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적재설비 안정성 확보를 위한 FE 해석 기반의 연결부 모델 개발
Development of Connection Model based on FE Analysis to Ensure Stability of Steel Storage Racks 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.38 no.2, 2018년, pp.349 - 356  

허광희 (건양대학교 해외건설플랜트학과) ,  김충길 (건양대학교 해외건설플랜트학과) ,  유달리 (건양대학교 산학협력단) ,  전종수 (안동대학교 토목공학과) ,  이진옥 (충남대학교 토목공학과)

초록
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본 논문은 국내에서 연구가 미진한 적재설비의 지진 취약도 평가에 적용할 수 있는 FE 해석 기반의 연결부 모델을 개발하는데 목적이 있다. 이러한 목표를 달성하기 위하여, 적재설비 거동을 파악하기 위한 진동대 실험과 Modal Test, 그리고 구성 부재를 대상으로 한 다양한 부재실험(8가지 Push-over Test)을 진행하였다. 실험결과를 바탕으로 지진취약도 평가에 적용하기 위한 적재설비의 연결부 모델을 개발하기 위하여, NX-Nastran 프로그램을 활용하여 연결부의 상세 모델링을 진행하였다. 특히, 단순 걸쇠 방식으로 연결되는 기둥 부재와 보 부재의 연결을 모사하기 위하여 면대면 표면접촉 요소와 스프링 요소를 적용하였으며, 스프링 요소의 모델은 ARX (Auto Regressive eXogenous) 기반의 수학적 모델을 개발하여 적용하였다. FE 모델 기반의 simulation 결과는 부재 실험 결과와 비교하였을 때, 상호 오차율 8% 미만의 우수한 신뢰도를 보여주었다. 결과적으로 연구에서 개발한 FE해석 기반의 연결부 모델은 적재설비의 지진 취약도 평가를 위한 해석 모델에 활용될 수 있음을 확인하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper attempts to develop a connection model based on FE analysis that can be applied to the evaluation of earthquake fragility of Steel Storage Racks lacking research in Korea. In order to accomplish this goal, shaking table tests, modal tests, and various member tests (8 case, push-over test)...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이러한 이유에서 추가적인 연구에서 진행될 취약도 평가 모델에서는 3차원으로 적재설비를 모델링하고자 하였다. 그에 앞서 본 논문에서는 이와 같은 3차원 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 적재설비의 FE모델링 및 해석을 진행하고, 해석 결과를 실험 결과와 비교하고자 하였다.
  • 이를 위하여, 실제 사용되고 있는 적재설비를 선정하고, 전체 모델에 대한 진동대 실험과 적재설비의 구성요소에 대한 정적하중 실험을 진행하여 적재설비의 구조적 불확실성을 확인하였다. 또한, 구조적 불확실성을 내포하고 있는 연결부 모델을 대상으로 세부 FE모델링 및 Simulation을 진행하였으며, FE해석만으로 해결할 수 없는 Slip-pinching 현상을 표현하는 모델을 개발하여 지진 취약도 모델에 반영할 수 있는 신뢰성 있는 모델을 제시하고자 하였다.
  • 본 논문에서는 국내의 적재설비를 대상으로 지진 안전성을 평가하기 위한 초기 연구로써 지진 취약도 평가를 위한 해석 모델 중 구조적 불확실성을 내포하고 있는 연결부 요소에 대한 모델을 개발하기 위한 연구를 진행하였다. 이를 위하여, 실제 사용되고 있는 적재설비를 선정하고, 전체 모델에 대한 진동대 실험과 적재설비의 구성요소에 대한 정적하중 실험을 진행하여 적재설비의 구조적 불확실성을 확인하였다.
  • 적재설비는 사용자의 화물을 단기간 또는 장기간 보관하는 비구조요소로써, 국토교통부 국가물류통합정보센터에서는 파렛트 랙(Pallet Rack), 적층 랙(Mezzanine Rack), 모빌 랙(Mobile Rack), 암랙(Arm Rack), 그리고 Carton Sliding Rack으로 분류하고 있다. 본 논문에서는 총 5가지 종류의 적재설비 중 국내외에서 가장 많이 사용하고 있는 파렛트 랙을 대상으로 하였으며, 이하 파렛트 랙을 적재설비로 표기하였다. 적재설비는 다음의 Fig.
  • 본 논문은 국내에서 연구가 미비한 적재설비를 대상으로 지진과 같은 외부하중으로 인한 적재설비의 취약성을 평가하기 위한 모델에 적용 할 수 있는 신뢰성 있는 적재설비 모델을 개발하고자 연구를 수행하였다. 이를 위하여 국내의 다양한 적재설비 중 대중적으로 물류센터에서 사용하고 있는 파렛트 랙을 표준 적재설비로 선정하였으며, 선정한 적재설비의 거동을 파악하기 위하여 진동대 실험 및 Modal Test를 진행하였다.
  • 또한, 통로방향과 통로직각방향의 비율이 약 3:1정도인 직사각형 형태이며, 기둥 부재와 보 부재의 연결을 위한 기둥에 연속적으로 배열된 구멍으로 인하여 구조적 거동을 예측하기 위한 모델링에 많은 어려움이 있으며(Abba, 2017), 적재 설비의 단순화로는 적재설비의 거동을 모사할 수 없다. 이러한 이유에서 추가적인 연구에서 진행될 취약도 평가 모델에서는 3차원으로 적재설비를 모델링하고자 하였다. 그에 앞서 본 논문에서는 이와 같은 3차원 모델의 신뢰성을 검증하기 위하여 적재설비의 FE모델링 및 해석을 진행하고, 해석 결과를 실험 결과와 비교하고자 하였다.
  • 적재설비를 대상으로 한 진동대 실험은 연구대상 구조물인 표준 적재설비의 동적 특성 및 내진성능을 평가하기 위하여 진행하였다. 진동대 실험은 비구조요소 실험에 활용되는 ICC-ES AC156 (2010)을 기반으로 지진방재연구센터(국토교통연구인프라운영원)의 진동대를 이용하여 진행하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
적재설비란 무엇인가? 적재설비는 물류창고의 제한된 공간을 효율적으로 활용하기 위하여 강재 또는 이와 유사한 재질로 다단 적재된 물건의 하중을 지지할 수 있으며, 자체 중량에 비하여 무거운 하중을 지지할 수있고, 높은 구조로 제작이 가능한 비구조요소로 분류되는 구조체이다. 적재설비는 최근 물류의 증가에 따라 제한된 공간에서도 많은 물류를 보관할 수 있도록 다단화, 고층화 되고 있다.
FE 해석 기반의 연결부 모델을 개발하기 위한 방법은 무엇인가? 본 논문은 국내에서 연구가 미진한 적재설비의 지진 취약도 평가에 적용할 수 있는 FE 해석 기반의 연결부 모델을 개발하는데 목적이 있다. 이러한 목표를 달성하기 위하여, 적재설비 거동을 파악하기 위한 진동대 실험과 Modal Test, 그리고 구성 부재를 대상으로 한 다양한 부재실험(8가지 Push-over Test)을 진행하였다. 실험결과를 바탕으로 지진취약도 평가에 적용하기 위한 적재설비의 연결부 모델을 개발하기 위하여, NX-Nastran 프로그램을 활용하여 연결부의 상세 모델링을 진행하였다.
적재설비의 단점은 무엇인가? 적재설비는 최근 물류의 증가에 따라 제한된 공간에서도 많은 물류를 보관할 수 있도록 다단화, 고층화 되고 있다. 그러나 적재설비의 구성요소간의 연결은 사용자의 편의를 위하여 단순 결합방식을 채택함으로 인하여 구조적 불안전성을 내포하고 있다(BSSC Storage Rack Project Task Group, 2005). 이와 같은 구조적 불안전성은 지진과 같은 외부하중에 민감하게 반응하여 다양한 손상을 발생할 수 있다.
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참고문헌 (9)

  1. Abba, M. A. and Guven, K. (2017). "Investigation of seismic behaviour of steel pallet rack frames." American Journal of Engineering and Technology Management, Vol. 2, No. 2, pp. 13-19. DOI: 10.11648/j.ajetm.20170202.12. 

  2. Australian Standard (2012). Steel storage racking, AS4084-2012. Standards Australia Limited, Sydney. 

  3. BSSC Storage Rack Project Task Group (2005). Seismic considerations for steel storage racks located in areas accessible to the public, FEMA 460, Building Seismic Safety Council for the Federal Emergency Management Agency, Washington, D.C. 

  4. European Racking Federation (2009). The seismic design of static steel pallet racks, FEM 10.2.02, West Midlands. 

  5. International Code Council (2010). Acceptance criteria for seismic certification by shake-table testing of nonstructural components. ICC-ES AC156. 

  6. International Conference of Building Officials (1976). Uniform building code (UBC), 1976 EDITION, California. 

  7. Rack Manufacturers Institute (1974). American national standard specification for design testing, and utilisation of industrial steel storage racks, ANSI: MH 16.1-1974, An Affiliated Trade Association of Material Handling Industry of America, New York. 

  8. Rack Manufacturers Institute (2012). American national standard specification for design testing, and utilisation of industrial steel storage racks, ANSI: MH 16.1-2012, An Affiliated Trade Association of Material Handling Industry of America, New York. 

  9. Tajjudin, N., Ismail, N., Fazalul Rahiman, M. H. and Nasir Taib, M. (2010). "Model predictive control using ARX model for steam distillation essential oil extraction system." 2010 International Conference on Intelligent and Advanced Systems, Institute of Electrical and Electronics Engineers, Kuala Lumpur, Malaysia. (DOI: 10.1109/ ICIAS.2010.5716134.) 

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