4. 구조해석을 통한 구조성능 평가
4.3 구조해석 결과
후행 공법과 교차가새형 선행 공법을 적용한 시스템비계의『비계 및 안전시설물 설 계기준(KDS 21 60 00: 2020)』에 따른 구조해석 결과 최대응력비는 <표 4-4>와 같으 며, 최대반력, 최대변위 등 주요 구조성능에 대한 비교 값은 <표 4-5>와 같다. 후행 공법과 교차가새형 선행 공법의 부재별 최대응력은 설계기준의 허용응력을 충족하는 것으로 나타났다. 또한, 후행 공법과 교차가새형 선행 공법은 수직재·띠장 및 장선에 대한 조합응력비가 비슷한 수준(수직재 0.591:0.553, 띠장 0.843:0.844, 장선 0.318:0.306) 인 것으로 분석되었다. 그러나 잭베이스의 조합응력비는 교차가새형 선행 공법(0.337) 이 후행 공법(0.578)보다 41.7% 작은 것으로 나타났으며, 벽이음재의 조합응력비는 교 차가새형 선행공법(0.315)이 후행공법(0.358)보다 12.0% 작은 것으로 나타났다. 축응력 비에 대한 검토결과 띠장의 경우 교차가새형 선행공법은 0.008이고, 후행공법은 0.006 으로 응력비가 매우 낮게 나타났으며, 장선의 경우에도 교차가새형 선행공법은 0.003 이고, 후행공법은 0.001로 응력비가 매우 낮게 나타나, 축력에 대해서는 안전율에 여 유가 많은 것으로 평가되었다. 작업발판의 자체중량을 포함한 시스템비계의 자중에 대 한 분석결과 교차가새형 선행공법(123.61kN)은 후행 공법(138.32kN) 대비 10.6%(14.71kN) 작게 나타났다.
<표 4-4> 후행공법과 선행공법(X형)의 최대응력비 비교
구분 축응력비
(fa/Fa) 휨응력비
(fb/Fb) 조합응력비
(fa/Fa+fb/Fb) 기준 만족여부
수직재 후행 공법 0.041 0.550 0.591 O.K.
선행공법(X형) 0.048 0.505 0.553 O.K.
잭베이스 후행 공법 0.100 0.478 0.578 O.K.
선행공법(X형) 0.063 0.274 0.337 O.K.
띠장 후행 공법 0.008 0.835 0.843 O.K.
선행공법(X형) 0.006 0.837 0.844 O.K.
장선 후행 공법 0.003 0.315 0.318 O.K.
선행공법(X형) 0.001 0.304 0.306 O.K.
벽이음재 후행 공법 0.040 0.276 0.315 O.K.
선행공법(X형) 0.000 0.351 0.358 O.K.
후행공법의
가새(대각재) 후행 공법 0.588 0.029 0.659 O.K.
선행공법(X형) - - - -
후행공법의
안전난간대 후행 공법 0.001 0.084 0.085 O.K.
선행공법(X형) - - - -
선행공법(X형)의
상부난간대 후행 공법 - - - -
선행공법(X형) 0.105 0.032 0.137 O.K.
선행공법(X형)의
교차가새재 후행 공법 - - - -
선행공법(X형) 0.640 0.047 0.770 O.K.
<표 4-5> 후행공법과 선행공법(X형)의 구조성능 비교
구분 후행공법 선행공법(X형) 비고
수직재의 최대축력(kN) 7.71 7.02
최대반력(kN) 11.36 7.58
자중(kN) 138.32 123.61 작업발판의 자중 포함
최대변위(mm) 83.2 88.2
(Bracing)가새
세장비 184.4 289.1 기준 : 200 이내
최대축력(kN) - 0.836
극한하중(kN) - 2.624
안전율 - 3.13 기준 : 3 이상
비계 수직재와 잭베이스의 축력 분포는 [그림 4-6] 및 [그림 4-7]과 같다. 수직재의 최대축력은 교차가새형 선행 공법(7.02kN)이 후행 공법(7.71kN) 보다 약 8.9%(0.69kN) 작았으며, 잭베이스의 최대축력은 교차가새형 선행 공법(7.57kN)이 후행 공법(11.34kN) 보다 약 33.2%(3.77kN) 작았다. 또한, 최대반력은 [그림 4-8]과 같이 교차가새형 선행 공법이 후행공법 보다 약 33.3%(3.78kN) 작게 나타났다.
(가) 후행공법 (나) 선행공법(X형) [그림 4-6] 시스템비계 수직재의 최대축력
(가) 후행공법 (나) 선행공법(X형)
[그림 4-7] 시스템비계 잭베이스의 최대축력
(가) 후행공법 (나) 선행공법(X형)
[그림 4-8] 시스템비계의 최대반력
반면, 최대변위는 [그림 4-9]과 같이 교차가새형 선행 공법(88.2mm)이 후행 공법 (83.2mm) 보다 6%(5mm) 큰 것으로 나타났으며, 시스템비계의 최상단 수직재와 수평재 교차부([그림 4-9]의 적색원)에서 발생하였다. 시스템비계의 공법별 변위에 대한 상세 분석 결과 X방향 최대 변위는 [그림 4-10]와 같이 교차가새형 선행 공법(18.9mm)이 후행 공법(10.4mm) 보다 81.7%(8.5mm) 큰 것으로 나타났으나, 총변위 차는 8.5mm로 미미하였으며, Y방향 최대 변위는 [그림 4-11]과 같이 교차가새형 선행 공법(86.1mm) 이 후행 공법(82.6mm) 보다 4.2%(3.5mm) 큰 것으로 나타났다.
(가) 후행공법 (나) 선행공법(X형)
[그림 4-9] 시스템비계의 최대변위도
(가) 후행공법 (나) 선행공법(X형)
[그림 4-10] 시스템비계의 X방향 최대변위도
(가) 후행공법 (나) 선행공법(X형) [그림 4-11] 시스템비계의 Y방향 최대변위도
후행 공법 가새재(φ42.7mm)의 세장비(KL/r)는 184.4인 반면, 교차가새형 선행 공법 의 X형 가새재(φ21.7mm) 세장비는 289.1로 압축재의 세장비 제한기준(200)을 초과한 것으로 분석되었으며, 교차가새재의 최대 작용하중(최대축력)은 [그림 4-12]의 (나)와 같이 0.836kN으로 나타났다. X형 가새재의 경우 세장비가 설계기준(200)을 초과하고, 구조해석 시 가새의 압착부를 원형으로 가정하였기 때문에 구조안전성 확인이 필요하 다. 이에 따라 [그림 4-13]과 같이 교차가새(상부난간 제거)의 압축성능 시험(3회)을 실 시한 결과(<표 4-6> 참조) 최솟값은 9.091kN으로 가새재 1개당 극한하중(최대압축성능) 은 2.624kN (9.091kN/4개/COS 30°)으로 계산되었다.
(가) 후행공법 (나) 선행공법(X형)
[그림 4-12] 시스템비계의 가새재 최대축력
교차가새의 압축에 대한 안전율은 최대작용하중(최대압축력) 대비 극한하중(최대압축 성능)의 비로 산정하였으며, 해당 안전율은 3.13(2.624kN /0.836kN)으로 비계 및 안전시 설물 설계기준에서 규정하고 있는 압축재의 안전율(3이상)을 만족하는 것으로 평가되 었다.
(가) 평면도와 정면도 (나) 극한하중 실험 모습 [그림 4-13] 교차가새의 극한하중 실험
<표 4-6> 교차가새의 극한하중 (단위 : kN)
구분 평균 시험1 시험2 시험3
극한하중 9.413 9.091 9.159 9.990