 크기보다는 고정조건에 따라 응답특성에 차이가 있음을 확인하였다. 볼트 1개와 볼트 2개로 적재설비를 기초에 고정한 조건이 서로 유사한 응답을 보였으며, 볼트 4개 조건과 용접 모사 조건이 서로 유사한 응답을 보였다.

(2) 볼트 4개와 용접 모사 방법으로 적재설비를 기초에 고정한 조건은 볼트 1개와 볼트 2개를 적용한 조건보다 상대적으로 큰 최상층의 변위가 발생하였다. 반면에 영구 변형의 경우, El-Centro 100% 미만에서는 큰 차이가 발생하지 않았으나, El-Centro 150% 상태에서 볼트 1개로 적재설비를 고정한 조건에서 가장 작은 영구 변형이 발생한 볼트 2개 조건에 비하여 약 12 mm의 큰 차이를 보이며 영구 변형이 증가하였다.

(3) 지진하중으로 인한 적재설비의 파손을 확인을 위한 육안 확인 결과, El-Centro 150% 이상의 지진하중에서 적재설비 통로 방향의 파손이 관찰되었다. 파손은 적재설비 통로 방향 기둥과 브레이싱 연결부에서 볼트의 불림과 볼트의 절단으로 나타났다. 이와 같은 파손은 적재설비가 통로 방향으로는 대칭이지만, 통로 직각 방향으로는 비대칭인 적재설비의 구조적 특성에 따른 비틀림 거동으로 인한 손상으로 판단된다.

(4) 적재설비는 기초 고정조건에 따른 고유진동수의 변화가 크게 발생하지 않았다. 즉, 기초 고정조건에 따른 지진하중의 지배 주기의 영향보다는 기초 고정조건으로 인한 복원력의 차이에서 발생하는 운동에너지의 차이가 적재설비의 거동특성을 지배하는 것으로 판단되었다.

본 연구에서 지진하중의 세기와 기초의 고정조건을 변수로 고려하여 외력으로 인한 적재설비의 거동과 적재설비 기초 고정조건과의 관계를 실험적으로 확인하였다. 그 결과, 기초의 고정조건으로 인한 복원력이 적재설비의 거동특성에 큰 영향을 주는 것이 확인되었다. 단, 본 연구는 한 가지 지진하중에 대한 제한적인 분석이 진행되었기에 추가적인 연구로 다양한 입력 하중에 대한 적재설비의 기초 고정조건별 응답특성을 분석하기 위한 해석적 연구를 수행할 계획이다.

감사의 글

이 논문은 2018년, 2019년 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구사업임(NRF-2018R1A6A1 A03025542, NRF-2019R1I1A1A01049701). 본 연구가 이루어지도록 지원하여 준 한국연구재단에 대단히 감사합니다.

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