[논문]파이프 서포트의 좌굴특성에 대한 지지조건의 영향

이진섭; 이연수; 오태근

doi:10.14346/jkosos.2015.30.2.41

파이프 서포트의 좌굴특성에 대한 지지조건의 영향
Effect of Boundary Condition on Buckling Characteristics of Pipe Supports 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.30 no.2, 2015년, pp.41 - 47

이진섭 (인천대학교 안전공학과) , 이연수 (인천대학교 안전공학과) , 오태근 (인천대학교 안전공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, a lot more disasters in the temporary structures happen because the stabilities of the temporary structures are disregarded by the reduction of the unit cost, using defective materials, the existing materials and so on. Pipe supports, which are one of the temporary structures, are basically used for the most constructing works such as buildings, bridges, plants and so on. In the most sites, adequate support installations of the pipe supports have not been performed although the presence of the guideline legally and institutionally. In this study, therefore, the collapse accidents of the pipe supports were investigated on the basis of theoretical analysis as well as the buckling tests by simulating the site support condition. Both the theocratical analysis and test results show that the buckling load in the fixed ends is at least 4 times larger than one in the pinned ends. This results will be utilized for safety assurance as well as accident prevention the in the field application.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 국내 건설현장에서 가장 흔히 사용하고 있는 4 m 파이프 서포트를 대상으로 상ㆍ하부지지 조건 변화에 따른 허용응력의 변화를 분석하였다. 또한, 경계조건에 따른 좌굴하중 값을 조사ㆍ제시함으로써 설계와 사용상의 안전성을 도모하고 궁극적으로 동종사고 예방에 도움이 되고자 한다.
이번 연구에서는 동바리 주요 사고 원인을 조사ㆍ분석하고 가장 문제가 되는 동바리 설치 현장에서의 발생 가능한 경계조건에 따른 파이프 서포트의 좌굴 하중 변화를 분석하기 위해 압축 실험 및 이론적 해석을 병행하였다.
특히, 거푸집동바리 붕괴사고의 원인 중 양단부의 지지조건이 문제가 되고 있는 바⁴⁾ 본 연구에서는 국내 건설현장에서 가장 흔히 사용하고 있는 4 m 파이프 서포트를 대상으로 상ㆍ하부지지 조건 변화에 따른 허용응력의 변화를 분석하였다. 또한, 경계조건에 따른 좌굴하중 값을 조사ㆍ제시함으로써 설계와 사용상의 안전성을 도모하고 궁극적으로 동종사고 예방에 도움이 되고자 한다.

제안 방법

경계 조건에 따른 좌굴 하중의 오일러 값 및 유한요소 해석 값과 실험으로부터 계측한 좌굴 하중을 양단 경계 조건의 변화에 따라 비교하였다.
또한 양단 고정 조건을 연출하는데는 실험 시간이 과다하게 소요되는 등 여러가지 문제점이 도출되어 최대한 고정 조건에 근접하게 모사하기 위하여 Fig. 5(b)와 같이 파이프 서포트가 고정된 시험기 상ㆍ하단부 프레임에 일정 크기의 홈을 파고 서포트의 상부 받이판, 하부 바닥판에 끼워 삽입하는 방법을 이용했다. 즉, 두 가지 경계조건, 양단 힌지와 고정 조건을 이용하여 Fig.
본 연구에서는 사고유발요인 중 파이프 서포트의 상ㆍ하부 경계조건에 대한 유한요소해석 및 하중재하실험을 통해 좌굴하중 값의 변화를 이론적 및 실험적으로 검증 하였다.
앞서 오일러 식을 이용하여 이론적으로 구한 오일러 값과 비교를 위해 양단 경계조건 변화를 주어 유한요소해석을 수행하였다. 해석에 적용된 파이프 서포트의 모델 제원은 Table 2와 같다.
7에 나타내었다. 양단 고정 조건 및 양단 힌지 조건 각각의 조건에서 45회씩 실험을 수행하여 좌굴 하중 값을 계측하였다. 양단 경계 조건 실험의 경우 계측 횟수가 45회로 계측 데이터는 정규분포를 따른다고 가정할 수 있다.
우선, 상ㆍ하단 경계 조건 중 양단 힌지를 모사하기 위해서 Fig. 5(a)와 같이 건설현장의 실태를 반영하여 파이프 서포트의 상ㆍ하단에 목재를 못으로 연결하고 파이프 서포트에 끼워 고정하였다.
5(b)와 같이 파이프 서포트가 고정된 시험기 상ㆍ하단부 프레임에 일정 크기의 홈을 파고 서포트의 상부 받이판, 하부 바닥판에 끼워 삽입하는 방법을 이용했다. 즉, 두 가지 경계조건, 양단 힌지와 고정 조건을 이용하여 Fig. 6과 같이 파이프 서포트를 하중재하장치에 설치하여 좌굴 하중값을 측정하였다.
현장에서 일반적으로 사용되는 길이 4 m의 내관과 외관을 갖는 파이프 서포트를 모델로 하여 파이프 서포트의 양단 경계 조건 별 좌굴 하중을 계산하였다. 식 (5)에 제원을 대입하여 경계 조건 별로 좌굴 하중을 계산하여 그래프로 비교하면 Fig.

데이터처리

실험 결과 값의 분포 양상을 분석하기 위해 Table 4와 같이 표준편차를 이용하여 실험 데이터를 추가 분석하였다. 양단 고정 조건에서 μ-σ ~ μ+σ에 해당하는 실험 데이터 값은 29개로 전체 45개 데이터 중 64.
해석에 적용된 파이프 서포트의 모델 제원은 Table 2와 같다. 유한요소해석 결과는 오일러 식으로 구한 좌굴 하중 및 실제 실험으로 계측한 좌굴 하중 값과 비교 분석하였다.
유한요소해석을 통해 좌굴하중을 산출하기 위해 구조해석 범용프로그램인 MIDAS Civil 2012 Plus의 Buckling Analysis 기능을 이용하여 해석을 수행하였다.

성능/효과

6배 크게 나왔다. 따라서 현장에서는 산업안전보건기술기준에 관한 규칙에 의거하여 거푸집동바리의 양단 경계 조건을 완전히 고정시키는 것이 서포트의 내력을 훨씬 크게 증가시킬 수 있을 뿐 아니라 서포트의 전도 위험성을 배제할 수 있는 것을 알 수 있었다. 또한 현장에서 사용하는 파이프 서포트는 내관과 외관의 연결부가 핀 연결로 불완전하게 체결되어 좌굴 하중을 더 감소시킬 수 있는 요인이 있으므로 거푸집동바리 구조계산시 이와같은 점을 고려하도록 하고, 그에 따른 조립도를 작성, 시공하는 것이 바람직하다.
이는 실험 구성시 양단 경계조건이 오일러 해석과 같이 이상적으로 동바리가 설치되지 않은 것이 원인으로 사료된다. 또한 양단 고정 조건이 양단 힌지 조건에 비해 4.6배 크게 도출되어 동바리의 양단 경계 조건을 완전 고정으로 하면 좌굴 하중에 상당히 유리함을 알 수 있었다.
6명의 재해자가 발생되었다. 또한, 이와 같은 사고는 일단 발생하게 되면 인적 손실과 더불어 물적 피해와 그에 따른 복구의 어려움으로 공기지연 등 경제적 손실이 매우 큰 것이 특징으로 나타났다.
양단 경계 조건을 고려한 좌굴 하중 해석 결과를 오일러 값으로 구한 좌굴 하중과 비교하여 Table 3에 나타내었다. 먼저, 양단 고정 조건을 살펴보면, 오일러 값의 경우 5648.4 kgf, 유한요소 해석 값의 경우 5834 kgf으로 유한요소 해석 값이 약 3.2% 크게 나왔다. 반면, 양단 힌지 조건에서는 오일러 값이 1412.
현장에서는 양단 고정 조건으로 파이프 서포트를 설치하는 것을 원칙으로 하고 있으나 사고 사례 분석에서 알 수 있듯이 대부분의 현장에서 파이프 서포트 설치시 양단을 고정하고 설치하지 않는 실정이다. 본 연구 결과에서 보듯이 양단 고정 조건의 계측 좌굴 하중이 양단 힌지 조건에서의 좌굴 하중에 비해 약 4.6배 크게 나왔다. 따라서 현장에서는 산업안전보건기술기준에 관한 규칙에 의거하여 거푸집동바리의 양단 경계 조건을 완전히 고정시키는 것이 서포트의 내력을 훨씬 크게 증가시킬 수 있을 뿐 아니라 서포트의 전도 위험성을 배제할 수 있는 것을 알 수 있었다.
양단 경계 조건의 변화에 따른 실험 결과를 살펴보면, 양단 고정 조건에서는 계측한 실험 데이터의 평균값이 유한요소 해석 값 및 오일러 값에 비해 각각 약 20.5% 및 17.9% 작게 도출되었으며, 양단 힌지 조건에서는 약 28% 정도의 오차로 계측되었다. 이는 실험 구성시 양단 경계조건이 오일러 해석과 같이 이상적으로 동바리가 설치되지 않은 것이 원인으로 사료된다.
5 kgf으로 계산되었다. 양단 고정 조건에 비해 양단 힌지 조건의 표준편차가 10.8% 수준으로 대부분의 실험 값이 평균 값 부근에서 계측되었다. 반면, 양단 고정 조건에서는 상대적으로 표준편차가 크게 도출되었는데, 이는 실험 조건에서 대형압축굴곡 실험 장비의 상ㆍ하부 프레임에 홈을 파고 파이프 서포트의 받이판과 바닥판을 삽입 고정한 것이 다소 유격이 있어 실험 때마다 완벽한 고정이 안된 것과 하중재하의 편차 등에 의해 상대적으로 변수가 발생한 것으로 사료 된다.
양단 고정 조건에서 실험 결과 값의 평균(μ)은 4,636.4 kgf이었으며, 양단 힌지 조건에서는 평균 값이 1,009.7 kgf으로 계산되었다.
다음으로 Table 5에서 실험 값을 오일러 값 및 유한요소 해석 값과 비교하였다. 양단 고정 조건에서는 실험 값이 유한요소 해석 값에 비해 약 20.5%, 오일러 값에 비해 약 17.9% 작게 측정되었다. 이는 내관과 외관의 연결부가 핀으로 연결되어 완전한 체결이 어렵고, 양단 경계 조건이 완벽하게 고정되지 않은 것이 원인으로 사료된다.
08% 크게 산출되었다. 오일러 값과 유한요소 해석 값의 비교 결과 양단 힌지 조건에서 오차가 작은 것으로 보아 유한요소해석 결과에서 양단 힌지 조건을 좀 더 정확히 산출한 것을 알 수 있다.

후속연구

본 연구에서 도출된 결과는 안전관리자 등 관계자에게 향후 건설현장에서 거푸집동바리 설치시 안전성이 확보된 올바른 설치방법으로 활용되는데 필요한 자료가 될 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	거푸집동바리 붕괴재해의 원인은?	거푸집동바리 붕괴재해는 공사현장에서 거푸집동바리가 가설공사라는 안이한 생각으로 경험에 의존하여 작업할 뿐만 아니라 품질과 안전에 대한 인식부족, 시공 방법에 대한 이해부족, 거푸집의 설치방법에 따른 구조적인 해석능력의 부족 등에 기인하고 있다2), 미국의 경우도 Hadripriono와 Wang의 보고 자료에 의하면 1961년부터 1982년까지 22년 동안 미국에서 일어났던 85개의 거푸집 붕괴의 원인을 조사 하였는데 72%이상이 콘크리트 타설 중에 발생하였다고 한다3).
	2013년 한국의 산업재해로 인한 피해 현황은?	우리나라에서 2013년 한 해 동안 발생한 산업재해는 재해자 91,824명, 사망자 1,929명 이였으며 이로 인하여 발생된 직접손실액은 3,795,434만원이고 직․간접 손실을 포함한 경제적 손실액의 추정액은 18,977,170백만원으로 나타났다. 전 산업에 종사하는 근로자 중 건설업 근로자수는 2,566,832명이고 재해자수는 23,600명, 사망자수는 567명으로 전 산업 재해자 및 사망자 대비 25.
	건설업 근로자수와 재해자수, 사망자수 및 전체 산업재해 중, 건설업 관련 재해의 재해자와 사망자 비율은?	우리나라에서 2013년 한 해 동안 발생한 산업재해는 재해자 91,824명, 사망자 1,929명 이였으며 이로 인하여 발생된 직접손실액은 3,795,434만원이고 직․간접 손실을 포함한 경제적 손실액의 추정액은 18,977,170백만원으로 나타났다. 전 산업에 종사하는 근로자 중 건설업 근로자수는 2,566,832명이고 재해자수는 23,600명, 사망자수는 567명으로 전 산업 재해자 및 사망자 대비 25.7%, 29.4%를 각각 점유하고 있다1).

참고문헌 (10)

Ministry of Employment and Labor, Current Status of the Industrial Accident, 2014.
H.S. Kim and Y. K. Yeo, "The Evaluation of the Safety of Formwork System Considering the Continuous Collapse", Industrial Scientific Research, Vol. 18, No. 1, pp. 197-204, 2000.
F. C. Hadripriono and H. K. Wang, "Analysis of Cause of Falsework Failures in Concrete Structures", Journal of Construction Engineering and Management, Vol. 112, No. 1, pp.112-121, 1986.

상세보기
Y. O. Lee and S. J. Choi, "A Proposed method of the Strength Calculation of Pipe Support", Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 16, No. 1, pp. 59-64, 2001.
H. S. Kim, "The Study on the Collapse Cause Analysis of the Shore System because of the Design and Construction Deficiencies", Industrial Scientific Research, Vol. 21, No. 2, pp. 213-220, 2004.
KOSHA, "The Structural Stability of the Shore", Regulation Guideline, 2003.
Ministry of Land, Infrastructure and Transport, "The Standard Specification of Temporary Structure (Design)", 2014.
A. P. Boresi and R. J. Schmidt, "Advanced mechanics of Materials", John Wiley & Sons, Inc., New York, 1993.
S. W. Baek and I. Y. Song, "A Study on the Buckling Characteristics of Pipe Support(V6)", Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 26, No. 3, pp. 59-62, 2011.
KOSHA, "The Study on the Resisting Force of Pipe Support", Research Report, 1999.

저자의 다른 논문 :

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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