고중량 장비 받침 구조물에 대한 안전성 검토 보고서

구조물에 대해 처짐 변형 검토는 왜 필요할까요?

이번 주제인 철골 프레임으로 구성된 랙 구조물은 장비나 물건을 적재하기 위한 용도로 많이 사용됩니다. 우리 주변에서 일반적으로 공정 프로세스나 공간 효율성을 위해 여러 개의 층으로 구성하여 장비나 물건을 적재하는 것을 흔하게 볼 수 있습니다.

1톤이 넘는 무거운 고중량의 물체들이 올라간다고 생각해보면 랙 구조물 자체가 휘거나 심하면 부서지는 위험을 초래할 수 있습니다. 만약 구조적 안전성을 가진다고 해도 랙 구조물이 휘어 있다면 사용자는 많은 불안감을 느끼게 되고, 정밀성을 요구하는 장비의 경우에는 기능적인 문제가 발생할 수도 있습니다.

또한, 지진이라는 예측할 수 없는 불가해의 상황에서는 랙 구조물 자체가 휘어져 무너지는 위험한 상황이 발생할 수도 있습니다.

고중량 장비 무게 하중에 대해

어떻게 적용하고 평가할 수 있을까요?

일반적으로 랙 구조물 상부에 적재된 구조물의 무게는 설치정보에 따라 질량과 중력가속도(1g)를 적용하여 수직 방향의 하중으로 치환하여 해석에 적용합니다. 상부 적재물은 수치해석에서 3차원 모델링을 통해 부피를 가진 물체로써 재료의 질량 밀도와 곱하여 질량을 계산하거나 무게중심(C.O.G.)에 직접 질량을 적용할 수 있습니다. 프로그램에 적용된 중력가속도 하중에 따라 각 위치의 정보를 기반으로 자동으로 하중을 적용할 수 있습니다.

지진하중은 관측하거나 특정 측정데이터로 평가할 수 있는 것이 아니기 때문에, 각 지역의 기상청에서 수십 년 동안 측정한 지진파 데이터를 기준으로 하중을 정의하게 됩니다. 국내 건축구조 분야 표준 설계기준인 “KDS 41 17 00 : 2019”에 국내의 지역별 지진하중이 제시되어 있으며, 이를 기반으로 지진하중에 대한 해석 및 안전성 검토를 수행할 수 있습니다.

그렇다면 고중량 장비를 적재한 랙 구조물의 구조안전성에 대해서 어떻게 해석검증을 할 수 있는지 함께 알아보도록 하겠습니다. 예제는 2개 층으로 구성된 랙 구조물로 상부 적재물의 위치별 무게 정보와 “KDS 41 17 00 : 2019” 제시된 지진하중에 대해서 구조물이 어느 정도 처짐 변형과 내진에 대해 구조안전성을 가지는가에 대해 검토한 자료입니다.

해석 프로그램

- midas NFX STR

해석 종류

- 선형 정적해석(Linear static analysis)

해석 목적

- 고중량 장비 적재 시 하부프레임의 최대 처짐 변형 및 구조적 안전성 확인을 위함

- 국내 건축구조 분야 표준 설계기준인 “KDS 41 : 2019” 에 준하여 고중량 장비 적재 및 지진 상황에 대하여 구조물의 부재 안전성과 주요 연결 볼트에 대해서 안전성 평가를 수행

주요 해석 결과

- 고정하중 및 지진하중(지진 1구역/S4 지반/보통 모멘트 골조)에 대한 구조 안전성 검토 결과 확인- 전체 하중조합에 대해 검토 결과, 최대 처짐 변위 0.88mm로 요구기준 1mm 이내 처짐 변형 만족하였으며, 구조물 하부 지지부에서 최대 발생 응력 143.13MPa로 재료 허용응력(165MPa) 이내 안전성 확인- “KDS 41 30 25 : 2019”에 준하여 연결부 볼트의 인장/전단 안전성 검토 시 안전율 2.05 이상의 구조 안전성 확인

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