1. 서 론

핸드레일은 육상 플랜트 설비(발전소, 저장설비) 및 해양 프로젝트의 상부 구조물에 사용되는 의장재 중에서 사용 빈 도가 가장 많은 의장재 중에 하나이다. 해양 공사 중에서도 반잠수식 시추선과 고정식 쟈켓의 경우 상부구조물(Topside) 의 중량 변화에 하부구조물의 설계가 크게 영향을 받기 때문 에 상부구조물의 중량은 주요한 핵심 설계 변수이다. 이러한 이유로 해양공사의 발주처와 조선소에서는 기존 강재를 대 체할 수 있는 경량화 소재의 확대 적용 가능성에 대해서 면 밀한 검토와 관련 연구를 수행하고 있다. 최근 가장 현실적 인 대안으로 급부상되고 있는 재료는 알루미늄 합금이며 내 부식성이 우수하고, 강재와 비교하면 30 %에 해당하는 밀도 그리고 압출을 통한 다양한 구조단면 설계가 가능하여 상부 구조물에 다양한 적용 범위를 확대해가고 있는 추세이다.

그러나 상부구조물 설계 시 다양한 극한환경 및 운영조건 의 특성을 견딜 수 있는 강도(Strength)와 인성(Toughness)을 요구하는 주 부재 및 부 부재의 경우는 구조 안전성 측면에서 보수적인 재료적·강도 설계기준 적용이 요구되어 혁신적인 중량 감소는 어려움이 있다. 그러나 의장재(tertiary member) 는 비강도 부재로 상대적으로 기능적 설계기준(functional requirement)과 대규모 사용물량으로 탄소강 대비 알루미늄 합금강, 스테인리스강, 니켈광, 인바 합금 및 GRP 재질이 중 량 감소 측면에서 효율적인 대안으로 검토 적용되고 있다 (Kim et al., 2020).

이에 본 연구에서는 항복강도를 20 % 이상 개량된 알루미 늄 합금 소재를 적용하여 독자 모델을 개발하고자 하며, 기 존의 구조 엔지니어링 절차에서 문제가 되는 사항들을 개선 하는 평가 절차에 대해서 개발하였다. 처짐 및 강도 기준을 만족하는 핸드레일 제품을 개발하기 위하여, 소켓부를 포함 한 구조 강도 검토하였으며, 처짐 량을 줄이기 위한 추가 보 강 안을 개발하여 비선형 구조 강도 거동 관점에서 건전성 을 검증하였다. 본 연구와 관련된 기존의 선행연구를 아래 와 같이 요약하였다.

Park(2004)은 승객이 일정한 속도로 이동하고 있는 에스컬 레이터에 승차했을 때, 몸의 균형을 유지하기 위하여 승객이 손으로 붙잡는 핸드레일의 미끄러짐(handrail slippage) 특성에 대한 안전성을 개선하기 위하여 다물체 동역학 해석기술을 적용하였다. 사용된 동역학 해석모델은 슬립 측정 장치를 사 용하여 실험한 측정값과 비교함으로써 모델의 신뢰성을 검 증하였다. 최종적으로 핸드레일 설계 변경을 통하여 핸드레 일 슬립 량이 스텝 속도에 비교하여 0.24 %로 개선되어서 안 전사고를 사전에 방지할 수 있는 성능개선을 확인하였다.

Kim et al.(2006)은 계단 또는 옥내/외 통행로에 있는 캔틸 레버형식 강화유리 가드 및 핸드레일 구조시스템의 구조성 능 평가에 관한 연구를 수행하였다. 구조 및 접합상태를 실 제 시공 상황을 모사할 수 있도록 실물과 같게 시험제를 제 작한 후, 면외 방향 하중에 대해서 사용성과 안전성을 검토 하였다. 시험개수는 총 8개이며, 하중은 단조가력과 반복재 하 방식이며, 1톤 크레인을 사용하였다. 실험 결과 단조가력 의 경우, 모두 선형탄성-취성거동을 보였으며 볼트 접합부에 발생한 과도한 응력집중이 원인으로 분석하였다. 석고 접합 부를 적용한 경우, 기준 허용 변위를 충분히 만족하였으며 강성 또는 강도 특성이 우수한 것으로 평가하였다. 본 연구 를 통하여 가드 및 핸드레일 구조시스템의 거동 특성을 이 해하는데 좋은 자료를 제공하였다.

Kim et al.(2020)은 해양플랜트에서 사용되고 있는 벌크성 기자재 표준화 기준 제정을 위한 연구를 수행하였다. 표준 화를 위해서 최근 10년 이내 제작된 대형 해양플랫폼의 자 료를 조사하고 분석하여 표준화 대상을 선정하고 개발 전략 과 목표를 결정하였다. 연구결과의 적용성 검토를 위하여, 수치 시뮬레이션과 실험을 수행하여 개발모델이 우수성을 확인하였으며, 알루미늄 핸드레일 적용 시 5.7년 이후부터는 초기 투자비용을 모두 회수하고 이익이 발생한다는 경제성 분석까지를 언급하였다.

David and Billingsley(2018)는 Barrette Aluminium Railing 시스 템에 대한 구조설계를 AISC(2005) 기준에 의하여 검토하였 다. 핸드레일 구성품은 총 3가지 종류의 알루미늄 합금을 적 용하여 총 20가지의 핸드레일 모델에 대해 개별적으로 구조 설계 안전성을 평가하여 충분한 안전도를 확보하였다. 설계 완료된 모델은 생산성 검토를 마친 후, 실험을 통하여 설계 기준 만족 여부를 육안 관측하였으며, 모든 제품은 허용치 를 만족하였다.

본 연구에서는 개량된 알루미늄 합금 재질(AL-6082-T6)을 적용하여 해양플랜트용 핸드레일의 구조 안전성을 검증하 기 위한 엔지니어링 절차 및 내용에 대해서 다루고 있다. 도 출된 주요 결과는 해양플랜트의 알루미늄 의장재 구조 안전 성 평가 분야에 관련한 기초적인 자료로 유용하게 활용될 것으로 판단된다.

2. 알루미늄 핸드레일 설계

2.1 알루미늄 핸드레일

핸드레일은 육상 및 해상플랜트의 작업 공간 혹은 적재공 간의 주변의 작업자가 안전하게 작업할 수 있도록 보호하는 역할을 한다. 최근 해양플랫폼 운용 선사들은 상부 구조물 중량 감소를 위하여 알루미늄 재질의 의장재를 선호하고 있 다. 핸드레일은 주로 플랫폼 구조의 외곽 면에 설치되며, 주 요 구성과 배치 형태는 Fig. 1과 같다.

국제기준들(NORSOK, 2004;API, 2014;BS EN 16116-1, 2013;EN ISO 14122-3, 2011)에서는 수직 기둥부(post)와 떨어 진 거리 및 mid-rail 간격에 대한 설계기준을 제시하고 있으 며 개별 부재 치수는 구조 설계 결과에 따라서 변경할 수 있 다. 그러나 엔지니어링 절차 및 기준의 모호함으로 인하여 프로젝트별로 의사결정체에 따라서 개별적으로 적용됐다.

Table 1에서는 대표적인 핸드레일의 주요 구조부재별 부 재의 속성 정보를 나타내고 있다. Top rail을 제외하고는 모 든 부재는 Non-tubular 단면을 사용하고 있으며, 구조 강도 측면보다는 작업자의 사용 편의성이 반영된 결과물이다.

2.2 개량 알루미늄 합금 재료강도 실험

알루미늄 합금은 계열별 번호에 따라서, 합금을 이루는 성분비의 범위가 규정되어 있다. 본 연구에서는 기존 6082 합금을 기준으로 규소(Si)와 Mg(마그네슘)의 성분비 조합을 변경하여, 인장강도 및 항복강도를 향상하는 연구결과(Park and Seo, 2017)의 재료의 특성 값을 이용하였다.

최적 조성비를 갖는 알루미늄 합금의 기계적 물성 값을 확인하기 위하여, ASTM 테스트 기준(ASTM, 2008)에 따라, 총 6개의 종류와 각 종류 별 3개의 시편을 제작하였다. 총 18개의 시편에 대해서 인장 테스트를 수행하였으며, 조건별 가장 우수한 항복강도와 인장강도를 Fig. 2에서 비교하고 있 다. 가장 우수한 강도 특성을 나타내는 NO-04 합금 시편을 선정하였으며, 항복강도의 평균은 320 MPa이고 인장강도는 340 MPa, 파단 변형률은 10 %이다.

개량형 알루미늄 합금의 경우, 목표로 한 항복강도 310 MPa를 충분히 만족하는 물성 값임을 실험을 통하여 검증하 였으며, Table 2에서는 구조 강도 검증을 위하여 사용된 재 료의 물성 값 정보를 나타내고 있다. 실험계측을 통해서 얻 은 항복강도, 인장강도는 본 연구에서 목표로 하는 최소 물 성 값보다 크게 나왔지만, 범용으로 사용하면서 발생할 수 있는 재료의 하한치를 정의하기 위하여 항복강도 310 MPa를 설계기준으로 결정하였다. 용접 구속이 발생하는 부재는 열 영향부에 의한 항복강도 감소를 50 % 적용하였다.

3. 유한요소해석 및 고찰

3.1 모델링 및 경계, 하중 조건

본 연구에서는 유한요소법(Finite Element Method)을 근간 으로 하여 공학용 해석이 가능한 상용프로그램인 MSC Patran/Nastran Version(2012)을 이용하였다. Fig. 3에 보이는 것과 같이 유한요소 모델링을 수행하였다. 모델은 빔 요소 (post, mid rail)와 솔리드요소(socket, supporting frame)를 조합 하여 구성하였고, 설계하중에 대해 구조 변형이 3차원으로 표현하기 위하여, socket과 post의 연결부에는 설계 공차인 1.0 mm gap 요소를 적용하였다. 해석에 사용된 유한요소의 절점 수는 17,142개이고, 요소는 7,242개이며, 전체적인 처짐 형상 및 응력 결과 판단 시 충분한 자유도 조건을 구현하기 위하여 요소의 크기는 최소 5 mm에서 30 mm까지로 제한하 였다.

해석의 경계조건은 supporting H-beam 하단부에 6자유도 고정조건(X, Y, Z, ROT-X, ROT-Y, ROT-Z)을 적용하고, 핸드 레일의 길이 방향 대칭 구속조건(X, ROT-Y, ROT-Z)을 top, mid rail, H-beam 측면부 끝단에 적용하였다.

핸드레일을 구성하는 모든 부재의 조합하중 시 구조 안 전성을 평가 할 수 있도록 하중조건은 Fig. 4와 같이 고려하 였다. 관련 기준에 명시된 top-rail 분포하중(LC-01)과 수직 포스트의 상면부 끝단에 집중하중(LC-02), 포스트 사이 top-rail에 집중하중 (LC-03) 마지막으로 포스트 사이 mid-rail 중앙에 수직집중하중(LC-04)으로 조합하여 적용하였다.

3.2 구조 강도 평가 프로세스

현존하는 국제코드를 적용한 알루미늄 핸드레일 구조설 계방법은 소켓을 제외한 구조부재에 대한 평가를 수행하고 있다. 6××× 합금 재료는 필연적으로 용접에 의한 열영향부 (heated affected zone)가 발생하여 구조 강도가 취약해지며, 이 를 회피하기 위해서 소켓 연결부를 필수 부재로 사용해야 한다. 이 소켓은 핸드레일 포스트-칼럼(post-column)의 치수를 결정하는 데 중요한 역할을 하므로, 일체화 모델링 후 구조 강도 검토가 필요하다.

따라서 Fig. 5는 기존의 방법과 본 연구에서 제안하는 신 규 절차 구성에 대해 비교하였다. 기존 방법(Fig. 5-(a))은 소 켓의 구조 모델링을 포함하지 않는 1D 빔 요소를 사용하고, 제안 방법은 유한요소해석 모델링 기반이며, 소켓과 post 경 계부위에 대한 상세 검토를 위하여 솔리드 요소를 적용한 다. 나머지 하중 전달 부재는 1D 빔 요소로 구성한다. 제안 평가 절차의 핵심은 소켓을 핸드레일과 일체화 모델링 하 고, 통합적인 구조 강도 평가를 수행하는 절차이다.

3.3 구조 안전성 평가 기준 및 결과

알루미늄 핸드레일 구조 안전성 검토 시, 연결 부재 상 호 간의 영향을 고려하여, 국제기준에서 규정하고 있는 허 용 처짐 양(20 mm)을 만족해야 한다. 주요 구조 안전성 평 가 항목에 대해 AISC(2005)/API(2014) 국제기준을 적용하였 다. AISC의 경우에는 단면이 원형이 아닌 모든 경우에 적용 가능하며, API는 원형 단면에 대해서만 구조 강도 평가 기준 이 제시되어 있다.

소켓의 압출 시 잔류변형 및 압출 수율이 가장 좋은 조건 인 두께 12 mm로 산정하고, 소켓의 높이 변화에 따른 응력 과 처짐 변화를 Fig. 6에 비교하고 있다.

LC-01 조건에서는 소켓의 높이 변화가 250 mm까지는 최 대 변위 상대 차이가 작지만, 300 mm에서는 변위 증가량이 크게 나타나며, Fig. 6-(a)과 같다. 수직 기둥부(post)의 끝단에 하중이 작용하는 경우(LC-02)는 소켓의 높이가 증가할수록 변위는 증가하지만 그 변화 수치는 1 mm 이내로 나타나며, Fig. 6-(b)에서 확인 가능하다. 소켓 높이 변화에 따른 최대 응력 변화는 LC-01에서 상대 응력 차이가 LC-02에 비해서는 크게 나타났으며, 이러한 경향은 처짐의 결과와 유사함을 Fig. 6-(c)과 (d)에서 비교하고 있다. 핸드레일 구조설계 변경 에 지배적인 하중조건 2가지(LC-01, 02)에 대한 변위와 응력 에 대한 결과를 통하여, 모든 조건에서 허용기준을 만족하 지만 향후 유지 및 보수 관점에서 결과 값의 변화 비율이 낮 은 소켓 높이 250 mm 조건을 최적이라고 판단하였다.

두 가지 하중 조건(LC-01, LC-02)에 따른 소켓 높이 250 mm 조건에서의 von-Mises 응력 결과를 Fig. 7에 비교하고 있다. 최대 응력 발생 위치는 소켓 끝단과 수직 기둥부가 최초 접 촉하는 곳과 소켓의 하단 경계부이다. 이 부위는 선 접촉이 발생하는 위치로서, 제작 공차를 최소화하여 핸드레일의 이 동 범위를 제한하는데 중요한 역할을 수행한다.

작업용 플랫폼을 구성하고 있는 H-beam과 소켓 이면부에 back bracket 유/무에 따른 비선형 구조 붕괴 거동 관계를 Fig. 8에 나타내고 있다. 작용하중이 가장 보수적인 조건 (LC-01)에서 하중증가에 따른 변위 변화량을 확인하기 위해 서, 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 재료의 비선형성과 기하학적 비선형을 동시에 고려하였으며, 하중과 변위 모두 를 제어할 수 있도록 arc-length 방법에 의한 증분 계산을 통 하여 근사 해를 계산하였다. 브래킷이 없는 경우, 하중작용 이 시작하면서 처짐은 증가하며, 2kN 이상부터 변화량이 크 게 나타난다. 처짐 증가(123 %)로 인하여 최종강도 조건에서 의 최대하중도 브래킷 있는 경우에 비교하여 88 % 낮게 계 산되었다.

발주처 입장에서는 탑사이드(top-side) 내 작업공간을 최대 한 확보하기 위해서는 핸드레일 소켓을 하부지지 H-beam과 이격 설치를 선호한다. 이러한 경우, 이면 브래킷을 시공하 여 최종강도 감소에 대한 대안으로 사용할 수 있다는 사실 을 Fig. 8의 결과를 통하여 확인할 수 있다.

4. 결론 및 향후 연구과제

본 연구에서는 해양플랜트 탑사이드에서 주로 사용되고 있는 알루미늄 핸드레일에 대한 합리적인 구조 강도 평가 절차 및 해석 모델링 방법에 대한 제시와 함께, 그 결과에 대한 검증을 수치 해석적 기법에 의하여 수행하였다. 소개 된 주요 절차 및 결과들은 관련 업계에 종사하는 엔지니어 들이 더 손쉽게 하중 추정, 적용 및 해석까지를 체계적으로 따라 할 수 있을 것으로 기대된다. 연구를 통하여 도출된 결 론은 다음과 같다.

향후 연구과제로서는 제안된 평가법과 유사한 결과를 도 출할 수 있는 빔 요소 모델링 기반 해석 코드를 개발하여, 상세한 유한요소해석을 수행하지 않고도 설계안에 대한 구 조 강도 검토가 가능한 사용자 편의 프로그램을 개발하는 것이며, 이러한 연구를 위하여 본 연구에서는 기초적인 자 료로 활용이 가능할 것으로 판단된다.