일반적인 플랜트 산업에서의 파이프라인은 지지형식으로만 구조설계를 하고 있으며 시공방법이 용접에 의한 단순접합방법을 선호하고 있다. 그러나 플랜트 산업 특성상 용접 불꽃에 의한 화재발생시 매우 위험함으로 통상적인 고장력 볼트 접합을 단순화하여 내진성능이 확보되는 파이프랙 접합방식을 개선하는 연구이다. 연구결과 H-Beam 대 H-Beam의 접합기술의 향상과, 내진성능이 향상된 파이프랙 구조기술 개발, 파이프랙 제작 및 설치 시간 단축 기술 개발, 다양한 방법의 철 구조물 설치 기술 개발, 적용분야 확대에 따른 기술의 접근성 향상이라는 효과를 얻을 수 있다. 경제적 측면에서는 기존 파이프랙 공법에 비해 현장설치 공정 축소로 인건비 및 장비비 절감 효과를 기대할 수 있으며, 자재비의 경우 H-Beam 연결을 위한 고장력 볼트의 수량 감소효과 대비 대량생산을 위한 금형비용 발생으로 원가가 절감될 수 있다. 안정성 측면에는 기존의 현장설치에서 나타났던 다소 큰 위험성 요소를 최소화시킬 수 있는 공장제작 공정을 통해 접합 작업자의 안정성을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.
일반적인 플랜트 산업에서의 파이프라인은 지지형식으로만 구조설계를 하고 있으며 시공방법이 용접에 의한 단순접합방법을 선호하고 있다. 그러나 플랜트 산업 특성상 용접 불꽃에 의한 화재발생시 매우 위험함으로 통상적인 고장력 볼트 접합을 단순화하여 내진성능이 확보되는 파이프랙 접합방식을 개선하는 연구이다. 연구결과 H-Beam 대 H-Beam의 접합기술의 향상과, 내진성능이 향상된 파이프랙 구조기술 개발, 파이프랙 제작 및 설치 시간 단축 기술 개발, 다양한 방법의 철 구조물 설치 기술 개발, 적용분야 확대에 따른 기술의 접근성 향상이라는 효과를 얻을 수 있다. 경제적 측면에서는 기존 파이프랙 공법에 비해 현장설치 공정 축소로 인건비 및 장비비 절감 효과를 기대할 수 있으며, 자재비의 경우 H-Beam 연결을 위한 고장력 볼트의 수량 감소효과 대비 대량생산을 위한 금형비용 발생으로 원가가 절감될 수 있다. 안정성 측면에는 기존의 현장설치에서 나타났던 다소 큰 위험성 요소를 최소화시킬 수 있는 공장제작 공정을 통해 접합 작업자의 안정성을 증대시킬 수 있을 것으로 판단된다.
The development of new technology and process in industrial Plant which builds integrated structures, facilities and systems. Has become a key element for strengthening its competitiveness. Although domestic industrial Plant has demonstrated excellence in technology with a persistent increase in ord...
The development of new technology and process in industrial Plant which builds integrated structures, facilities and systems. Has become a key element for strengthening its competitiveness. Although domestic industrial Plant has demonstrated excellence in technology with a persistent increase in order quantity and orders received, the technology gap between countries has narrowed due to global construction trend. Therefore, it is necessary to develop new technology that could help overcome constraints and limitations of the current one to follow the trend in the age of unlimited competition. This study has focused on assembly technology of Pipe-rack joint connection in an effort to strengthen technological competitiveness in industrial Plant. Through an analysis of earlier studies on Pipe-rack and a coMParative analysis of strengths and weaknesses of current assembly technology of it, a new design plan has been made to improve it efficiently. In doing this, standards for design factors of both structural and performance features have been drawn, and value of stress, strain, moment and rotation has been calculated using finite element analysis. As a result, installation technology of modular type Pipe-rack, which has not been developed in Korea and is differentiated from the current one, has been developed. It is considered that the technology reduces work time and saves cost due to simplified joint connection of steel structure, unlike the current one. Moreover, since it is installed without a welding process in the field, industrial accidents would be reduced, which is likely to have economic competitiveness and satisfy.
The development of new technology and process in industrial Plant which builds integrated structures, facilities and systems. Has become a key element for strengthening its competitiveness. Although domestic industrial Plant has demonstrated excellence in technology with a persistent increase in order quantity and orders received, the technology gap between countries has narrowed due to global construction trend. Therefore, it is necessary to develop new technology that could help overcome constraints and limitations of the current one to follow the trend in the age of unlimited competition. This study has focused on assembly technology of Pipe-rack joint connection in an effort to strengthen technological competitiveness in industrial Plant. Through an analysis of earlier studies on Pipe-rack and a coMParative analysis of strengths and weaknesses of current assembly technology of it, a new design plan has been made to improve it efficiently. In doing this, standards for design factors of both structural and performance features have been drawn, and value of stress, strain, moment and rotation has been calculated using finite element analysis. As a result, installation technology of modular type Pipe-rack, which has not been developed in Korea and is differentiated from the current one, has been developed. It is considered that the technology reduces work time and saves cost due to simplified joint connection of steel structure, unlike the current one. Moreover, since it is installed without a welding process in the field, industrial accidents would be reduced, which is likely to have economic competitiveness and satisfy.
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문제 정의
또한 미국 내진 철골접합부 설계 FEMA-350(Federal Emergency Management Agency)에서 제시하는 “보-기둥 접합 방법(Beam-Column Connection Method)”을 근거로 모듈러(Modular) 형태의 철 구조물 접합 형태를 개발한다. 또한, 접합성 향상으로 성능적 측면을 도출하여 시공성, 경제성 등을 향상시키고자 한다. 일반적으로 보와 기둥을 연결하는 철 구조물이나 플랜트산업에서 파이프랙을 구성하는 철골구조는 주로 용접에 의해 접합이 이루어져 왔다.
본 연구의 목적은 파이프랙의 하중에 따른 변위와 회전변동을 분산 흡수하고 내진 성능이 향상된 모듈러(modular) 철 구조물을 제작하는 것이며 조립 시간과 작업공수를 줄이며 작업자의 안전을 확보하는데 있다.
하지만 용접에 의한 접합방식에는 구조물의 특성이 변화되거나 응력 집중부가 발생하는 등 구조물의 안전성이 저하되는 문제점이 발생되고 있다. 이에 본 연구는 다음과 같은 방법으로 철 구조물을 제작하고 조립하는 방법을 제시하고자 한다.
즉, 설비 기술의 경제성을 고려하고 기술 고도화에 조금이라도 기여할 수 있는 토대를 마련하기 위해 기존 보와 기둥(BeamColumn) 접합부 기술들이 가진 단점과 한계를 보완할 수 있는 대안으로 파이프랙 접합 방식의 개선을 제시하고자 한다.
본 연구 의 범위는 플랜트에서 적용되는 파이프랙 설치 수준과 규모를 고려하여 철골 모멘트 시스템 중 중간 모멘트 시스템(Intermediate Moment Frames : IMF)에서 요구하는 총 회전각과 모멘트 강도의 측정값을 연구의 범위로 한정하였다. 해당 측정값을 기준으로 내진성능을 평가하여 구조적 측면의 설계인자를 도출하고자 한다. 또한 미국 내진 철골접합부 설계 FEMA-350(Federal Emergency Management Agency)에서 제시하는 “보-기둥 접합 방법(Beam-Column Connection Method)”을 근거로 모듈러(Modular) 형태의 철 구조물 접합 형태를 개발한다.
제안 방법
그리고 각각의 디자인별로 구조적 측면의 설계인자 검토를 진행해 각 디자인 안의 장·단점을 분석함으로써, 본 연구의주제와 목표에 부합하는 디자인을 선정해 유한요소 해석을 진행함으로써 타당한 개선 방안으로 제시하였다.
보통 모멘트 골조의 접합부는 총 회전각에 대한 특별한 제한사항을 두지 않고 있다. 따라서 본 연구에서는 중간 모멘트 시스템을 기준으로 하였다.
또한 미국 내진 철골접합부 설계 FEMA-350(Federal Emergency Management Agency)에서 제시하는 “보-기둥 접합 방법(Beam-Column Connection Method)”을 근거로 모듈러(Modular) 형태의 철 구조물 접합 형태를 개발한다.
신규 Modular 디자인의 5가지 방안 중 본 연구의 목적에 가장 부합한 것으로 디자인 5안을 선정하였고, 이에 대한 유한요소 해석을 모델링하여 다음과 같은 결과를 도출할 수 있었다. 모듈러 파이프랙 구조형태를 근거로 유한요소 해석 결과, 응력, 변형률, 모멘트, 회전각의 결과치가 실험결과에서 제시한 중간모멘트시스템(Intermediate Moment Frames : IMF)에서 요구하는 범위를 도출할 수 있었다.
실험은 국토교통부 건축구조설계기준 0722 내진성능검증, 품질확보계획 및 용접규정에 맞게 작업하였으며, 이중 0722.2.4. 재하이력 중 0722.
의뢰자가 제공한 모멘트 접합 실험체와 모멘트 접합 실험체에 대하여 국토교통부 건축구조설계기준에 제시된 내용에 따라 반복가력 실험을 수행하였다.
파이프랙 관련 연구 중의 하나로 모든 장치물 중에서 특히 유체가 흐르는 고온, 고압의 Pipe와 그를 지탱하는 파이프랙의 골조 부재의 열팽창에 의한 하중에 있어서는 그 영향이 최소가 되도록 파이프랙의 안정성이 확보되어야 한다. 이에 대한 적절한 보강방안으로서 현 설계기준에 따른 해석과 함께 열전달 및 열응력 그리고 열에 의한 변형에 대해 해석을 찾아볼 수 있다. 설계하중에 중점을 둔김성연의 연구와 Pipe의 압력 및 온도 등의 운전조건에 대한 고려와 함께, 시설 운용 중 발생 가능한 지점침하, 지진에 대한 영향을 검토하고 설계에 반영할 수 있도록, 파이프랙 구조물의 지점 침하 검토, 내진성능평가, 열-구조 연성해석 등을 수행해 설계 시 적절한 부재를 설계하기 위한 기초가 되는 구조해석 결과를 제시하고 완공상태인 파이프랙 구조물에 대해서는 최적의 계측기 결정 및 설치 위치를 판단하는 등의 안전성 진단 방안을 제시한 ‘파이프랙 구조물의 안전성 진단 방안 연구(유진규, 세종대학교대학원 건설환경공학과 석사 논문, 2012)’도 있었다.
대상 데이터
그리고 각각의 디자인별로 구조적 측면의 설계인자 검토를 진행해 각 디자인 안의 장·단점을 분석함으로써, 본 연구의주제와 목표에 부합하는 디자인을 선정해 유한요소 해석을 진행함으로써 타당한 개선 방안으로 제시하였다. 검토결과 가장 시공성이 우수한 디자인 5로 선정하여 유한요소 해석과 실제 시험체를 제작하여 공인된 국내인증기관에서 실험을 실시하였다.
본 연구 의 범위는 플랜트에서 적용되는 파이프랙 설치 수준과 규모를 고려하여 철골 모멘트 시스템 중 중간 모멘트 시스템(Intermediate Moment Frames : IMF)에서 요구하는 총 회전각과 모멘트 강도의 측정값을 연구의 범위로 한정하였다. 해당 측정값을 기준으로 내진성능을 평가하여 구조적 측면의 설계인자를 도출하고자 한다.
4. 재하이력 중 0722.2.4.2 보-기둥모멘트접합부의 가력방법에 따라 파이프랙에 주로 사용되는 H-Beam-250x250x11x11t 부재로 실험을 수행하였다. 시험환경은 온도(24 ± 3.
데이터처리
본 연구에 따른 내진성능을 가지는 모듈러 접합부의 회전 성능평가를 위한 유한요소해석프로그램인 Standard ver.6.13을 사용하여 재료적/기하학적 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 하중-변위 관계곡선(Back-bonecurve)와 모멘트-회전각 관계곡선을 확인할 수 있었고, 최대 부하하중 및 모멘트 발생 위치와 최소 부하하중 및 모멘트 발생 위치와 안정적인 수치 그래프를 얻을 수 있었다.
이론/모형
시험은 국토교통부 건축구조설계기준 0722 내진성능검증, 품질확보계획및 용접규정을 준용하였으며, 이중 0722.2.4. 재하이력 중 0722.
4. 재하이력 중 0722.2.4.2 보-기둥모멘트접합부의 가력방법에 따라 실험을 수행하였다. 시험결과는 기준 상에 제시된 재하이력 단계별로 발생한 최대하중과 최대모멘트, 변형량(mm)으로 Fig.
성능/효과
Modular 파이프랙의 설치순서, 안전확보, 시공성 및 경제성을 고려한 Modular 파이프랙 구조물 형태를 디자인한 결과5가지 방안을 도출할 수 있었다. 그리고 각각의 디자인별로 구조적 측면의 설계인자 검토를 진행해 각 디자인 안의 장·단점을 분석함으로써, 본 연구의주제와 목표에 부합하는 디자인을 선정해 유한요소 해석을 진행함으로써 타당한 개선 방안으로 제시하였다.
13을 사용하여 재료적/기하학적 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 하중-변위 관계곡선(Back-bonecurve)와 모멘트-회전각 관계곡선을 확인할 수 있었고, 최대 부하하중 및 모멘트 발생 위치와 최소 부하하중 및 모멘트 발생 위치와 안정적인 수치 그래프를 얻을 수 있었다.
디자인 5에 대한 유한요소 해석 결과 모든 조건을 충족함으로 아래 사진과 같이 시제품을 제작하였고, 이 시제품을 국내 공인기관인 D건설 기술연구소에 의뢰한 결과 유한요소 해석에서 예측한대로 결과가 도출되었다.
또한, 다음 그림과 같이 회전각(Rotational Angle)을 0.01radian, 0.02radian, -0.01radian, -0.02radian로 가변시키면서 폰미세스 응력분포를 확인한 결과, 도시된 바와 같이 모듈러 접합 부분의 응력 분포가 보(500) 또는 브라켓(300) 보다 낮은 응력분포를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 보(500)와 기둥(100)을 실질적으로 고정시키는 락킹 볼트(640)에서 상대적으로 낮은 응력분포를 보임으로써 본 연구에 따른 내진성능을 가지는 모듈러 철구조물의 접합부분이 안정적인 접합 구조를 가지는 것이 확인되었다.
신규 Modular 디자인의 5가지 방안 중 본 연구의 목적에 가장 부합한 것으로 디자인 5안을 선정하였고, 이에 대한 유한요소 해석을 모델링하여 다음과 같은 결과를 도출할 수 있었다. 모듈러 파이프랙 구조형태를 근거로 유한요소 해석 결과, 응력, 변형률, 모멘트, 회전각의 결과치가 실험결과에서 제시한 중간모멘트시스템(Intermediate Moment Frames : IMF)에서 요구하는 범위를 도출할 수 있었다.
본 연구결과에 부합하는 디자인 5안을 적용한 기술은 최초 소규모 철 구조물에 적용 가능한 기술로써 기술적, 경제적 측면, 안정성과 활용적 측면에서 그 적용 범위를 확대할 수 있다.
02radian로 가변시키면서 폰미세스 응력분포를 확인한 결과, 도시된 바와 같이 모듈러 접합 부분의 응력 분포가 보(500) 또는 브라켓(300) 보다 낮은 응력분포를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 뿐만 아니라, 보(500)와 기둥(100)을 실질적으로 고정시키는 락킹 볼트(640)에서 상대적으로 낮은 응력분포를 보임으로써 본 연구에 따른 내진성능을 가지는 모듈러 철구조물의 접합부분이 안정적인 접합 구조를 가지는 것이 확인되었다. 이러한 결과 그래프와 폰미세스 응력분포도 결과는 다음과 같다.
중간 모멘트 골조의 접합부에 총 회전각이 0.02 Radian 이상 모멘트 강도는 0.4MPa 이상에서 기존 볼트접합에 비하여 유사하고 일부 우수한 성능을 확보할 수 있다는 것을 Fig. 12, 13을 통하여 확인할 수 있다.
후속연구
H-Beam 대 H-Beam의 접합기술의 향상과, 내진성능이 향상된 파이프랙 구조기술 개발, 파이프랙 제작 및 설치 시간 단축 기술 개발, 다양한 방법의 철 구조물 설치 기술 개발, 적용 분야 확대에 따른 기술의 접근성 향상이라는 효과를 얻을 수 있을 것으로 예상된다.
개발된 기술은 기존에 각 플랜트 산업에 적용되어 왔던 파이프랙 접합 기술의 단점을 보완할 수 있는 대안으로써 군산공단 내 플랜트 파이프랙, 여수산단 지역 파이프랙, 울산 지역 파이프랙 등 그 적용 범위를 확장할 수 있을 것이다. 이후 충분한 검토와 검증 단계를 거쳐 기술력을 확보한 후에는 특수 구조물 시장으로의 진출도 가능할 것이다.
본 연구를 통해 기술 개발 및 시제품으로 플랜트 산업에 적용 가능한 시뮬레이션 및 설치 시현이 가능하다는 이점이 있다. 또한 다른 분야에 비해 다소 미흡했던 파이프랙 제작 및 설치 기술에 대한 후속 연구를 독려함으로써 파이프랙 기술의 발전 기반을 마련할 수 있다는 점에서 높은 활용성이 예상된다.
본 연구를 통해 기술 개발 및 시제품으로 플랜트 산업에 적용 가능한 시뮬레이션 및 설치 시현이 가능하다는 이점이 있다. 또한 다른 분야에 비해 다소 미흡했던 파이프랙 제작 및 설치 기술에 대한 후속 연구를 독려함으로써 파이프랙 기술의 발전 기반을 마련할 수 있다는 점에서 높은 활용성이 예상된다.
이후 충분한 검토와 검증 단계를 거쳐 기술력을 확보한 후에는 특수 구조물 시장으로의 진출도 가능할 것이다. 이후 시제품 제작 및 시뮬레이션과 최종 검증 단계를 거쳐 실제 상용화에 이르는 제품 개발 계획이 연구되어야 할 것이다.
개발된 기술은 기존에 각 플랜트 산업에 적용되어 왔던 파이프랙 접합 기술의 단점을 보완할 수 있는 대안으로써 군산공단 내 플랜트 파이프랙, 여수산단 지역 파이프랙, 울산 지역 파이프랙 등 그 적용 범위를 확장할 수 있을 것이다. 이후 충분한 검토와 검증 단계를 거쳐 기술력을 확보한 후에는 특수 구조물 시장으로의 진출도 가능할 것이다. 이후 시제품 제작 및 시뮬레이션과 최종 검증 단계를 거쳐 실제 상용화에 이르는 제품 개발 계획이 연구되어야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
파이프랙을 구성하는 철골의 내진성능에 영향을 주는 요소는 무엇인가?
파이프랙을 구성하는 철골의 내진성능은 보-기둥(BeamColumn) 모멘트(Moment) 접합부의 연성능력과 에너지 소산량(Energy Dissipation Capacity)에 의해 결정된다. 현재 적용되고 있는 미국 공업규격 Steel 규정협회 및 미국표준협회(AISC/ANSI341-10) 기준[1]과 KBC 기준[2]에서는 모멘트(Moment) 접합부의 총 회전각 성능에 따라 Table 1과 같이 특수 철골 모멘트 골조, 중간 철골 모멘트 골조, 보통 철골 모멘트 골조 시스템으로 분류하고 있다.
파이프랙 구조의 통상적인 접합 방식은 무엇인가?
파이프랙 구조는 보와 기둥(Beam-Column) 접합부인 H-Beam과 H-Beam 접합 시 통상적으로 핀 접합(Pin or Hinge Support)과 고정 접합(Fixed Support)의 방법이 적용되고 있다. 이러한 방법을 적용할 때 H-Beam의 플랜지(Flange)와 웨브(Web)를 볼트(Bolt)와 너트(Nut)로 체결할 경우, 인장강도(Tensile Strength)와 압축강도(Compressive Strength)에 따라 많은 수량의 고장력 볼트(High-Tensile Bolt&Nut)가 필요하다.
일반적으로 보와 기둥을 연결하는 철 구조물이나 플랜트산업에서 파이프랙을 구성하는 철골구조를 용접에 의해 접합할 경우 가지는 문제점은 무엇인가?
일반적으로 보와 기둥을 연결하는 철 구조물이나 플랜트산업에서 파이프랙을 구성하는 철골구조는 주로 용접에 의해 접합이 이루어져 왔다. 하지만 용접에 의한 접합방식에는 구조물의 특성이 변화되거나 응력 집중부가 발생하는 등 구조물의 안전성이 저하되는 문제점이 발생되고 있다. 이에 본 연구는 다음과 같은 방법으로 철 구조물을 제작하고 조립하는 방법을 제시하고자 한다.
참고문헌 (10)
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