한국산학기술학회논문지 배수용그레이팅프레임의개선에관한연구 이은종 1, 김기선 1* 1 1* 요약그레이팅은아스팔트도로에설치하여배수를할수있는구조물이다본논문에서는그레이팅의구조를개선하여토사의쌓임을방지할수있는개선품을제안한다기존제품은프레임에오물이쌓여있어평상시해충이나악취가발생하며우천시배수가원활하지못해물이고이는현상도빈번할뿐만아니라역류하는현상이발생한다또한기존그레이팅이프레임과본체를일체형으로설치하여파손시전체를교체하여야하는단점이있다본연구는그레이팅본체와프레임을분리시킨구조로프레임을멘홀에시멘트와함께기초공사하여고정한후그레이팅본체는장착탈이가능하도록한구조로개발하였다 Abstract Grating is an installed structure on the road for drain. This paper proposes a new product which can prevent the accumulation of earth and sand through the improvement of Grating structure. There were usually harmful insects and bad smell because of accumulated garbage in the frame of previous product. The whole thing of the existing This study is to separate grating from body. Also body structure consists of frame and box for collecting sewage. Thus, earth and sewage are prevented from accumulating in the drain main hole. The contents of this study is designed safely after structure analysis and vibration shape analysis about new products, Key Words : grating, 그레이팅 high way, 고속도로 water drain, 배수 structure, 구조물 road, 도로 Ⅰ. 서론 도로변에서흐르는배수를지하하수구로보내는홀받침을배수용그레이팅 (grating) 이라하며그림 1과같은구조로되어있다. 기존제품은일체형으로주물에의하여제작하였으나최근에는구조용강에의한스틸제품의그레이팅이사용되고있으며이스틸그레이팅은배수능력이우수하고강한충격에도견딜수있는내구성, 저렴한가격및청소가쉽다는장점이있어상당부분교체가되었다. 그러나현재사용중인스틸그레이팅의가장큰문제점은토사및오물이직접메인홀에떨어져막히는현상이발생하여이로인하여배수기능이저하되면서고속도로의경우중앙분리대측부분의집수정의물고임현상으로위험을초래하고있는실정이다 [1]. 또한주택가나일반도로변에설치된스틸그레이팅도마찬가지로국지성집중호우나, 장마철등강수량증가시제기 1 공주대학교기계자동차공학부 * 교신저자 : 김기선 (keysun@kongju.ac.kr) 능을발휘하지못하는결과가발생한다. 본연구는이를개선하여그레이팅본체와프레임을분리시킨구조로하고프레임에바디를추가하는구조로개선하였다. 또한오물이맨홀에그대로떨어지는것을방지하기위하여그레이드받침통을만들어중간수집을하여제거할수있는구조로개선하였으며, 이에대한설계자료를위하여제품별로해석분석후결과를고찰하였다. Ⅱ. 구조모델링 가능한배수능력이좋고악취차단과하수역류방지기능을갖춘기능이되도록하였으며, 설치와교체가어려운기존스틸그레이팅의단점을보완하여뚜껑과받침을분리해시공한뒤뚜껑을고정시키도록설계하였다. 또토압을지탱하기위해 5 의철판을사용했으며, 도어에모래나이물질이끼어도작동에문제가없도록하였다. 파손된경우뚜껑만교체하면되므로시간과비용절 713
한국산학기술학회논문지제 8 권제 4 호, 2007 감효과도볼수있게하여모델링하였다. 제품에대한구조는그림 1과같이본체와프레임의분리형으로하였으며, 프레임을시멘트에공사시기초앵커역할을할수있도록끝부분은기초콘크리트속으로들어가고정하였다. 바디의중앙부분은안쪽으로 45도의경사를만들어토사가쌓이지못하도록하였다. 또한제품이하중을받을시신축이가능하도록횡단봉을스러스트바 (Thrust Bar) 로하여신축성을부여하였다. 또한오물을수거하기위한내부에받침바디를설치하였으며, 측면에물이배출할수있는구조로하였다. 구조는 1개로구성돤그림 1의단식그레이드본체와그림 2와같이여러개를연속하여넣을수있는복식그레이드본체구조로되어있다. 제품의모델링은 CATIA[2] 를이용하여 3차원형상모델링을한후조립현상을확인하였다 표 1. 해석절차해석계획의수립기하학적모델링의생성재료물성치정의절점및요소망의생성하중의적용및해석해석결과의출력및검증신편차와의비교분석표 2. 재료의기계적성질 Ⅲ. 단식그레이팅구조해석 그림 1. 단식그레이팅본체 그림 3과같이조립품에대한모델링된형상을조립상태로요소를생성작업을한결과노드수 (NODES) 는 40,803개요소분할수는 32,474개로분할하였으며, 그제품의무게및부피는표 3과같다. 표 3. 요소분할 그림 2. 복식그레이팅본체 3차원모델링후해석을수행하였으며, 구조해석은 ANSYS 10을이용하여하중인가에따른등가응력, 변형및변형율과진동모드형상에대하여고찰하였다 [3-5]. 구조해석은표 1과같은순서로행하였으며, 재료는구조용강판을사용하였고, 그기계적성질은표 2와같다 [6]. 그림 3. 요소분활 714
배수용그레이팅프레임의개선에관한연구 모델은그레이팅상판과프레임을조립한상태에서수행하였으며, 프레임을고정한상태이기때문에바닥시멘트기초면의변화가없다고가정하였다. 지지점은프레임과접하는면적으로하였고, 하중은중앙에 200mm * 400mm의범위에분포압력으로인가하였으며, 전체하중의크기는한국도로공사시험규격에의하여기본하중인 20 TON를적용하였다. 하중분포는자동차의타이어압력과유사하게바퀴중앙에는큰압력을가장자리는작은하중이작용하도록하여실제조건과유사하도록하였으며, 그분포는그림 4와같다. 또한구속조건으로시멘트와고정이되는상단윗면은고정이되었다고가정하여계산하였다. 다음으로부품의등가변형율결과가그림 6에나타내었다. 여기에서중앙부위는 3.7 * 10-4 으로최대변형율이존재함을알수있다. 외곽으로가면거의변형이없고바디의경우 2 * 10-6 정도로극히미비하였다. 그림 6. 단식그레이팅의변형율 그림 4. 하중및토압조건 응력해석은조립되고토압이작용하는것을고려하여전체분석을하였으며, 등가응력으로도시하였다. 첫째로개선된부품의등가응력결과를그림 5에나타내었다. 여기에서중앙부위는 50에서 75 MPa까지골고루분포하였으며, 특히중앙부분이응력이커짐을볼수있다. 여기에서프레임의초기에응력집중이되었으나실제로는적을것으로추정된다. 왜냐하면구속조건시고정으로인한오차와실제와이어를모델링시연봉으로하여생기는소성변형오차이기때문이다. 따라서본하중에견디기에는충분한구조임을확인하였다. 그림 5. 단식그레이팅의등가응력 그림 7. 단식그레이팅의변형량그림 7은하중작용시변형량을해석한결과이며, 여기에서중앙부위에서가장많은변형량을보여최대 0.1mm 변형이있는것으로나타났다. 해석의경우응력집중에의한오차를고려하면그값은더적어질것으로사료된다. 한편개선품으로바디를개발하였으며, 내부중간부위에앵글 (35*36*4t) 을설치했을경우와없을경우를비교해석하였다. 차량이지나갈때의수직하중외에작용하는토압에대하여도고려하였으며, 그기준은한국도로공사에서규정한도로설계요령 (P432) 을근거로계산하였다. 수직하중 20톤과차량하중에의한축압이 0.01314 MPa 이계산되었고주변토양에의하여받는토압이 0.00245 MPa 으로되어총 0.01559 MPa 의압력이측면및바닥에서받는하중으로추가조건을설정하였다. 응력해석은토압이작용하는것을고려하여전체분석을하였으며, 응력표시는등가응력으로도시하였다. 내부지지앵글이있는경우그림 8에지지앵글이없는경우등가응력결과를도시하였다. 앵글이없는최대응 715
한국산학기술학회논문지제 8 권제 4 호, 2007 력이 6.4 MPa 있으며그림 9에서처럼앵글을설치할경우 2.6 MPa로줄어드는것을확인하였다. 또한바디의배출구에서앵글이없는 2.0 MPa 이었으나앵글을설치할경우 1.15MPa 로줄었다. 전체적으로 6 MPa 이하로토압이나차량지나갈시안전한설계일것으로사료된다. 그림 11. 바디의등가변형율내부지지앵글이있는경우 그림 8. 바디의등가응력내부지지앵글없는경우 다음그림 10과그림 11는변형율해석의결과로서, 앵글이없는최대변형율이 0.32 * 10-4 이였으나앵글을설치할경우 0.13 * 10-4 으로줄어드는것을확인하였다. 또한바디의배출구에서앵글이없는 1 * 10-6 이었으나앵글을설치할경우 0.66 * 10-6 로줄었다. 이값은두모델모두거의변형이없는상태로안전한설계로사료된다. 그림 9. 바디의등가응력내부지지앵글있는경우 그림 12. 바디의등가변형량내부지지앵글없는경우 그림 10. 바디의등가변형율내부지지앵글없는경우 그림 13. 바디의등가변형량내부지지앵글있는경우 716
배수용그레이팅프레임의개선에관한연구 그림 12과그림 13는내부앵글이없는경우와있는경우의변형량분포를각각도시한것이다. 여기에서앵글이없는최대변형량은 7.73 * 10-3 mm 이였으나앵글을설치할경우 2.5 * 10-3 mm 로줄어드는것을확인하였다. 또한바디의배출구상부의처짐량에대하여비교하면앵글이없는처짐량은 5.76 * 10-3 mm 이었으나앵글을설치할경우 1.5 * 10-3 mm 로줄었다. 이값은두모델모두안전한설계로중간지지대가없어도가능할것으로사료된다. Ⅳ. 복식그레이팅구조해석 복식그레이팅응력해석은조립되고토압이작용하는것을고려하여전체분석을하였으며, 응력표시는등가응력으로도시하였다. 첫째로개선된부품의등가응력결과를그림 14에나타내었다. 여기에서중앙부위는 20 에서 36 MPa까지골고루분포하였으며, 특히중앙부분에응력이커짐을볼수있다. 따라서본하중에견디기에는충분한구조임을확인하였다. 그리고단식보다다소적은이유는중앙의이중플레임이바퀴의최대하중이미치는중앙에위치하였기때문이다. 그림 15. 복식조립시등가변형율그림 16는하중작용시변형량에대하여해석한결과이며여기에서중앙부위에서가장많은변형량을보여최대 0.05mm 변형이있는것으로나타났다. 해석의경우응력집중에의한오차를고려하면그값은더적어질것으로사료된다. 그림 16. 복식조립시변형량분포 그림 14. 복식조립시등가응력다음으로부품의등가변형율결과를그림 15에나타내었다. 여기에서중앙부위는 2.7 * 10-4 으로최대변형율이존재함을알수있다. 외곽으로가면거의변형이없고바디의경우 1.7 * 10-6 정도로극히미비하였다. 다음으로복식바디해석에서는개선품으로복식바디를개발하여긴구간에설치가능토록하였다. 차량이지나갈때의수직하중외에작용하는토압에대하여고려하였으며, 그기준은단식과마찬가지로한국도로공사에서규정한도로설계요령을근거로수직하중 20톤과차량하중에의한축압이 0.01314 MPa 이계산되었고주변토양에의하여받는토압이 0.00245 MPa 으로되어총 0.01553 MPa 의압력이측면및바닥에서받는하중으로추가조건을설정하였다. 응력해석결과토압이작용하는것을고려하면그림 17에서응력표시는등가응력으로도시하였다. 최대응력은 1.1 MPa 이며바디의모서리와중앙평면에서최대응력이발생하였다. 717
한국산학기술학회논문지제 8 권제 4 호, 2007 Ⅴ. 진동모드해석 그림 17. 복식바디의응력 그레이팅설계의적정성을확인하기위하여진동모드형상해석을수행하였으며, 우선그레이팅진동해석결과표 4과같다. 1,699 Hz에서 1차고유진동이형성되어있는것이확인하였고, 2차모드에서는 2,538 Hz로큰변화가없었으며, 고차순진동으로큰진동변화는없었다. 1차고유진동모드에서 4차모드에대하여해석한형상을그림 20에각각도시하였다. 상기값에서처럼안전성이확보된값을보였다. 다음으로변형율해석결과를등가변형율로그림 18 에도시하였다. 최대변형율이 5.5 * 10-6 을확인하였다. 또한바디의배출구에서 9.6 * 10-7 으로줄었다. 이값은변형이없는상태로안전한설계로사료된다. 차차차차 표 4. 그림 18. 복식바디의변형율 제품의처짐량에따른변형량에대하여해석한결과를그림 19에도시하였다. 중앙에서의처짐은 2.39 * 10-3 mm 으로최대값을보이고있다. 상기해석을통하여본제품에대하여토압및외부차량이지나갈때안전한구조설계가되였음을확인하였다. 차 차 차 차 그림 20. 그레이팅의진동모드 그림 19. 복식바디의변형량 다음으로단식바디진동해석결과표 5와같다. 내부앵글미설치시 475.554 Hz에서 1차고유진동이형성되어있는것이내부앵글설치시에는 167.106 Hz로거의진동수가줄어드는것을확인하였으며, 2차모드이상에서 718
배수용그레이팅프레임의개선에관한연구 도저진동으로분산되어진동설계에서는개선되었음을 볼수있다. 앵글설치전후에대하여 1 차모드에서 4 차 모드까지해석한형상을그림 21 에각각도시하였다. 표 5. 차차차차 앵글설치앵글미설치 Ⅳ 그림 21 단식바디의진동모드마지막으로복식바디진동형상해석결과표 6과같다. 110 Hz에서 1차고유진동이형성되어있는것이확인하였고, 2차모드에서는 120 Hz로큰변화가없었으며고차순진동으로값도큰진동변화는없었다. 1차모드에서 4차모드에대하여해석한형상을그림 22에각각도시하였다. 표 6. 앵글설치 Ⅰ 앵글미설치 차차차차 앵글설치 앵글미설치 Ⅱ (a) 1st Mode (b) 2nd Mode 앵글설치 Ⅲ 앵글미설치 (c) 3th Mode (d) 4th Mode 그림 22. 복식바디진동모드 719
한국산학기술학회논문지제 8 권제 4 호, 2007 Ⅴ. 결론 본논문은오물이맨홀에그대로떨어지는것을방지하기위하여그레이드받침통을만들어중간수집을하여제거할수있는구조로개선하였으며, 설계파라메타를위하여제품별로해석한결과다음과같은결과를얻었다. 1. 개선된제품에대하여차량이지나가고토압이발생할시각부위에걸리는응력및변형률을구하였고, 설계시보강부위를확인하였다. 2. 단식그레이팅을조립하여응력해석하였을경우중앙부위는 50에서 70 MPa까지골고루분포하였으며, 특히중앙부분이응력이커짐을볼수있다. 이경향은변형율과처짐량에서도유사함을보였다. 3. 단식에서내부중앙에앵글이없는것과앵글이있는것의처짐량을비교하면여기에서앵글이없는최대변형량은 7.73 * 10-3 mm이었으나앵글을설치할경우 2.5 * 10-3 mm 로줄어드는것을확인하였다. 4. 바디의배출구상부의처짐량에대하여비교하면앵글이없는처짐량은 5.76 * 10-3 mm 였으나앵글을설치할경우 1.5 * 10-3 mm 로줄어개선되는효과가있었다. 그러나이값은두모델모두안전한설계로따라서중간지지대가없어도가능할것으로사료된다. 이경향은응력해석및변형율해석에서도유사함을보였다. 5. 진동모드형상해석을수행한결과그결과 1차모드에서설계의안전성을확인하였다. 참고문헌 [1] 김기선, 이은종 도로배수용그레인딩구조의개선에관한연구, 한국산학기술학회, pp531-538,7권4호,2006 [2] 이석순, CATIA V3, 과학기술, pp55-102, 2006 [3] ANSYS, Inc,,Verfication manual, pp141-192,2001 [4] ANSYS, Inc,,Dynamics for ANYSIS,pp50-62,2005 [5] Cyril M. Harris,"Resiliently of supp- orted rigid 바디 "Shock Vibration, McGRAW-HALL, pp71-76,1998 [6] J.Djub,Limit State of the Plate Elements of Steel Structures,VEDA,pp233-242,1978 [7] H.O.Fuchs, Metal fatigue in engineering, JOHN WILLEY & SONS,pp76-94,2001 [8] K.C.Rockey, The finite element method, Crosby Lockwood, pp77-94,1996 김기선 [ 종신회원 ] 1991 년 8 월기계제작기술사 1980 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1983 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 1994 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 1994 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계자동차공학부교수 < 관심분야 > 지능형재료응용연구, 자동차부품개발, 제조전용기개발 이은종 [ 정회원 ] < 관심분야 > 생산공학, 정밀가공 1988 년 2 월 : 단국대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2001 년 2 월 : 국민대학교기계설계공학부 ( 공학박사 ) 1988 년 4 월 ~ 현재 : 공주대학교기계자동차공학부교수 720