[논문]단관 파이프의 좌굴특성에 대한 수평연결재 및 기울기의 영향

이진섭; 이연수; 오태근

doi:10.14346/jkosos.2015.30.2.48

단관 파이프의 좌굴특성에 대한 수평연결재 및 기울기의 영향
Effect of Horizontal Connection and Slope on Buckling Characteristics of Single Pipe 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.30 no.2, 2015년, pp.48 - 55

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

Abstract ▼ AI-Helper

The number of collapse accidents relevant to form support since 2003 is 30 on the basis of statistical data from Ministry of Employment and Labor,. Total number of casualty was 138 (47 for deaths and 91 for injuries). The accident severity rate was high because the 4.6 casualties per one accident were occurred averagely although the incident rate was relatively low. Especially, one of form support members, the pipe supports have not been equipped adequately so that the accidents could have happened. In this regard, this study performed buckling test related to the effect of horizontal connection and slope in the single pipe which is one of typical pipe supports. The buckling load, which was estimated from the single pipe with the horizontal connectors theoretically and experimentally, was increased as more than 2 times compared to the buckling load obtained from the pipe supports without the connector. The buckling load was reduced as more than 26%, 34% slope of the single pipe comparing with 5% and 10% slope, respectively. Thus, the purpose of this study is to provide the guideline for installation and the maintenance of the pipe supports legally and institutionally to prevent the collapse accidents of the pipe supports.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기본적으로 가장 많이 사용하는 거푸집 동바리 구조물에 대하여 현재 법령은 제도적으로 어느정도 그 시공에 대한 가이드라인을 제시하고 있으나 국내 현장에서는 아직 여러 가지 이유로 안전성을 고려한 적절한 시공이 이루어지지 않아서 종종 대형사고가 발생되고 있다³⁾ . 따라서 본 연구에서는 그동안에 발생된 동바리 붕괴(무너짐) 사고의 주요 원인들 중 동바리 설치시의 기울임, 수평연결재의 미사용 등의 취약 요소에 대해서 실제 현장에서 시공되는 동바리의 설치 상태를 최대한 근접 연출, 좌굴실험을 실시하여 그 영향을 분석하였다.
본 절에서는 단관 파이프에 수평 연결재를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우의 좌굴 하중을 비교하여 수평 연결재의 효과를 실험적으로 검증하였다. Table 1과 같은 제원의 수평연결재를 사용, 설치하여 실험을 수행하였고 설치 방법은 Fig.
수평 연결재 설치 여부에 따른 좌굴 하중을 알아봄에 있어 시중에서 판매되고 있는 파이프 서포트의 내관과 외관의 연결 조건이 향후 실험을 실시하여 그 값과 비교하는데 다소 문제점이 대두될 것을 고려하여 그와 같은 변수를 배제하기 위하여 별도 제작한 단관 파이프를 적용하는 것으로 하였다. 또한 동바리 상ㆍ하부 경계 조건에서의 변수를 최소화하기 위해 양단 경계 조건을 고정 조건으로 하여 실험을 수행하게 됨에 따라 Fig.
이번 연구에서는 동바리 설치 현장에서의 문제가 되는 수평연결재의 미설치 및 동바리의 기울기에 대한 파이프 서포트의 좌굴 하중 변화를 분석하기 위해 이론적 해석, 유한요소해석, 압축 실험을 수행하였다.

가설 설정

수평 연결재를 설치한 부분은 단관 파이프의 중앙부인 2 m 높이 지점이며 횡변위를 구속하였다. 수평 연결재 실험에서는 각 경우별로 30회씩 데이터를 획득하여 정규분포로 가정하였다. 단관 파이프에 수평 연결재를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우의 좌굴 하중 실험 값을 Fig.
또한 수평연결재로 사용된 부재도 동일한 제원으로 사용하였으며 그 길이는 1 m로 하였다. 수평연결재의 설치 높이는 산업안전보건 관계 법령을 고려하여 지면으로부터 높이 2 m 지점에 설치한 것으로 가정하였다.

제안 방법

단관 파이프의 설치 기울기 케이스는 Fig. 8과 같이 수직 설치, 5% 기울기, 10% 기울기의 총 세 가지로 하여 실험을 수행하였다. 기울기 5%는 상부 고정단이 하부 고정단에 비해 20 cm 정도의 초기 변위를 형성시킨 것으로 현장에서 동바리 설치 시 기울기를 고려하지 않은 상태를 적절히 반영한 것이라 볼 수 있다.
둘째, 동바리를 기울여 설치할 경우의 좌굴 하중 감소 효과를 살펴보고자 다양한 기울기에 대한 거푸집 동바리에 대한 압축강도시험을 실시하였다.
수평 연결재 설치 여부에 따른 좌굴 하중을 알아봄에 있어 시중에서 판매되고 있는 파이프 서포트의 내관과 외관의 연결 조건이 향후 실험을 실시하여 그 값과 비교하는데 다소 문제점이 대두될 것을 고려하여 그와 같은 변수를 배제하기 위하여 별도 제작한 단관 파이프를 적용하는 것으로 하였다. 또한 동바리 상ㆍ하부 경계 조건에서의 변수를 최소화하기 위해 양단 경계 조건을 고정 조건으로 하여 실험을 수행하게 됨에 따라 Fig. 3과 같이 유효 좌굴 길이 K=0.5로 하여 오일러 좌굴 하중을 계산하였다.
4와 같이 클램프를 이용하여 결속하였다. 또한 수평연결재의 좌굴저항능력을 뚜렷이 확인하기 위하여 단관 파이프의 상ㆍ하부는 양단 고정 경계 조건을 설정하여 Fig. 5와 같이 단관 파이프가 고정된 시험기 상ㆍ하단부 프레임에 일정 크기의 홈을 파고 서포트의 상부 받이판, 하부 바닥판에 끼워 삽입하였으며, 높이 2 m 지점의 수평 연결재 연결부는 힌지 조건을 구현하였다.
수평 연결재와 단관 파이프는 힌지로 연결하고, 파이프 양단은 고정 조건으로 모사하여 수평 연결재를 기준으로 상ㆍ하부의 기둥은 길이가 2 m이며, 일단 힌지 일단 고정 조건으로 구현하였다.
. 이번 연구에서는 사고유발요인 중 동바리 설치시의 수평연결재의 유무, 동바리 기울기의 변화에 대한 이론적 해석, 유한요소해석, 하중실험을 통해 좌굴하중 값의 변화를 검증하였다.
이번 절에서는 동바리의 설치 각도에 따른 좌굴 하중의 영향을 검토하기 위한 실험을 수행하고 결과를 분석하였다. 이번 실험에서도 현재 시중에서 기성품으로 판매되는 파이프 서포트는 내관과 외관의 연결부에서 좌굴 하중에 영향을 미치는 변수가 발생할 수 있으므로 앞서 수평 연결재 실험에 사용한 단관 파이프와 동일한 시편을 사용하였다.
좌굴시험은 (사)한국가설협회 파이프서포트 성능시험 기준에 따라 분당 30 mm로 가압판의 변위를 증가시켜 하중재하를 조절하였으며 더 이상의 하중증가를 보이지 않고 갑자기 파단하는 시점에서의 하중값을 좌굴하중값으로 설정하였다.
첫째, 수평 연결재의 유무에 따른 좌굴 하중 및 유효 좌굴 길이의 변화를 이론적 및 실험적으로 검증하였다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 단관 파이프의 제원은 Table 1과 같다. 또한 수평연결재로 사용된 부재도 동일한 제원으로 사용하였으며 그 길이는 1 m로 하였다. 수평연결재의 설치 높이는 산업안전보건 관계 법령을 고려하여 지면으로부터 높이 2 m 지점에 설치한 것으로 가정하였다.
이번 절에서는 동바리의 설치 각도에 따른 좌굴 하중의 영향을 검토하기 위한 실험을 수행하고 결과를 분석하였다. 이번 실험에서도 현재 시중에서 기성품으로 판매되는 파이프 서포트는 내관과 외관의 연결부에서 좌굴 하중에 영향을 미치는 변수가 발생할 수 있으므로 앞서 수평 연결재 실험에 사용한 단관 파이프와 동일한 시편을 사용하였다.

데이터처리

설치 기울기 실험에서는 각 케이스에 대해 각각 20회씩 데이터를 획득하였으며, 정규성 검증을 위해 실험 데이터를 Shapiro-Wilk normality test에 적용하였다. Table 6에서 보이듯이 95% 신뢰수준에서 모든 경우에서 p-value가 0.
유한요소해석을 통해 좌굴하중을 산출하기 위해 구조해석 범용프로그램인 MIDAS Civil 2012 Plus의 Buckling Analysis 기능을 이용하여 해석을 수행하였고 앞서 이론적으로 구한 오일러 값과의 비교분석을 수행하였다.

성능/효과

그 결과 수평 연결재를 설치한 경우와 설치하지 않은 경우의 오일러 좌굴 하중을 계산하여 비교하면 Table 2와 같이 수평 연결재를 미설치한 경우의 좌굴 하중은 4663 kgf이었고, 설치한 경우는 9517 kgf으로 설치한 경우가 미설치한 경우보다 2배 이상 하중을 더 받을 수 있는 것으로 나타났다.
둘째, 동바리의 설치 기울기를 고려한 실험에서 기울기 5% 정도에 좌굴 하중이 약 26%, 기울기 10% 정도에 좌굴하중이 약 34% 감소하는 것을 확인하였다. 대부분의 현장에서 동바리의 설치 시 수직도에 주의를 기울이지 않는데 본 연구에서 도출된 결과와 같이 작은 기울기 변화에도 좌굴 하중의 감소 폭은 커 현장에서 동바리 설치 시 주의가 필요할 것으로 판단된다.
10에 나타내었다. 동바리가 5%, 10%의 기울기로 설치된 경우 수직 설치된 경우보다 좌굴 하중이 각각 26%, 34% 감소한 것으로 상당한 좌굴 하중 감소 효과가 나타났음을 알 수 있다.
둘째, 동바리의 설치 기울기를 고려한 실험에서 기울기 5% 정도에 좌굴 하중이 약 26%, 기울기 10% 정도에 좌굴하중이 약 34% 감소하는 것을 확인하였다. 대부분의 현장에서 동바리의 설치 시 수직도에 주의를 기울이지 않는데 본 연구에서 도출된 결과와 같이 작은 기울기 변화에도 좌굴 하중의 감소 폭은 커 현장에서 동바리 설치 시 주의가 필요할 것으로 판단된다.
수평 연결재를 설치하지 않은 양단 고정일 경우 좌굴 하중 오일러 값은 4,663.4 kgf이고, 유한요소해석 값은 4,737 kgf으로 산출되어, 상대적으로 유한요소해석 값이 약 1.6% 크게 도출되었고, 수평연결재를 설치한 경우도 유한요소해석 값이 9,666 kgf, 오일러 값이 9,517.1 kgf으로 유한요소해석 값이 오일러 값보다 약 1.5% 크게 도출되는 일관성 있는 결과를 알 수 있었다.
3 kgf으로 크게 차이는 없었다. 유한요소해석 값 및 오일러 값과 실험값과의 비교 결과 와 계측 값의 표준편차 계산 결과를 살펴본 바와 같이 실험 준비 시 상ㆍ하단과 고정 조건이 완전히 강절 연결되지 못한 것과 수평 연결재의 연결부 조건이 서로 상이한 것에 기인할 수 있었다.
첫째, 수평 연결재 유무에 따른 실험 결과를 살펴보면, 수평 연결재를 설치할 경우 설치하지 않은 경우에 비해 2.2배의 좌굴 하중 증가 효과를 확인하였다. 즉, 현장에서 동바리 설치 시 수평 연결재를 설치하면 좌굴 하중에 매우 유리할 것으로 판단한다.
6에 나타내었다. 총 30회 실험을 수행하였으며, 수평 연결재를 설치하지 않은 경우의 평균 좌굴 하중은 Fig. 6 (c)와 같이 3,019.5 kgf으로 측정 되었고, 수평 연결재를 설치한 경우의 평균 좌굴 하중 은 6,702.6 kgf으로 측정되어 수평 연결재가 설치되지 않은 경우보다 약 2.2배 큰 것으로 나타나 수평 연결재의 좌굴 하중에 대한 영향이 매우 크게 나타난 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

즉, 현장에서 동바리 설치 시 수평 연결재를 설치하면 좌굴 하중에 매우 유리할 것으로 판단한다. 다만, 이 경우에도 실험 값이 유한요소해석 값에 비해 상당히 작게 나타나 동바리 상 하단 및 수평연결재 교차부의 경계조건을 고려하여 주의 깊게 설치해야 할 것으로 사료된다.
본 연구에서 도출된 거푸집 동바리의 좌굴 하중의 증가 및 감소요인에 대한 실험결과는 향후 건설안전에서 동종사고 예방을 위한 안전한 거푸집 동바리의 설치 및 시공에 대한 가이드라인이 될 수 있을 것으로 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	2003년부터 2014년까지 11년 동안의 거푸집 동바리 붕괴 사고의 특징은?	2003년부터 2014년까지 11년 동안의 거푸집 동바리 붕괴 사고는 총 30건으로 사망자 47명, 부상자 91명이 발생하였다1) . 이는 다른 건설 재해 사고 유형과 비교하여 발생률은 다소 낮으나 강도율이 훨씬 높아 1건의 사고에 평균 4.6명의 사상자가 동시에 발생한 것이다. 게다가 동바리 붕괴 사고는 일단 발생하게 되면 많은 인적 손실, 물적 피해, 복구의 어려움 등으로 경제적 손실이 매우 큰 것이 특징이다. 현재 토목, 건축, 플랜 트 및 기타 공사에 종사중인 현장 관계자들은 거푸집 동바리를 안전하게 설치하는 방법을 어느 정도는 인식하고 있으나 공사비의 절감, 작업의 편의성 등의 이유로 정확하고 안전한 시공이 되지 않고 있는 것으로 나타나고 있다2) .
	2003년부터 2014년까지 11년 동안의 거푸집 동바리 붕괴 사고 현황은?	2003년부터 2014년까지 11년 동안의 거푸집 동바리 붕괴 사고는 총 30건으로 사망자 47명, 부상자 91명이 발생하였다1) . 이는 다른 건설 재해 사고 유형과 비교하여 발생률은 다소 낮으나 강도율이 훨씬 높아 1건의 사고에 평균 4.
	거푸집 동바리의 정확하고 안전한 시공이 되지 않고 있는 이유는?	게다가 동바리 붕괴 사고는 일단 발생하게 되면 많은 인적 손실, 물적 피해, 복구의 어려움 등으로 경제적 손실이 매우 큰 것이 특징이다. 현재 토목, 건축, 플랜 트 및 기타 공사에 종사중인 현장 관계자들은 거푸집 동바리를 안전하게 설치하는 방법을 어느 정도는 인식하고 있으나 공사비의 절감, 작업의 편의성 등의 이유로 정확하고 안전한 시공이 되지 않고 있는 것으로 나타나고 있다2) . 기본적으로 가장 많이 사용하는 거푸집 동바리 구조물에 대하여 현재 법령은 제도적으로 어느정도 그 시공에 대한 가이드라인을 제시하고 있으나 국내 현장에서는 아직 여러 가지 이유로 안전성을 고려한 적절한 시공이 이루어지지 않아서 종종 대형사고가 발생되고 있다3) .

참고문헌 (5)

Ministry of Employment and Labor, Current Status of the Industrial Accident, 2014.
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.
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.

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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