[논문]복합 굴절차의 붐과 바스켓에 대한 구조 해석

소수현; 강성수

doi:10.7735/ksmte.2012.21.6.885

복합 굴절차의 붐과 바스켓에 대한 구조 해석
Structural Analysis of Booms and Basket in the Multi-aerial Platform 원문보기

한국생산제조시스템학회지 = Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, v.21 no.6, 2012년, pp.885 - 891

소수현 (경일대학교 소방방재학과) , 강성수 (전주대학교 기계자동차공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, some structural analysis using 3D CAD data, material properties, load conditions and boundary conditions are carried out to evaluate structural stability of the multi-aerial platform for high-rise fire fighting and rescue. We conduct structural analysis for the upper structures such as turn table, booms and basket, by using a universal structural analysis program NASTRAN. As the results, there is local stress exceeding the yield strength, but it is able to relax stress concentration in a way such as changing thickness of the structure or making larger inertia moment in cross section of booms.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 연구에서는 소방용 복합 굴절 사다리차의 강도 해석을 통한 구조적 안정성을 평가하기 위해, 68m 급 복합 굴절차 설계를 위한 3차원 CAD 데이터 및 사용 재질에 대한 물성 자료, 하중과 경계 조건을 바탕으로 굴절차에 대한 구조 안정도 해석을 실시하였다^(4,5). 구조적 안정성을 평가하기 위해 범용 구조해석 프로그램인 Nastran을 활용하였으며^(6～10), 상부 구조물인 Turn table, 붐, 바스켓에 대한 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 소방용 복합 굴절 사다리차의 강도 해석을 통한 구조적 안정성을 평가하기 위해, 굴절차에 대한 구조 안정도 해석을 실시한 결과, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.

가설 설정

또한 Case 3의 경우 1, 2, 5, 6번 붐에서 강재의 허용치를 넘는 응력이 나타났다. 1, 2번 붐의 사이드 실린더 지지부에서 발생하는 응력은 실린더 인장에 따른 모멘트에 의한 것이다. 5, 6번 붐에서의 과도한 응력은 국부적으로 단면이 작은 부위가 존재하여 나타나는 현상으로, 이에 대한 보강이 필요하다.
5m/s 조건으로 요구되는 계산 방식에 의하여 풍하중을 고려하였다. 위치에 다른 안정성 요소는 지반의 미세 침하 등을 고려하여 0.5도 악조건 경사 상태에서 작업이 이루어지는 것을 가정하여 전복 계산을 실시하였다.

제안 방법

Fig. 3과 같이 복합 굴절차의 붐 기울기에 따른 기립 각도가 0도(Case 1), 62.9도(Case 2) 및 80.97도(Case 3)의 3가지 경우에 대하여 구조해석을 실시하였다⁽⁹⁾. 전도에 대한 안정도 해석은 EN1777:2010 5.
Fig. 4와 같이 링 기어가 하부 구조물에 체결되는 볼트들을 6개 방향 모두 고정하였으며, 안쪽 링과 바깥쪽 링을 하나의 일체로 모델링하여 해석을 수행하였다.
해당 규정을 근거로 구조해석에서 고려되어야 되는 하중에는 정격 하중과 구조물 하중, 풍하중 및 추가 하중을 적용하였고 붐의 각도 및 위치에 따른 최악의 조건을 도출하여 전도 조건을 고려하여, 실제 사용에 있어서 하중 시험 조건과 안전 사항을 검토하였고 이를 토대로 구조해석을 수행하여 안정성을 검토하였다. 그 결과, Fig. 5와 같이 하중 조건은 3가지 Case에 대하여 정격 하중과 부가 하중 및 풍하중을 각각 입력하여 해석을 수행하였다.
붐에 사용된 강재는 대부분이 ATOS80으로 되어있으며, 일부 풀리, 핀 및 와이어를 고정하는 브라켓 등이 기타 소재로 되어 있다. 따라서 해석 결과들은 ATOS80의 항복 강도인 700MPa을 기준으로 비교하였다. 해석은 Case 1～3에 대하여 전체 응력 분포도 및 최대 응력 발생 위치를 Fig.
2 요구 조건과 같이⁽¹¹⁾, 각 구조물에 대하여 10% 하중이 동작 방향의 지지점을 중심으로 하여 전도 및 하중 증가 요인이 발생되는 것으로 하여 계산되어지며 테스트를 통하여 검증되는 경우 10%보다 낮은 값을 허용하고 있다. 또한 기후적 요인에 따른 안전성 요소는 EN1777:2010 5.2.3.4.에서 요구되는 12.5m/s 조건으로 요구되는 계산 방식에 의하여 풍하중을 고려하였다. 위치에 다른 안정성 요소는 지반의 미세 침하 등을 고려하여 0.
이것은, 유한 요소 모델의 경우 강도 부재 및 실린더만을 모델에 반영하였으나, 실 제품은 그 외에도, 유압 장치, 전기 장치 등과 같이 부수적으로 장착되는 부품들이 많기 때문이다. 이 차이를 개선하기 위하여, 각 시스템별 차이가 나는 중량은 여러 개의 집중 질량으로 나누어서, 각 시스템에 반영하여, 최종적인 각 시스템별 중량은 실시설계 단계에서 얻은 데이터와 일치하도록 조정하여 해석을 수행하였다.
이상의 요소에 대한 EN1777:2010 5.24 및 5.4.1.2 요구 조건에 부합하도록 하중을 적용하여⁽¹¹⁾, Table 3과 같이 풍하중과 동하중이 장비 전체에 미치는 모멘트의 영향을 산출하였다.
. 해당 규정을 근거로 구조해석에서 고려되어야 되는 하중에는 정격 하중과 구조물 하중, 풍하중 및 추가 하중을 적용하였고 붐의 각도 및 위치에 따른 최악의 조건을 도출하여 전도 조건을 고려하여, 실제 사용에 있어서 하중 시험 조건과 안전 사항을 검토하였고 이를 토대로 구조해석을 수행하여 안정성을 검토하였다. 그 결과, Fig.

이론/모형

. 구조적 안정성을 평가하기 위해 범용 구조해석 프로그램인 Nastran을 활용하였으며^(6～10), 상부 구조물인 Turn table, 붐, 바스켓에 대한 해석을 수행하였다.
복합 굴절차의 구조적 안정성을 분석하기 위해 BS EN1777:2010을 기본으로 요구되는 디자인 및 구조안정성 평가를 적용 하였다⁽¹¹⁾. 해당 규정을 근거로 구조해석에서 고려되어야 되는 하중에는 정격 하중과 구조물 하중, 풍하중 및 추가 하중을 적용하였고 붐의 각도 및 위치에 따른 최악의 조건을 도출하여 전도 조건을 고려하여, 실제 사용에 있어서 하중 시험 조건과 안전 사항을 검토하였고 이를 토대로 구조해석을 수행하여 안정성을 검토하였다.
최고 작업 높이 목표를 68m로 설정하였으며⁽³⁾, 작업 높이는 기립각 80도 및 굴절각 170도 이상인 상태에서 지면에서부터 바스켓 난간까지의 높이이다. 상세한 설계 사양과 관련항 유럽의 규정(EN1777:2010)에 준하여 실시하였으며⁽¹¹⁾, 붐(boom) 장치와 관련하여, 붐의 형식은 텔레스코픽 직진식 붐과 텔레스코픽 JIB 붐이 조합된 복합식으로, 바스켓 지지대(support)는 기립식으로 용량 270kg 이상으로 정하였고, 직진 붐 6단 및 JIB 붐 2단으로 설정하였다.
97도(Case 3)의 3가지 경우에 대하여 구조해석을 실시하였다⁽⁹⁾. 전도에 대한 안정도 해석은 EN1777:2010 5.2.4에 의해 제시된 기준을 대상으로 하여 각각의 하중 조건을 3가지 작업 위치에 대해 적용하였다⁽¹¹⁾. 즉 Case 1은 수평 작업 상태를 나타내고 있으며, Case 2는 붐 4～6단이 최대 신장된 상태이고, Case 3은 붐 1～6단이 최대 신장된 모습을 보여주고 있다.

성능/효과

(1) 복합 굴절차의 단면 크기 결정과 같은 기본 설계에서 고려되어야 할 것들은 고려하였음에도 불구하고 국부적인 응력이 항복 강도를 초과하는 부분들이 발생하지만, 해당 부재의 두께나 붐의 단면 형상을 관성 모멘트가 큰 구조로 변경하는 등의 방법으로 응력의 과다 발생을 방지할 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 본 연구 결과를 통하여 68m 급의 성능 평가 기준 개선 안으로 이에 대한 기술 기준을 확보하였으며, 아파트의 고층화에 따른 인명구조 및 화재진압에 대응할 수 있는 복합 굴절차의 개발로 화재 저감에 크게 기여할 수 있다.
Case 1의 4, 5, 6번 붐들이 절반 정도만 신장된 상태인데 비해, Case 2에서는 모두 신장된 상태로 각 단별 지지 영역에서 응력이 크게 발생하였다. 3, 4번 붐에서의 과도한 응력은 국부적인 보강으로 개선이 가능하다. 또한 5번 붐에서의 과도한 응력 발생은 국부적으로 단면이 작은 부위로 인한 것으로, 단면 확대가 필요하다.
특히 차량의 총 중량이 무거울수록 주행 가능한 교량의 폭이 줄어들어 신속 출동을 요하는 소방차의 경우 큰 장애 요인이 될 수 있다. 최고 작업 높이 목표를 68m로 설정하였으며⁽³⁾, 작업 높이는 기립각 80도 및 굴절각 170도 이상인 상태에서 지면에서부터 바스켓 난간까지의 높이이다. 상세한 설계 사양과 관련항 유럽의 규정(EN1777:2010)에 준하여 실시하였으며⁽¹¹⁾, 붐(boom) 장치와 관련하여, 붐의 형식은 텔레스코픽 직진식 붐과 텔레스코픽 JIB 붐이 조합된 복합식으로, 바스켓 지지대(support)는 기립식으로 용량 270kg 이상으로 정하였고, 직진 붐 6단 및 JIB 붐 2단으로 설정하였다.

후속연구

(4) 또한 복합 굴절차에 대한 구조 해석을 통한 안전성을 검증할 수 있는 수치해석 툴의 확립으로 향후 소방용 굴절차의 성능 평가의 신뢰성을 확보할 수 있는 기술 축척과 소방차의 검수에 필요한 자료를 제공할 수 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고층용 소방차량 관련 개발 동향은 어떠한가?	이러한 고층용 소방차량 관련 개발 동향을 정리하면 다음과 같다(3). 먼저 중국의 경우 신도시를 기반으로 경제 성장이 이루지고 있는 가운데, 국제화에 맞추어 100m 급 장비 도입이 이루어져 초고층 건물에 대한 보호를 하고 있으나 모두 수입품으로 대체하고 있고, 유럽의 경우 유럽 내 생산 제품으로 초고층 건축물에 대해 보호하고 있고 각종 규정 등을 이유로 외국산 장비의 도입이 어려우며, 유럽 내 제품에 대해서는 활발히 유통되고 있다. 동남아 국가들에 대해서도 초고층 건물에 대한 보호책으로 유럽산 제품을 수입하여 보급하고 있는 실정이며, 국내의 일부 소방차 제작사들은 초고층 장비를 개발하여 내수 및 수출을 하고자 하지만 개발 비용 및 개발된 신제품에 대한 수요 등에 대한 확신이 서지 않아 개발과 투자에 대해 주저하고 있는 실정이며, 외국산 장비를 수입하려 하더라도 많은 제품들이 국내 기준(차량 길이 13m)에 부적합한 현실이다(3).
	현재 고층 빌딩용 구조 장비는 어떤 한계를 가지는가?	최근 급격한 경제 성장과 더불어 신도시 아파트, 주상복합 및 업무용 건축물 등 초고층 빌딩이 많이 건설되고 있고, 국제화에 맞춘 각 지방 자치 단체의 빈번한 국제 행사 개최에 따른 대형 행사장 및 고층 건물에 대한 수요가 꾸준히 증가하고 있다. 하지만 고층 빌딩용 구조 장비에 대해서는 현재 높이 52m 급 까지만 보급되어 있어 20층 이상의 초고층 빌딩에서 발생되는 화재 또는 구조 활동 등 긴급 상황에 대한 적절한 대비책을 강구하기 어려워 사각 지대가 발생하고 있다(1,2).
	복합 굴절 사다리차는 어떻게 구성되는가?	Fig. 2와 같이 복합 굴절 사다리차는 모두 6단으로 구성된 붐과 2단으로 구성된 굴절식 붐, 이를 차량에 장착하고 작동을 위한 Turn table, 상부와 하부 구조물 및 실린더 등으로 구성되어 있다. Fig.

참고문헌 (11)

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Ko, J. C., Park, Y. S., and Kang, I. S., 2011, NX 7.5 CAE Bible [NX Nastran], Onsia, Korea.
BSI, 2010, EN1777:2010, Hydraulic Platforms(HPs) for Fire Fighting and Rescue Services- Safety Requirements and Testing, BSI Standards Publication.

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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