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문제 정의
- 본 연구에서는 시공성 향상을 위해 개발된 슬라이딩스텝 조립식 계단을 구성하는 부재의 최적 크기를 결정하고, 실물 대목업 실험을 통해 계단의 진동특성 규명, 진동성능 평가 및 재하실험을 통한 스트링거와 계단참에 매립된 연결재의 안전성능을 검증하고자 하였다. 본 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 진동을 최소화하면서 안전성이 확보된 슬라이딩스텝 철골계단의 계단 부재 형상을 도출하고, 실물대 목업 실험을 통해 진동성능 및 안전성을 검증하는 것을 목표로 하였다.
제안 방법
- AISC 사용성 기준의 경우 계단에 대한 명확한 기준이 없음에도 불구하고 진동 사용성 평가를 목적으로 가장 빈번하게 사용되는 기준이기 때문에, 본 기준을 통해 사용성 평가를 수행하였다. 본 연구에서는 Bishop, N.
- 재하실험을 통해 설계하중 및 설계하중의 160%의 하중에 대한 스트링거의 최대처짐 및 스트링거 연결재 단부 콘크리트 매립정착부의 변형률을 측정하였으며, 하중 제거 후 잔류 처짐을 측정하였다. Fig. 4와 같이 실험체 세트 중 주거용 계단은 아래층에 설치된 R-□150x100x4.5-NF, 사무용 계단은 O-□150x100x4.5-F를 대상으로 하중을 재하하였으며, 스트링거 중앙부 처짐 및 하중 제거 후 잔류변형을 측정하기 위해 각 스트링거 하부면에 변위계(LVDT) 설치한 후 계단 중앙부의 수직변위를 측정하였다. 또한 주거용에 비해 많은 하중이 가해지는 사무용 계단에 매립된 스트링거 연결 재 정착부의 변형률을 측정하였으며 하중을 설계하중의 160%까지 점진적으로 재하했을때 연결재의 변형률이 항복 수준에 도달하는가의 여부를 통해 매립 정착부의 안전성을 확인하였다.
- 8). 가속도계는 응답이 가장 클 것으로 예상되는 계단 스트링거의 중앙부 하단에 부착하였으며, 임팩트해머를 통해 계단 스트링거 중앙 하단부를 가력하여 동적 특성을 규명하기 위한 데이터를 수집하였다. 각 계단 별로 총 세 차례 가력한 후, 여기서 얻은 주파수 응답함수의 평균을 취하여 최종 주파수응답함수를 얻었다.
- 가속도계는 응답이 가장 클 것으로 예상되는 계단 스트링거의 중앙부 하단에 부착하였으며, 임팩트해머를 통해 계단 스트링거 중앙 하단부를 가력하여 동적 특성을 규명하기 위한 데이터를 수집하였다. 각 계단 별로 총 세 차례 가력한 후, 여기서 얻은 주파수 응답함수의 평균을 취하여 최종 주파수응답함수를 얻었다. 계단의 동적 특성인 고유진동수와 감쇠비를 산정하기 위한 기법으로 로그감쇠율법(Logarithmic decrement method)을 사용하였다[1].
- Table 1은 실험세트에 대한 정보를 요약한 것이다. 계단의 용도에 따라 스트링거의 길이가 다르므로 주거용계단과 사무용계단을 구분하여 설치하였으며, 우선 주거용 두 개, 사무용 한 개의 계단에 대해 진동평가를 실시한 후, 계단 스트링거를 해제, 다른 주거용 두 개, 사무용 두 개의 계단을 거치하여 재차 측정을 실시하였다(Fig. 3참조). 주거용계단은 2366mm의 스트링거 두 개가 계단참에 의해 연결되어있고, 사무용계단은 3638mm의 스트링거 하나로 구성되어 있다.
- 12는 본 실험을 통해 얻은 상행과 하행 간 최대응답 가속도의 평균값을 비교한 그래프로, 분석 결과 두 경우 간 유의미한 차이는 발견되지 않았다. 따라서 본 계단의 진동성능을 평가하기 위해 상행과 하행을 따로 구분하지 않고 정상 보행 및 속보에 대한 최대값의 평균을 산정하여 이를 진동성능 평가지표로 활용하였다.
- 5-F를 대상으로 하중을 재하하였으며, 스트링거 중앙부 처짐 및 하중 제거 후 잔류변형을 측정하기 위해 각 스트링거 하부면에 변위계(LVDT) 설치한 후 계단 중앙부의 수직변위를 측정하였다. 또한 주거용에 비해 많은 하중이 가해지는 사무용 계단에 매립된 스트링거 연결 재 정착부의 변형률을 측정하였으며 하중을 설계하중의 160%까지 점진적으로 재하했을때 연결재의 변형률이 항복 수준에 도달하는가의 여부를 통해 매립 정착부의 안전성을 확인하였다.
- 본 평가에서는 다양한 연령 및 체중 조건을 반영하기 위해 20-50대의 다양한 연령대와 68-80kgf의 체중에 이르는 실험자를 표본으로 산정하였으며, 선정된 총 7인의 실험 참가자들이 각각 1인 정상보행(상행 및 하행)과 속보(상행 및 하행)를 통해 계단을 가진하도록 하였다. Table 6은 보행실험 참가자들의 연령, 신장 및 체중을 요약한 것이다.
- 86mm의 미만으로 처짐제한의 1/10수준에 그 치는 등 극히 미미하기 때문에 사용성에 문제가 없는 것으로 확인되었다. 안전성 검토를 위해 설계하중의 160% 수준인 17kN을 재하하였다. 총 하중이 재하될 때까지 스트링거는 탄성상태를 유지하였기 때문에 설계하중을 지지할 수 있는 충분한 내력을 보유한 것으로 평가된다.
- 위 사항에 비추어 봤을 때 본 평가의 대상이 되는 계단의 경우는 거주자가 장시간 거주하는 공간이 아니며, 현재 주거용 및 사무용 계단이 실제로는 활발한 통과공간으로 사용되지 않기 때문에 반대편으로부터 오는 보행자에 의한 보행 멈춤 현상이 거의 일어나지 않는다는 점, 거주 및 건물을 이용 하는 거주자 중 고령자의 경우 계단보다는 엘리베이터나 에스컬레이터 등 여타 승강장비의 이용을 선호한다는 점, 일반적으로 폐쇄 공간인 계단실의 경우 여타 부동의 구조물이 존재하지 않기 때문에 진동에 대해 더 민감해질 여지가 없다는 점 및 평가대상이 단순통과공간인 점을 감안하여 실외 보도교(Outdoor footbridges)의 기준을 적용하였다.
- RMS응답가속도를 얻기 위한 시간은 통상 1초를 택하나, 택하는 구간의 시점과 종점에 따라 비보수적인 응답계수가 얻어진다. 이에 본 평가에서는 보수적인 평가를 위해 최대응답가속도가 나타나는 걸음과 그 전후 걸음을 포함한 세 걸음을 대상으로 응답계수를 산정하였다.
- 임팩트해머 테스트를 실시하여 계단의 동적 특성인 고유 진동수 및 감쇠비를 측정하였다(Fig. 8). 가속도계는 응답이 가장 클 것으로 예상되는 계단 스트링거의 중앙부 하단에 부착하였으며, 임팩트해머를 통해 계단 스트링거 중앙 하단부를 가력하여 동적 특성을 규명하기 위한 데이터를 수집하였다.
- 재하실험을 통해 설계하중 및 설계하중의 160%의 하중에 대한 스트링거의 최대처짐 및 스트링거 연결재 단부 콘크리트 매립정착부의 변형률을 측정하였으며, 하중 제거 후 잔류 처짐을 측정하였다. Fig.
- 88≒8) 설계하중의 160%에 해당하는 하중을 재하하였다. 점진적 재하를 위해 총 재하 하중을 8회에 나누어 재하하였으며, 최대처짐은 재하 후 네 시간 후에, 잔류처짐은 하중 제거 후 한 시간 후에 계측을 실시하였다.
- 55kN이다. 즉 계 단판 하나 당 여덟 개의 모래 주머니를 재하하여(1.546kN/0.196kN=7.88≒8) 설계하중의 160%에 해당하는 하중을 재하하였다. 점진적 재하를 위해 총 재하 하중을 8회에 나누어 재하하였으며, 최대처짐은 재하 후 네 시간 후에, 잔류처짐은 하중 제거 후 한 시간 후에 계측을 실시하였다.
대상 데이터
- 하지만 일반적으로 사용성에 대한 처짐하중으로써 설계하중에 대해 Δ≤l/360이 요구되며, 여기서 Δ와 l은 각각 처짐과 경간을 나타낸다. 이에 따라 본 실험체의 경우 주거용, 사무용 계단의 처짐제한은 각각 7.64mm, 10.86mm이다.
- 총 7개의 실험세트는 스트링거의 크기 및 콘크리트의 채움 여부에 따라 주거용계단 4개, 사무용계단 3개로 구성되어있다. Table 1은 실험세트에 대한 정보를 요약한 것이다.
- 0kN/m2을 적용하였으며, 주거용과 사무용 계단에 가할 설계하중을 Table 3에 정리하였다. 하중으로는 개당 20kgf(=0.196kN)의 모래주머니를 이용하였다. 계단판 면적은 0.
데이터처리
- 각 시간이력은 가속도계를 이용하여 계측하였으며, FFT 분석기를 통해 데이터들을 수집 및 분석하였다.
- 본 계단의 경우 ‘계단-작은 하중(사무실)’ 기준을 준용하여 응답계수 R=32를 기준으로 계단의 진동성능을 평가하였다.
- SCI-P354는 현재 계단의 진동성능평가와 관련한 거의 유일한 기술지침이다. 실험결과로부터 식(1)을 통해 계산한 RMS 응답가속도를 바탕으로 SCI-P354를 적용하여 진동성능을 평가하였다. RMS응답가속도를 얻기 위한 시간은 통상 1초를 택하나, 택하는 구간의 시점과 종점에 따라 비보수적인 응답계수가 얻어진다.
이론/모형
- 각 계단 별로 총 세 차례 가력한 후, 여기서 얻은 주파수 응답함수의 평균을 취하여 최종 주파수응답함수를 얻었다. 계단의 동적 특성인 고유진동수와 감쇠비를 산정하기 위한 기법으로 로그감쇠율법(Logarithmic decrement method)을 사용하였다[1].
- AISC 사용성 기준의 경우 계단에 대한 명확한 기준이 없음에도 불구하고 진동 사용성 평가를 목적으로 가장 빈번하게 사용되는 기준이기 때문에, 본 기준을 통해 사용성 평가를 수행하였다. 본 연구에서는 Bishop, N. W. M. et al. (1995)이 제안한 계단 성능 평가 시 참고해야 할 아래 세 가지 사항을 감안하여 평가를 위한 기준점을 선정하였다.
- 슬라이딩스텝 철골 계단의 진동성능을 평가하기 위하여 미국 강구조학회(AISC, American Institute of Steel Construction)의 지침서 AISC Design Guide #11 (Murray, et al., 1997)에서 제시한 방법과 영국 강구조학회(SCI, Steel Construction Institute)의 기술자료 SCI-P354(Smith, et al., 2007)에서 제시한 방법을 적용하였다[5],[6].
성능/효과
- (1) 주거용 계단의 경우, 설계하중 6.762kN에 의한 처짐은 0.32mm발생했으며, 이는 사용성 확보를 위한 처짐제한인 7.64mm의 미만으로 처짐제한의 1/20 수준에 그치는 등 극히 미미하기 때문에 사용성에 문제가 없는 것으로 확인되었다. 안전성 검토를 위해 설계하중의 160% 수준인 10.
- (2) 사무용 계단의 경우 설계하중 10.626kN에 의한 처짐은 1.06mm발생했으며, 이는 사용성 확보를 위한 처짐제한인 10.86mm의 미만으로 처짐제한의 1/10수준에 그 치는 등 극히 미미하기 때문에 사용성에 문제가 없는 것으로 확인되었다. 안전성 검토를 위해 설계하중의 160% 수준인 17kN을 재하하였다.
- (3) 재하실험 결과 스트링거 연결재 매립부는 160% 수준의 설계하중에 대해서 최대변형률이 항복변형률의 1/3수준에 미치는 등 항복하지 않은 채 탄성상태를 유지하였다. 또한 재하실험 후에도 접합부에서 어떠한 균열이나 이상이 발견되지 않았다.
- (4) 주거용 계단의 경우, R-□125x75x4.5-F, R-□150x100x4.5-F, R-□150x100x4.5-NF의 경우 북미기준과 유럽기준의 사용성 기준을 모두 만족함을 확인하였다. 해당 계단의 고유진동수는 각각 31.
- (5) 사무용 계단의 경우, O-□150x100x4.5-F, O-□200x100x4.5-NF의 경우 북미기준 과 유럽기준을 모두 만족함을 확인하였다. 해당 계단의 고유진동수는 각각 22Hz와 24.
- 감쇠비는 2-4% 수준으로 주거용 계단과 마찬가지로 AISC나 SCI에서 일반적인 철골 구조물 설계 시에 사용하는 감쇠비인 1%와 0.5%를 상회함을 확인하였다.
- 또한 재하실험 후에도 접합부에서 어떠한 균열이나 이상이 발견되지 않았다. 따라서 본 스트링거 연결재의 매립부는 구조설계상 요구되는 설계하중을 지지할 수 있는 안전성을 확보한 것으로 평가된다.
- 스트링거 연결재 매립부는 160% 수준의 설계하중에 대해서 항복하지 않은 채 탄성상태를 유지하였으며, 실제로 재하실험 이후 접합부에서 어떠한 균열 등이 발견되지 않았다. 따라서 본 연결재의 매립부는 구조설계상 요구되는 설계하중을 지지할 수 있는 안전성을 확보한 것으로 평가된다.
- 64mm(Δallow) 미만으로 처짐제한의 1/20수준에 그치는 등 극히 미미하기 때문에 사용성에 문제가 없는 것으로 확인되었다. 또한 안전성 검토를 위해 설계하중의 160%수준인 10.819kN을 재하한 결과 총 하중이 재하될 때까지 스트링거는 탄성상태를 유지하였기에 설계하중을 지지할 수 있는 충분한 내력을 보유한 것으로 평가된다.
- 86mm(Δallow) 미만으로 처짐제한의 1/10수준에 그치는 등 극히 미미하기 때문에 사용성에 문제가 없는 것으로 확인되었다. 또한 안전성 검토를 위해 설계하중의 160%수준인 17kN을 재하한 결과 총 하중이 재하될 때까지 스트링거는 탄성상태를 유지하였기에 설계하중을 지지할 수 있는 충분한 내력을 보유한 것으로 평가된다. 주거용 및 사무용 계단의 잔류처짐, 설계하중에 의한 처짐 및 허용처짐 산정값을 Table 4에 정리하였다.
- 5-NF 계단이 AISC의 실외 보도교 기준에 만족하였다. 사무용 계단의 경우에는 O-□200x100x4.5-F와 O-□200x100x4.5-NF가 AISC 의 실외 보도교 기준에 만족하는 것으로 평가되었다.
- 주거용계단은 2366mm의 스트링거 두 개가 계단참에 의해 연결되어있고, 사무용계단은 3638mm의 스트링거 하나로 구성되어 있다. 스트링거 및 계단판은 일반 구조용 강재 SS400을 사용하여 400MPa의 인장강도를 가지며 콘크리트는 26.16MPa의 재령 28일 강도를 가짐을 확인하였다.
- 실험체 O-□150x100x4.5-F와 □200x100x4.5 강재를 사용한 두 실험체 O-□200x100x4.5-F 및 O-□200x100 x4.5-NF 모두 보행하중으로 인한 공진 발생여부의 분기점으로 여겨지는 10Hz를 상회하는 16Hz 및 22Hz의 진동모드가 관찰되었으며, 이 경우 보행 가진으로 인한 공진현상이 일어나지 않는다고 판단된다. Fig.
- 사무용 계단 역시 가진에 의한 공진이 관측되지 않았다. 전반적으로 스트링거에 콘크리트를 채운 경우가 채우지 않은 경우에 비해 좋은 진동성능을 보이고 있으며, 스트링거 부재의 크기가 큰 실험체가 작은 실험체에 비해 더 나은 진동 성능을 보임을 확인하였다. 또한, 실험 참가자 중 어느 누구도 보행진동에 따른 불쾌감이나 불안감을 보고하지 않았다.
- 5는 주거용과 사무용 계단에서 설계하중과 설계하중의 160%에 대한 재하실험을 통한 처짐을 도시한 것이다. 점진적 재하를 통해 총 재하 하중이 설계하중의 160%에 도달하더라도 중앙부의 변형이 선형성을 띄는 등 탄성상태를 유지하고 있으며, 점진적 하중 제거 시 다시 원상태로 돌아옴을 확인할 수 있다. 주거용과 사무용 계단의 경우 각각 0.
- 주파수 분석 결과, 모든 실험체에서 공통적으로 가진 보행진동수인 2Hz나 그 정수배의 대역에서 직접적인 가진으로 인한 응답성분이 관측되는데, 이는 계단의 고유진동수 부근에 비해 극히 미미한 수준으로써 가진에 의한 공진이 일어나지 않음을 확인할 수 있다. 주거용 계단 실험체에서 실시한 1인 정상보행(상행 및 하행) 실험결과 얻어진 응답의 시간 이력과 주파수 분석 결과는 Fig.
- 측단부의 경우 연단부 및 45° 방향에 비해 상대적으로 큰 변형이 관측되나 160%의 설계하중이 재하된 시점의 최대변형률이 항복변형률의 1/3수준에 미치는 것으로 나타났다.
- 5-NF의 경우 북미기준 과 유럽기준을 모두 만족함을 확인하였다. 해당 계단의 고유진동수는 각각 22Hz와 24.25Hz로 공진 가능성이 제기될 수 있는 저진동수 바닥의 고유진동수 분기점인 10Hz를 상회하며, 감쇠비는 각각 3.21%와 4.05%로 북미기준과 유럽 기준에서 계단 설계 시 사용하도록 권장하는 감쇠비인 1%와 0.5%를 3-8배 가량 상회하는 등 우수한 진동성능을 발휘함을 확인하였다.
- 5-NF의 경우 북미기준과 유럽기준의 사용성 기준을 모두 만족함을 확인하였다. 해당 계단의 고유진동수는 각각 31.5, 32, 30.8Hz로 공진 가능성이 제기될 수 있는 저진동수 바닥의 고유 진동수 분기점인 10Hz를 크게 상회하며, 감쇠비는 각각 3.50, 3.85, 2.30%로 북미기준과 유럽기준에서 계단 설계 시 사용하도록 권장하는 감쇠비인 1%와 0.5%를 2-7배 가량 상회하는 등 우수한 진동성능을 발휘함을 확인하였다.
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