기술개발-콘크리트 piperack.doc

기 술 개 발

철골 Pipe Rack 과 콘크리트 Pipe Rack 의비교 분석

화 공 플 랜 트 사 업 본 부

천 인 수작 성 부 서 토목부

2004. 11. 30

0

승 인

검 토

작 성 최 태 곤

김 연 붕

개 정 번 호

개 정 일 자

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: HCM-S-CV-0-00개정번호 : 0

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철골 Pipe Rack과콘크리트 Pipe Rack의

비교 분석을

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목 차

1. 서언 1

2. 과제 개요 2

2.1 목적 2

2.2 비교 분석 범위 2

3. 특성 비교 3

3.1 재료의 특성 비교 3

3.2 제작 및 시공 특성 비교 4

3.3 구조 부재의 연결 방법 5

3.4 Pipe Rack 시공 예 9

4. 구조 해석 10

4.1 해석 모델 10

4.2 설계 Data 12

5. 해석 결과 14

5.1 부재 해석 결과 14

5.2 Case 별 물량 16

6. Case 별 경제성 및 공사기간 비교 23

6.1 공사비 비교 23

6.2 콘크리트 대비 철골 공사가격 비 27

6.3 공사기간 비교 28

7. 결론 30

1.1 결과 검토 30

1.2 결론 31

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1. 서언

최근 국제적으로 철강제품의 수급불균형이 심화되면서 주요 철강제품의 가격이 폭등하는 등 '철강대란'이 재연되고 있다. 중국 등 일부 국가는 수급 불균형이 심화되자 반덤핑 제재까지 철회하면서 철강제품 수입량 늘리기에 안간힘을 쓰고 있다. 업계에 따르면 미국 내 7~9월 열연강판 가격은 t당 7백 달러를 넘어 지난해 말에 비해 1백25% 증가했다.또 일본 열연강판 가격도 t당 6만2천엔으로 전년 동기대비 37% 상승했다. 유럽 내 판재류 가격도 4.4분기 공급분 가격이 t당 40~60유로 오를 것으로 전망 되는 등 가격급등세가 심화되고 있다. 국내 철강제품 가격 오름세도 이어져 INI스틸은 최근 형강류 가격을 2만7천~3만원 인상했다.

이 같은 철강제품 가격 강세는 주요 선진국 경기회복에 따른 수요증가로 수급 불균형이 심화되고 있기 때문이다. 특히 올해 초 중국에 이어 5월부터 미국이 철강제품 수입을 늘리면서 세계적인 철강제품 수급상황이 악화되고 있다는 분석이다. 올들어 주요 국가들이 조강생산량을 늘려 상반기 세계 조강생산량이 5억t을 돌파하는 등 생산을 늘리고 있지만 이 같은 수급불균형이 당분간 해소되지 못할 것으로 업계는 추정하고 있다.

철골 구조물을 많이 사용하는 플랜트공사의 특성상 이러한 강재류의 가격상승은 직접적으로 공사비의 증가 요인이 되므로 강구조물 시공 비의 30~40%를 차지하는 원자재의 인상에 민감할 수 밖에 없다. 본 보고서는 이러한 강재 가격의 이상 급등 시에 대체할 수 있는 재료인 콘크리트 Pipe Rack으로의 전환에 따른 경제성과 시공성 그리고 공사기간 등을 비교 분석하기로 한다.

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2. 과제 개요

2.1 목적

가스 및 정유 플랜트 내 구조물에서 기초 부분을 제외한 토목 및 건축의 지상 구조물에 적용되는 주재료는 콘크리트 와 철골로 구분되며, 행정동 및 방폭구조의 콘트롤 빌딩을 제외한 대부분 구조물에 사용되는 재료는 철골 재료이다.

특히 Pipe Rack 구조물의 경우, 현장시공의 단순화와, 강재에 대한 품질의 신뢰성 및 시공의 용이성 등을 이유로 철골부재로 설계 및 시공이 되어왔다.

이러한 철골부재의 경우 플랜트 공사의 특성상 Hazardous Area내에서는 규정높이까지 철골부재 외부에 추가적인 Fire Proofing의 공정이 추가되어야 한다.

당 보고서는 화공플랜트 사업본부의 사업 수행 시 Pipe Rack의 설계 및 물량산출을 위해 배관부에서 작성한 표준 설계 Data를 이용하여 철골과 콘크리트 Pipe Rack의 경제성과 공사기간 등을 비교 분석하여 향후 유사 Project의 재료선정에 있어서 그 Guideline을 제시 하는데 목적이 있다.

2.2 비교 분석 범위

철근 콘크리트 특성상 Cast In-Situ 방법이나 Pre-cast Type 그 어떤 Type을 선택 하더라도 Pipe Rack의 부재 전반에 대한 철근 콘크리트 부재로의 변환은 시공성의 제한 및 상부 구조의 자중 문제로 인하여 시공성 및 구조체의 안정성이 열악해질 수 가 있다. 따라서 본 과제에서는 Column과 이에 직접 연결되는 부재인 Main Girder와 Spandrel Beam만을 각 단계별로 Concrete로 대체하고 나머지 부재들은 철골을 사용하는 Hybrid 구조의 경우에 대하여만 검토 하기로 한다.

철근 콘크리트 시공 방법 중 Cast In-Situ 방법이나 Pre-Cast Type에 대하여 상부 구조의 경우 물량의 차이는 거의 없으나 하부 구조의 경우 상부 구조와의 연결부분이 다르므로 물량의 차이가 생긴다. 따라서 본 연구에서는 Cast In-Situ 방법과 Pre-Cast Type 각각에 대하여 비교 검토를 수행 하였다.

Pipe Rack 설계 시 고려해야 하는 하중들은 거의 비슷하지만 지진 하중의 경우 지역적인 특성에 따라 그 값을 달리하며 이러한 차이는 구조물의 설계에 중요한 역할을 한다. 따라서 본 연구에서는 일반적인 지진구역 Zone 2B(PGA=0.20)와 강진 구역인 Zone 4(PGA=0.40)에 대하여 각각 비교 검토 하였다.

Fire Proofing을 고려하는 경우와 고려하지 않은 경우로 나누어 비교 검토 하였으며 고려하는 경우는 일반적으로 적용하는 지상 4.5m까지 또는 1단 Girder까지만 Fire Proofing을 하는 것으로 하였다.

본 연구의 목적은 철골로 된 Pipe Rack을 콘크리트로 대체하면서 각 단계별로 동일 조건에서의 철골과 콘크리트 재료 선택에 따른 소요물량을 산출하여 재료비 변동에 대한 경제성과 공사기간 그리고 시공성 등을 비교 분석하여 향후 유사 Project의 재료 선택에 대한 Guideline을 제시하는데 있다.

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3. 특성 비교

3.1 재료의 특성 비교

3.1.1 철골

철골 부재는 철근콘크리트 부재에 비해서 단위면적 당 강도가 매우 크고 인성이 풍부하므로 단면이 작아질 수 있고, 자중이 감소되므로 철근콘크리트에 비하여 훨씬 큰 Span, 그리고 높은 구조물에 적합하나 자중의 감소로 인하여 진동에는 취약한 특성을 가지고 있으며 열이나 부식에 취약하여 Fire Proofing과 Painting을 필요로 하는 등 유지 관리비가 많이 든다.

보의 Span은 10m 이내가 철근 콘크리트 구조의 적당한 Span이고 그 이상은 일반적으로 철골이 더 경제적으로 알려져 있다. 또한 H-형강, 강관, 경량형강 등의 형강류는 최근 그 종류가 늘어나고, 또 그 치수도 대형화되어가고 있다.

철골 부재는 어느 정도 공업 생산화 되었다고 볼 수 있다. 따라서 이들 부재의 접합 방법에 따라 부재의 강도에 직접적인 영향을 미친다고 할 수 있다. 이러한 관점에서 철근콘크리트 부재와 같이 기둥, 보 접합부를 일체화하는 구조와는 뚜렷한 대비를 보인다.

일반적으로 사용되는 강재는 탄소량이 0.2%이하이고 인장강도가 40~50kgf/mm2의 탄소강으로 이것을 연강(mild steel) 이라 부르며 Pipe Rack의 주 부재 재료로 사용된다.

3.1.2 철근콘크리트

철근콘크리트는 시멘트 모래, 자갈과 물 및 혼화제등의 혼합물인 콘크리트와 이를 보강하는 철근으로 이루어지므로 단일재료로 구성되는 다른 구조재료와는 그 특성이 상이하다고 할 수 있다. 그러나 콘크리트와 철근은 다음과 같은 성질로 인하여 서로 다른 두개의 재료가 일체가 되어 거동하게 된다.

- 철근과 콘크리트 사이의 부착성이 좋아 콘크리트 내부에서 철근의 상대적인 미끄럼을 방지하여 콘크리트와 철근은 일체로 거동한다.

- 콘크리트의 피복은 철근의 부식을 방지한다.

- 콘크리트와 철근의 온도에 대한 선팽창계수가 유사하여 온도 변화에 대해 거의 유사한 팽창과 수축을 한다. 콘크리트: 0.000010 ~ 0.000013/C & 철근:0.000012/C

철근콘크리트는 재료의 공급이 용이하고 경제적이며 부재의 형상과 치수가 자유롭다. 또한 콘크리트의 내화성과 내식성이 우수하므로 Fire Proofing과 Painting이 필요 없으나 재료의 재 사용 및 수정작업이 어렵고 기온이 높은 지역에서 고온으로 인한 콘크리트 강도 저하 및 균열로 많은 불량이 발생할 우려가 있다

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3.1.3 사용 재료별 규격서

현재까지 수행한 각 프로젝트 및 견적의 Spec. 및 Code를 조사해 본 결과, 강구조 및 철근 콘크리트의 경우 대다수 미국의 Code를 따랐으며 일부 Local Code를 규정한 경우도 있었으나, 미국 Code로서 Equivalent한 대체가 가능하였다. 따라서 미국 Code Base별 사용 가능한 재료별 규격서(Specification)는 다음과 같다.

철골 철근 콘크리트

Specification 재료 Specification 재료

ASTM A36 Carbon Steel ASTM C150 시멘트

ASTM A529 Carbon Steel ASTM C33 골재

ASTM A307 Bolt / Anchor Bolt ASTM A615 철근

ASTM A325 Bolt ASTM C260 혼화제

3.2 제작 및 시공 특성 비교

3.2.1 철골 구조물

철골 부재의 경우, 기본 설계도서의 완료 시점(AFC DWG Issue)에 시공도면(Shop DWG)이 이루어지며 이것을 근거로 하여 제작사에서 공장제작(Fabrication)에 착수하게 된다.

최근에는 제작 공정이 자동화로 되어 있어서 도면을 Computer에 입력하면 Conveyer Belt 방법으로 제강사에서 Roll Beam의 사출 공정과 같이 부재의 Cutting, 볼트 홀의 Punching 등의 공정이 자동화되어 있으며 수작업으로서는 연결부위의 Gusset Plat의 용접 및 Paint후의 Touch up 및 Packing정도가 수작업화로 전체 공정이 상당히 간편화 되어 있다.

시공 현장에서의 설치는 제작된 부재들을 Bolt로 연결하는 간단한 작업만 하면 되며 필요 장비들은 20ton Hydraulic Crane(Tire식) 및 볼트 조임의 간단한 도구와 수직도(Verticality)를 조정하기 위한 Turn buckle, Wire 소형 Winch 등을 필요로 한다.

Pipe Rack 구조물은 전체 공정상 후속 공정의 진행을 위하여 조기에 공사를 착수해야 하는데 철골의 경우 현지에서 제작을 하지않는 한 운송기간을 고려하여 조기에 제작을 착수해야 하므로 타부서의 설계가 완전히 반영되지 않은 상태에서 도면을 Issue하게 될 경우가 발생하며 이 경우 추후 많은 설계 변경이 발생한다. 그러나 철골의 경우 절단과 용접으로 부재의 수정과 보강이 가능하므로 현장에서 수정작업을 비교적 용이하게 수행 할 수 있다.

3.2.2 철근 콘크리트 구조물

콘크리트의 경우 재료의 공급이 용이하고 경제적이며 부재의 형상과 치수가 자유로워 최적화된 설계를 할 수 있으나 배관 및 전/계장과 간섭 시 수정이 어렵다.

Cast-in-Situ Type의 경우 Pipe Rack 기둥의 시공 시 재료분리 문제로 인하여 콘크리트 1회 타설 시 높이 제한을 받을 뿐만 아니라, 시공 시 다짐이 충분하지 않을 경우 기둥 표면에 콘크리트가 충분히 충진 되지 않은 벌집모양과 모서리 부분에 시멘트 풀

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이 없는 골재가 드러나는 현상이 발생 하기도 한다. 또한 콘크리트의 소정 강도 발현을 위하여 콘크리트를 치고 난 후에도 최소 15일 정도를 기다린 후 거푸집을 해체해야 하므로 후속 작업이 지연된다.

Pre-Cast Type은 제작장에서 지표면에 눕힌 상태에서 콘크리트를 타설하고 양생하여 부재들을 개별적으로 또는 Portal Frame으로 제작한 후 현장으로 이동시켜 접합 시키는 방법으로 Cast-in-Situ 방법에 비하여 제작이 빠르고 고소작업이 적어 동바리공이 거의 필요치 않으며, 콘크리트의 Quality Control이 용이하다. 그러나 이러한 Pre-Cast 공법은 Portal Frame의 Lifting을 위하여 구조물에 전용 Lifting Lug 설치해야 하며 사용 크레인은 도달거리 및 안전을 고려하여 최소 75 ~100 ton 이상은 되어야 한다.

콘크리트 Pipe Rack의 경우 제작이 현장에서 이루어지므로 운송기간이 필요 없어 공사의 조기 착수가 가능하며 Fire Proofing 공사 및 도장 공사가 필요 없고 Localization을 최대화할 수 있다.

3.3 구조 부재의 연결 방법

3.3.1 기초와 상부구조 기둥의 연결

상부구조가 철골인 경우 기초의 콘크리트에 상부구조의 철골 기둥을 Hinged 또는 Fixed Type의 두 방법으로 연결할 수 있으나, 철근콘크리트의 경우, 시공의 난이도 및 이에 따른 구조의 Stability상의 문제로 인하여 기초와 기둥의 연결방법은 Fixed Type으로만 하여야 한다.

이러한 Fixed Type의 조건을 만족시키기 위하여 Cast-in-Situ의 경우 기초 저판과 상부 기둥을 일체로 타설 하는 방법이 있으며 Pre-Cast의 경우 기둥과 저판 연결용 다우웰바(Dowel Bar)를 기초 저판으로부터 요구되는 만큼 확보한 후 현장에서 연결시키는 방법과 기초의 Pedestal에 홈을 만들어 상부기둥을 홈에 끼워넣은 후 수직 기둥과 홈 사이를 모르타르로 충진 시키는 방법이 있다.

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3.3.2 콘크리트 기둥과 철골 기둥의 연결

기둥의 일부분만 콘크리트로 하는 경우 하단의 콘크리트 기둥과 상부 철골 기둥의 연결방법으로는 Fixed 또는 Hinged Type 두 경우 모두를 사용할 수 있으나, 구조적 관점에서 보면 Fixed Type이 능력면에서 우수하다고 할 수 있다. 이러한 Fixed Type의 연결에서 Anchor Bolt의 위치를 상부 철골기둥의 Flange 밖으로 배열해야 하는데 하부 콘크리트 기둥의 단면이 충분하지 않을 경우 연결부위에서 Anchor Bolt가 묻히는 깊이 만큼 단면을 확장하여야 한다. 관련 Detail은 일반적인 철골 Pipe Rack에서 Pedestal에 철골 기둥을 고정시키는 방법과 동일하다.

3.3.3 콘크리트 기둥과 콘크리트 Beam의 연결 (Fixed)

Pipe Rack 구조물에서 Girder는 기둥에 Fixed Type으로 연결을 하는데 In-Situ Type 이거나 Pre-Cast Type의 Portal Frame일 경우 기둥과 일체로 타설 하는 방법이 있고 개별 부재들을 Pre-Cast로 제작하여 현장에서 연결시킬 경우에는 연결부의 기둥쪽에 Corbel을 설치하여 Girder의 수직하중을 저항하게 하고 기둥과 Girder의 연결부에 다른 강재를 미리 삽입하여 현장에 이들을 적절한 방법으로 연결함으로써 모멘트를 저항하게 만드는 방법이 있다.

3.3.4 콘크리트 기둥과 콘크리트 Beam의 연결 (Hinged)

Spandrel Beam의 경우 기둥에 Hinged Type으로 연결할 수도 있는데 이 경우에는 항상 Pre-Cast Type만 가능하며 기둥쪽에 Corbel을 설치하여 Spandrel Beam의 수직하중을 저항하게 하고 Corbel로부터 다우웰바(Dowel Bar)를 설치하여 Beam의 수평방향 이탈을 방지하도록 만드는 방법이 있다.

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3.3.5 콘크리트 기둥과 Steel 부재의 연결 (Fixed)

Steel로 된 Girder나 Cantilever 부재를 콘크리트 기둥에 연결할 경우 Fixed Type로 하게 되는데 연결부의 기둥에 미리 Steel Plate를 매설하여 현장에서 Steel 부재를 설치 시 Flange와 Web 모두 용접으로 연결하여 완전한 Fixed Type으로 만든다. 이 경우 기둥에 매설된 Steel Plate는 연결부의 반대쪽에도 매설하고 양쪽을 연결시켜 수직하중과 모멘트에 대하여 충분히 저항 하도록 해야 한다.

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3.3.6 콘크리트 기둥과 Steel 부재의 연결 (Hinged)

Steel로 된 부재를 콘크리트 기둥에 Hinged Type로 연결할 경우에는 연결부의 기둥에 미리 Steel Plate를 매설하여 현장에서 Steel 부재를 설치 시 Web 부분만 용접으로 연결하여 Hinged Type로 거동 하도록 만든다. 이 경우 기둥에 매설된 Steel Plate는 주로 Steel 부재의 수직하중에만 저항하면 되므로 Steel 부재가 연결되는 쪽에만 매설하면 된다.

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3.4 Pipe Rack 시공 예

- 철골 (AONE) - 콘크리트 (S/Pars Phase 6~8(JGC,TOYO)

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4. 구조 해석

4.1 해석 모델

4.1.1 검토대상 구조물 및 해석 Program

Pipe Rack의 설계 및 물량산출을 위해 배관부에서 작성한 표준 설계 Data를 이용하여 비교 검토 하였다.

- Pipe Rack의 폭은 9m로 하고 길이방향 Column간의 간격은 6m로 한다.

- Pipe Rack은 3단으로 설계하며 1단은 Process Piping Line을 2단은 Utility Piping Line을 3단은 Flare Piping Line 및 전/계장 Cable Tray를 설치하는 것으로 한다.

- Pipe Rack의 1단의 높이는 4500mm로 하며 각 단의 간격은 1800mm로 한다.

- Spandrel Beam은 Pipe Rack의 단과 단 사이에 위치 시킨다.

해석 Program은 SACS(Structural Analysis Computer System)를 이용하였다.

4.1.2 Case 구분

Case ColumnMain Girder

Spandrel Beam

나머지 부재 Concrete Level

Base Case-Steel

철골 철골 철골 철골 -

Case-1 콘크리트 콘크리트 철골 철골1단

Case-2 콘크리트 콘크리트 콘크리트 철골





- Base Case – Steel

- 폭 : 9.0 m

- 높이 : 8.1 m

- 길이 : 30.0 m

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- 콘크리트 1단 경우

- Case-1 - - Case-2 -

- Case-3 - Case-4


- Case-3 - - Case-4 -


- Case-5 - - Case-6 -

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4.2 설계 Data

일반 건축 구조물과 달리 Pipe Rack은 구조물 자체의 중량과 Pipe 그리고 Cable의 자중에 의한 수직하중과 횡하중으로서 바람, 지진과 같은 환경하중 뿐만 아니라 상부에 거치 된 Pipe Line의 신축량에 의해서 발생되는 마찰하중과 Anchor 하중이 추가된다.

4.2.1 기본하중

1) 구조물의 자중 및 전/계장 하중 (LC #1)

- 구조물의 자중은 Computer Modeling을 통하여 자동 계산하여 재하 한다.

- Fire Proofing에 대한 하중을 철골의 1단까지 고려하여 재하 한다.

- 전/계장 하중은 폭 600mm의 Tray를 기준으로 하여 6m폭에 5개가 놓이는 것으로 하여 3단에 재하 한다.

2) 수직 배관하중 (LC #2/3/4)

기본 하중은 배관부에서 작성한 표준 설계 Data를 따랐으며 다음과 같다

- 1단과 2단에는 8” Line을 기준으로 전구간에 걸쳐 하중을 등분포로 재하 한다.

- 3단에는 12” Flare Line(3ea)을 집중하중으로 재하 한다.

3) 마찰 배관하중 (LC #5)

- 마찰 하중은 배관 하중의 10%를 Pipe의 길이 방향으로 재하 한다.

4) Anchor 배관하중 (LC #6)

- Anchor 하중은 4-Bay에 가해지는 배관하중합의 10%를 Anchor Point에 재하 또는 한다.

5) Live Load (LC #7)

- 고려하지 않음.

6) Thermal Load (LC #8)

- 온도차 22 °C에 대하여 고려함 (AONE 기준)

- 열팽창계수 : 11.7 x 10-6 / °C

7) 풍 하중 (LC #9)

- 기본 풍속 77.6 mph(34.7 m/sec)를 UBC 97 기준으로 재하 한다.

8) 지진 하중 (LC #10/11)

- 지진 구역 Zone 2B와 Zone 4에 대하여 각각 고려 한다.

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4.2.2 하중 조합

- 허용 설계 하중 조합 -

LC Case Load CombinationIncreased

Factor

101 Erection (Wind +Y)(1.0 x LC#1) + (1.0 x LC#2) + (1.0 x LC#7)

+ (1.0 x LC# 9)1.333

102 Test (Wind +Y)(1.0 x LC#1) + (1.0 x LC#4) + (0.25 x LC#7)

+ (0.33 x LC# 9) 1.333

103 Operating(1.0 x LC#1) + (1.0 x LC#3) + (-0.1 x LC#5)

+ (1.0 x LC#6) + (1.0 x LC#7)+ (1.0 x LC#8)1.000

104Operating(Wind +Y)

(1.0 x LC#1) + (1.0 x LC#3) + (-0.1 x LC#5)+ (1.0 x LC#6) + (1.0 x LC#7) + (1.0 x LC#8)+ (1.0 x LC#9)

1.333

105Operating

(Seismic +X)(1.0 x LC#1) + (1.0 x LC#3) + (0.25 x LC#7)

+ (0.15 x LC#10)1.333

106Operating

(Seismic +Y)(1.0 x LC#1) + (1.0 x LC#3) + (0.25 x LC#7)+ (0.15 x LC#11)

1.333

107Operating

(Seismic +X) (0.9 x LC#1) + (0.9 x LC#3) + (0.15 x LC#10) 1.333

108Operating

(Seismic +Y) (0.9 x LC#1) + (0.9 x LC#3) + (0.15 x LC#11) 1.333

- 극한 설계 하중 조합 -

LC Case Load CombinationIncreased

Factor

201 Erection(Wind +Y) (1.05 x LC#1) + (1.05 x LC#2) + (1.28 x LC#7) + (1.28 x LC# 9)

-

202 Test (Wind +Y) (1.05 x LC#1) + (1.05 x LC#4) + (0.32 x LC#7) + (0.42 x LC# 9)

-

203 Operating (1.4 x LC#1) + (1.4 x LC#3) + 1.4 x (-0.1 x LC#5) + (1.4 x LC#6) + (1.7 x LC#7) + (1.4 x LC#8)

-

204Operating(Wind +Y)

(1.05 x LC#1) + (1.05 x LC#3) + (-0.105 x LC#5) + (1.05 x LC#6) + (1.28 x LC#7) + (1.05 x LC#8) + (1.28 x LC#9)

-

205Operating

(Seismic +X) (1.6 x LC#1) + (1.6 x LC#3) + 1.1 x (0.25 x LC#7) + 1.1 x (0.21 x LC#10)

-

206Operating

(Seismic +Y) (1.6 x LC#1) + (1.6 x LC#3) + 1.1 x (0.25 x LC#7) + 1.1 x (0.21 x LC#11)

-

207Operating

(Seismic +X) (1.27 x LC#1) + (1.27 x LC#3) + 1.1 x (0.21 x LC#10)

-

208Operating

(Seismic +Y) (1.27 x LC#1) + (1.27 x LC#3) + 1.1 x (0.21 x LC#11)

-

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5.

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6. 해석 결과

6.1 부재 해석 결과

6.1.1 Seismic Zone 2B

Case Steel Case-1 Case-2 Case-3 Case-4 Case-5 Case-6 Remark

부재 H250x250 350x350 350x350 400x400 400x400 430x430 430x430Column

U.C 0.57 0.72 0.76 0.81 0.81 0.85 0.85

부재 H340x250 450x350 450x350 450x350 450x350 450x350 450x350 1단 GirderU.C 0.67 0.81 0.82 0.88 0.90 0.82 0.93

부재 H200x200 400x300 400x300 400x300 400x300 400x300 1단 Spandre

lU.C 0.54 0.61 0.63 0.63 0.65 0.65 0.67

부재 H340x250 400x300 400x300 400x300 400x300 2단 GirderU.C 0.54 0.54 0.60 0.75 0.76 0.80 0.88

부재 H200x200 400x300 400x300 400x300 2단 Spandre

lU.C 0.55 0.53 0.53 0.53 0.66 0.66 0.67

부재 H294x200 350x250 350x250 3단 GirderU.C 0.69 0.68 0.69 0.71 0.72 0.61 0.63

부재 H200x200 400x300 3단 Spandre

lU.C 0.57 0.54 0.54 0.54 0.54 0.54 0.83

6.1.2 Seismic Zone 4

Case Steel Case-1 Case-2 Case-3 Case-4 Case-5 Case-6 Remark

부재 H250x250 400x400 400x400 450x450 450x450 500x500 500x500Column

U.C 0.71 0.92 0.92 0.92 0.92 0.89 0.89

부재 H340x250 500x400 500x400 500x400 500x400 500x400 500x400 1단 GirderU.C 0.77 0.92 0.94 0.73 0.76 0.78 0.80

부재 H200x200 400x300 400x300 400x300 400x300 400x300 1단 Spandre

lU.C 0.54 0.59 0.66 0.66 0.67 0.66 0.68

부재 H340x250 400x300 400x300 400x300 400x300 2단 GirderU.C 0.59 0.68 0.68 0.85 0.86 0.90 0.90

부재 H200x200 400x300 400x300 400x300 2단 Spandre

lU.C 0.55 0.55 0.55 0.55 0.70 0.69 0.69

부재 H294x200 350x250 350x250 3단 GirderU.C 0.69 0.70 0.70 0.80 0.80 0.70 0.72

부재 H200x200 400x300 3단 SpandreU.C 0.57 0.58 0.58 0.58 0.59 0.59 0.93

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l

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6.1.3 부재해석 결과 검토

고려한 Pipe Rack은 Span이 길고 높이가 낮은 구조물로 Column과 1단의 Main Girder 그리고 Vertical Brace만 Seismic Condition에 지배되고 있으며 나머지 부재들은 모두 Operating Condition 또는 Operating + Wind Condition에 지배를 받고 있다. 이는 구조물의 전체적인 거동에 의해 설계단면이 결정되기 보다는 개별 부재의 국부적인 하중 조건에 따라 설계 단면이 결정되고 있음을 의미한다.

또한 수직하중에 대한 수평하중의 비가 큰 하중 조건에 대하여 콘크리트 부재의 경우 Girder의 측면에 인장 철근을 배치하여 그 강성을 증가 시킬 수 있는 반면에 철골 부재에서는 부재의 특성상 횡방향 강성이 부족함에도 불구하고 적절한 보강 방법이 없으므로 수직방향 강성이 큰 부재를 사용한다.

그리고 철골 부재의 경우 기성 제품을 사용하고 자재 구매의 편의를 위하여 한정된 종류의 부재를 사용하므로 부재 선택의 폭이 좁아 최적화된 부재를 사용할 수 없다. 반면에 콘크리트의 경우 단면의 Size를 다양하게 할 수가 있고 또한 철근의 배치와 양을 조절하여 단면을 최적화 할 수 있다.

아래는 철골 Pipe Rack 설계 시 일반적으로 사용하는 부재들간의 강도 비교 표이다. 표에서 알 수 있듯이 상위부재에 대한 하위부재의 강도 비는 대략 55%~65%정도이다.

부재단면계수 (cm3)

Remark강축 % 약축 %

H350x350x12x19 2300 - 776 - Column 부재H300x30010x15 1360 59 450 58 Column 부재H250x250x9x14 867 64 292 65 Column 부재H200x200x8x12 472 54 160 55 Column 부재

H390x300x10x16 1980 - 481 - Beam 부재H340x250x9x14 1280 65 292 61 Beam 부재H294x200x8x12 771 60 160 55 Beam 부재H244x175x7x11 502 65 113 71 Beam 부재H194x150x6x9 277 55 67.6 60 Beam 부재

이상과 같은 이유로 콘크리트 부재들은 각각의 하중 조건에 따라 설계 단면이 최적화 되고 있는 반면에 현재 설계된 철골 부재들은 상대적인 여유가 큰 편이고 또한 지진하중 Zone 4에서 사용된 철골 부재들이 Zone 2B에서도 그대로 사용 되고 있는 이유이다.

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6.2 Case 별 물량

6.2.1 Steel 물량 (Seismic Zone 2B & 4)

콘크리트로 대체된 부재를 제외한 구조 부재의 물량

Case MemberLength(m

)

Unit Weight

WeightRemark

(kg/m) (ton)

Steel

H250x250 93.60 72.40 6.78 ColumnH340x250 108.00 79.72 8.61 GirderH294x200 144.00 56.81 8.18 Girder, BeamH200x200 225.00 49.87 11.22 Sub Column, Spandrel

BeamH244x175 45.00 44.22 1.99 BeamH150x150 18.00 31.67 0.57 Sub BeamT200x200 17.84 31.95 0.57 Vertical BraceT150x150 92.89 15.39 1.43 Vertical/Horizontal Brace

39.34

Case-1



31.39

Case-2



28.40Case-3 H250x250 21.60 72.40 1.56 Column

H294x200 144.00 56.81 8.18 Girder, BeamH200x200 165.00 49.87 8.23 Sub Column, Spandrel

BeamH244x175 45.00 44.22 1.99 BeamH150x150 18.00 31.67 0.57 Sub Beam

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T200x200 17.84 31.95 0.57 Vertical BraceT150x150 92.89 15.39 1.43 Vertical/Horizontal Brace

22.54

- 19 -

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Case MemberLength(m

)

Unit Weight

WeightRemark

(kg/m) (ton)Case-4 H250x250 21.60 72.40 1.56 Column



19.54

Case-5



14.91

Case-6



11.92

6.2.2 잡철 물량 (Seismic Zone 2B & 4)

콘크리트 부재와 철골 부재의 연결 및 Piping과 전계장 Support용 Embedded Plate 를 고려하여 산출한 물량

Case MemberPlate (cm) Unit W’t

No.W’t

RemarkL x W x t (ton/ea) (ton)

Case-1

Column 420 x 20 x1.2

0.08 2 0.19 Support Plate

1단 Girder 800 x 20 x1.2


1단 Spandrel 40 x 30 x1.2

0.01 20 0.23Connection

Plate1.29

Case-2 Column 420 x 20 x 1.2


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1단 Girder 800 x 20 x1.2





0.01 20 0.17 Sitting Plate

1.42

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Case MemberPlate(cm) Unit W’t

No.W’t

RemarkL x W x t (ton/ea) (ton)

Case-3



1단 Girder 800 x 20 x1.2


2단 Girder 800 x 20 x1.2








Plate

2.62

Case-4



1단 Girder 800 x 20 x1.2


2단 Girder 800 x 20 x1.2










2.75

Case-5Column 780 x 20 x

1.2


1단 Girder 800 x 20 x1.2


2단 Girder 800 x 20 x1.2


3단 Girder 800 x 20 x1.2








2단 Spandrel 30 x 30 x 1.2


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Plate

3.95

Case-6



1단 Girder 800 x 20 x1.2


2단 Girder 800 x 20 x1.2


3단 Girder 800 x 20 x1.2














4.08

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6.2.3 상부구조 콘크리트 물량

- Seismic Zone 2B

Case Member Height (cm) Width (cm) Length (m)Volume

(m3)

Case-1Column 35 35 50.4 6.17

1단 Girder 45 35 54.0 8.5114.68

Case-2

Column 35 35 50.4 6.171단 Girder 45 35 54.0 8.51

1단 Spandrel 40 30 60.0 7.20Corbel 30 30 6.0 0.54

22.42

Case-3

Column 40 40 72.0 11.521단 Girder 45 35 54.0 8.512단 Girder 40 30 54.0 6.48


34.25

Case-4


1단 Spandrel 40 30 60.0 7.202단 Spandrel 40 30 60.0 7.20

Corbel 30 30 12.0 1.0841.99

Case-5

Column 43 43 93.6 17.311단 Girder 45 35 54.0 8.512단 Girder 40 30 54.0 6.483단 Girder 35 25 54.0 4.73


Corbel 30 30 12.0 1.0852.50

Case-6

Column 43 43 93.6 17.31

1단 Girder 45 35 54.0 8.512단 Girder 40 30 54.0 6.483단 Girder 35 25 54.0 4.73

1단 Spandrel 40 30 60.0 7.202단 Spandrel 40 30 60.0 7.203단 Spandrel 40 30 60.0 7.20

Corbel 30 30 18.0 1.6260.24

- 24 -

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- Seismic Zone 4

Case Member Height (cm) Width (cm) Length (m)Volume

(m3)

Case-1Column 40 40 50.4 8.06

1단 Girder 50 40 54.0 10.8018.86

Case-2

Column 40 40 50.4 8.061단 Girder 50 40 54.0 10.80


26.60

Case-3



39.60

Case-4



Corbel 30 30 12.0 1.0847.34

Case-5

Column 50 50 93.6 23.401단 Girder 50 40 54.0 10.80

2단 Girder 40 30 54.0 6.48

3단 Girder 35 25 54.0 4.731단 Spandrel 40 30 60.0 7.202단 Spandrel 40 30 60.0 7.20

Corbel 30 30 12.0 1.0860.89

Case-6

Column 50 50 93.6 23.401단 Girder 50 40 54.0 10.802단 Girder 40 30 54.0 6.483단 Girder 35 25 54.0 4.73

1단 Spandrel 40 30 60.0 7.202단 Spandrel 40 30 60.0 7.203단 Spandrel 40 30 60.0 7.20

Corbel 30 30 18.0 1.6268.63

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6.2.4 기초 콘크리트 물량

- Seismic Zone 2B

Case TypeFooting Pedestal

(In-situ)Pedestal(Pre-cast)

No.

Volume (m3)

L1(m)

L2(m)

Thk.(m)

W(m)

H(m)

W(m)

W'(m)

H(m)

H'(m)

In-situ Pre-cast

SteelNormal 1.90 1.90 0.30 0.70 1.8

00.70 - 1.8

0- 8.0 15.72 15.72

Anchor 2.20 2.20 0.40 0.70 1.80

0.70 - 1.80

- 4.0 11.27 11.27

26.99 26.99

Case-1Normal 2.10 2.10 0.30 0.40 1.8

00.35 0.9

51.80

1.00

8.0 12.89 17.95

Anchor 2.30 2.30 0.40 0.40 1.80

0.35 0.95

1.80

1.00

4.0 9.62 12.15

22.50 30.09

Case-2Normal 2.10 2.10 0.30 0.40 1.8

00.35 0.9

51.80

1.00

8.0 12.89 17.95

Anchor 2.30 2.30 0.40 0.40 1.80

0.35 0.95

1.80

1.00

4.0 9.62 12.15

22.50 30.09

Case-3Normal 2.10 2.10 0.30 0.45 1.8

00.40 1.0

01.80

1.00

8.0 13.50 18.89

Anchor 2.40 2.40 0.40 0.45 1.80

0.40 1.00

1.80

1.00

4.0 10.67 13.37

24.17 32.26

Case-4Normal 2.10 2.10 0.35 0.45 1.8

00.40 1.0

01.80

1.00

8.0 15.26 20.65

Anchor 2.40 2.40 0.40 0.45 1.80

0.40 1.00

1.80

1.00

4.0 10.67 13.37

25.94 34.02

Case-5Normal 2.10 2.10 0.35 0.50 1.8

00.45 1.0

51.80

1.00

8.0 15.95 21.66

Anchor 2.50 2.50 0.40 0.50 1.80

0.45 1.05

1.80

1.00

4.0 11.80 14.66

27.75 36.32

Case-6Normal 2.20 2.20 0.35 0.50 1.8

00.45 1.0

51.80

1.00

8.0 17.15 22.87

Anchor 2.50 2.50 0.40 0.50 1.80

0.45 1.05

1.80

1.00

4.0 11.80 14.66

28.95 37.53

- Seismic Zone 4



No.

Volume (m3)

L1(m)

L2(m)

Thk.(m)

W(m)

H(m)

W(m)

W'(m)

H(m)

H'(m)

In-situ Pre-cast

Steel Normal 2.00 2.00 0.30 0.70 1.80

0.70 - 1.80

- 8.0 16.66 16.66

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Anchor 2.60 2.60 0.40 0.70 1.80

0.70 - 1.80

- 4.0 14.34 14.34

31.00 31.00

Case-1Normal 2.40 2.40 0.40 0.45 1.8

00.40 1.0

01.80

1.00

8.0 21.35 26.74

Anchor 3.10 3.10 0.45 0.45 1.80

0.40 1.00

1.80

1.00

4.0 18.76 21.45

40.10 48.19

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No.

Volume (m3)

L1(m)

L2(m)

Thk.(m)

W(m)

H(m)

W(m)

W'(m)

H(m)

H'(m)

In-situ Pre-cast

Case-2 Normal 2.40 2.40 0.40 0.45 1.80

0.40 1.00

1.80

1.00

8.0 21.35 26.74

Anchor 3.20 3.20 0.45 0.45 1.80

0.40 1.00

1.80

1.00

4.0 19.89 22.58

41.24 49.32

Case-3Normal 2.50 2.50 0.40 0.50 1.8

00.45 1.0

51.80

1.00

8.0 23.60 29.32

Anchor 3.30 3.30 0.45 0.50 1.80

0.45 1.05

1.80

1.00

4.0 21.40 24.26

45.00 53.58

Case-4Normal 2.50 2.50 0.40 0.50 1.8

00.45 1.0

51.80

1.00

8.0 23.60 29.32

Anchor 3.30 3.30 0.45 0.50 1.80

0.45 1.05

1.80

1.00

4.0 21.40 24.26

45.00 53.58

Case-5Normal 2.50 2.50 0.40 0.55 1.8

00.50 1.1

01.80

1.00

8.0 24.36 30.40

Anchor 3.40 3.40 0.45 0.55 1.80

0.50 1.10

1.80

1.00

4.0 22.99 26.01

47.34 56.41

Case-6Normal 2.60 2.60 0.40 0.55 1.8

00.50 1.1

01.80

1.00

8.0 25.99 32.03

Anchor 3.50 3.50 0.45 0.55 1.80

0.50 1.10

1.80

1.00

4.0 24.23 27.25

50.22 59.28

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7. Case 별 경제성 및 공사기간 비교

7.1 공사비 비교

7.1.1 재료별 가격 변동 추이

2002년 1월부터 2004년 3월까지의 철강제품과 콘크리트 가격의 변동 추이를 나타내었다, 철강제품은 수급불균형이 심화되면서 주요 제품의 가격이 폭등하는 추세이며 콘크리트 또한 골재 공급의 부족에 따라 가격이 상승 중에 있는 실정이다.

- 강재 가격 (2002. 01 ~ 2004. 03) – 국내가격

- 콘크리트 가격 (2002. 01 ~ 2004. 03) – 국내가격

(콘크리트) (철근 콘크리트)

- 자료 출처 : 사단법인 한국 물가정보 -

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7.1.2 사용 재료별 공사 단가

사용 재료별 공사 단가는 지역과 시기에 따라 그 변동의 폭이 크기 때문에 본 보고서에서 당사에서 현재 수행중인 A-ONE 공사의 재료비를 기준으로 결과를 산정하였다.

AONE의 경우 철골의 구매와 제작은 국내와 중국에서 이루어져 현장으로 해상 운송을 하였으며 콘크리트의 경우 2/3 Project 수행 가격에 비해 A-ONE 수행 시 50%이상 가격이 상승 되었으며 골재가격 또한 계약 초기에 비해 30%정도 가격 상승이 되었다.

AONE 현장의 각 재료별 대한 공사 단가는 다음과 같다.

- 철골

- 철근콘크리트

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7.1.3 공사비 비교 (AONE 기준)

- Seismic Zone 2B

- 공사비 그래프

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- Seismic Zone 4

- 공사비 그래프

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7.2 콘크리트 대비 철골 공사단가 비

7.2.1 Seismic Zone 2B

7.2.2 Seismic Zone 4

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7.3 공사기간 비교

공사기간 산정에 있어서 철골의 경우 국내에서 제작하여 현장으로 운송하는 것으로 하였으며 콘크리트의 경우 타설 방법에 따라 In-Situ Type과 Pre-Cast Type으로 구분하여 공사기간을 산정하였다.

In-Situ Type의 경우 Column과 Girder 그리고 Spandrel Beam을 일체로 시공하는 경우와 Column과 Girder를 일체로 시공한 후 Spandrel Beam은 Pre-Cast로 제작하여 별도로 연결하는 경우를 고려 하였다.

Pre-Cast Type의 경우 Column과 Girder 그리고 Spandrel Beam을 개별적으로 Pre-Cast로 제작하여 연결하여 설치하는 경우와 Column과 Girder를 Potal Frame의 형태로 Pre-Cast로 제작하여 설치하고 Spandrel Beam을 별도로 연결하는 경우를 고려 하였다.

7.3.1 철골

Note : 1. 길이 100m - 철골 130 ton 기준 2. Touch-Up Paint는 단순 비교를 위해 연속되는 공정으로 고려했음.

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7.3.2 콘크리트

- In-Situ Type

- Pre-Cast Type

Note : 1. 길이 100m - 철골 130 ton 기준 2. 콘크리트 자재는 초기 현장개설 시 물량 확보 가능하므로 철골 자재만 구매 3. Touch-Up Paint는 단순 비교를 위해 연속되는 공정으로 고려했음.

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8. 결론

8.1 결과 검토

본 보고서는 AONE 공사 기준으로 콘크리트($/m3)와 철골($/ton)의 공사단가 비율이 1 : 4~5.5 정도인 경우로 향후 공사단가 비의 변동률에 따라 다소 상이한 결과를 나타낼 수 있으나 공사단가 비의 급격한 변화가 없는 한 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다.

-경제성

- 공사기간

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8.2 결론

철골 Pipe Rack과 콘크리트 Pipe Rack에 대한 비교분석을 한 결과 콘크리트($/m3)와 철골($/Ton) 공사단가 비율이 아래와 같을 경우 콘크리트 Pipe Rack이 경제적임.

해외 공사에서 실제 공사단가 비가 대략 4~5정도인 점을 감안하면 Fire Proofing이 요구되는 구간에서는 콘크리트 Pipe Rack이 경제적임.

콘크리트 Pipe Rack 도입 시 경제성, 시공성, 공기 등을 감안 할 때 1단까지 콘크리트로 하는 것이 적절함.

본 역무의 결과는 한정된 결과이므로 Pipe Rack의 크기와 하중이 다를 경우 본 역무의 결과와는 다소 다른 결과를 나타낼 수 있으나 향후 유사 Project의 재료선정에 있어서 그 Guideline을 제시하는 목적으로 위의 결과를 적용하는 데는 큰 무리가 없다고 볼 수 있다.

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기술개발-콘크리트 piperack.doc

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