한국산학기술학회논문지 도로배수용그레이팅구조의개선에관한연구 김기선 1*, 이은종 1 1* 1 요약그레이팅은아스팔트도로에설치하여배수를할수있는구조물이다본논문에서는그레이팅의구조를개선하여토사의쌓임을방지할수있는신제품을제안한다기존제품은프레임에오물이쌓여있어평상시해충이나악취가발생하며우천시배수가원활하지못해물이고이는현상도빈번할뿐아니라역류하는현상이발생한다또한기존그레이팅이프레임과본체를일체형으로설치하여파손시전체를교체하여야하는단점이있다본연구는그레이팅본체와프레임을분리시킨구조로프레임을멘홀에시멘트와함께기초공사하여고정한후그레이팅본체는장착탈이가능한구조로개발하였다또한분실방지용지그도설치하여이를개선하였다 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 product had a reverse-flowing sewage due to the bad draining in case of rain. The whole thing of the existing Grating installed with the one set of frame and main body should be changed when it was damaged. This study is to develop a structure which can separate grating main body from frame and grating main body can equip and separate after fixing frame to the manhole with cement. also install jig for the loss prevention and change for the better. Key Words : grating, 그레이팅 high way, 고속도로 water drain, 배수 1. 서론 1) 근래문화및생활수준의향상으로하수의배출량이많아지고있으며, 재래시장과상가주변식당가등에서버려지는하수와공업화로인한오, 폐수의배출량이증가되면서발생하는악취의농도가점점심해져서도로변배수의중요성이대두되고있다. 도로변에서흐르는배수룰지하하수구로보내는홀받침를배수용그레이팅 (grating) 이라하며그림 1과같은구조로되어있다. 기존제품은일체형으로주물에의하여제작하였으나최근에는구조용강에의한스틸제품의그레이팅이사용되고있으며이스틸그레이팅은배수능력이우수하고강한충격에도견딜수있는내구성, 저렴한가격및청소가 1 공주대학교기계자동차공학부 * 교신저자 : 김기선 (keysun@kongju.ac.kr) 쉽다는장점이있어상당부분교체가되었다. 그러나현재사용중인스틸그레이팅의가장큰문제점은그림 1(b) 과같이양쪽베어링바 (bering bar) 사이가토사로막히고, 오물이끼여원활한배수기능을저하시키는현상이발생하여이로인하여배수기능이저하되면서고속도로의경우중앙분리대측부분의집수정의물고임현상으로위험을초래하고있는실정이다.[1] 또한주택가나일반도로변에설치된스틸그레이팅도마찬가지로국지성집중호우나, 장마철등우수량증가시제기능을발휘하지못하는결과가발생한다. 아울러그레이팅맨홀준설이나청소중단단해진토사와오물로그레이팅뚜껑과받침틀을분리시키는게어렵고시간과비용이증가하는실정이다. 또한기존그레이팅이프레임과본체를일체형으로설치하여파손시전체를교체하여야하는단점이있다. 본연구는이를개선하여그레이팅본 531
한국산학기술학회논문지제 7 권제 4 호, 2006 체와프레임을분리시킨구조로프레임을멘홀에시멘트와함께기초공사하여고정한후그레이팅본체는장착탈이가능하도록한구조로양프레임끝에막히는현상이없도록프레임의경사를주어막히는것을방지할수있도록개발하였다. 아울러기존분실이나도난방지가잦은제품들의단점을개선하여설치가간편하고, 분실, 도난을예방할수있는비너를설치, 그기능을향상시킨신제품을제안하였다. 같이끝부분은기초콘크리트속으로들어가고정하였으며그림 3 (b) 에서중앙부분은안쪽으로 45도의경사를만들어토사가쌓이지못하도록하였다. 또한제품이하중을받을시신축이가능하도록그림 2 (b) 와같이횡단봉을스러스트바로하여신축성을부여하였다. 한편그림 3 (a) 과같이기존분실, 도난방지기능으로양쪽에비더를설치하여기능을추가하였다. 제품의모델링은 CATIA[2] 를이용하여 3차원형상모델링을한후조립현상을확인하였다. 탈착시맨홀 개선부품의구조도 가장자리막힘 그림 1. 기존 2. 구조모델링 가능한배수능력이적고악취차단과하수역류방지기능을갖추었으며설치와교체가어려운기존스틸그레이팅의단점을보완하여뚜껑과받침을분리해시공한뒤뚜껑을고정시키도록설계되었다. 또토압을지탱하기위해 5 의철판을사용했으며, 도어에모래나이물질이끼어도작동에문제가없도록했다. 파손된경우뚜껑만교체하면돼시간과비용절감효과도볼수있게하여모델링하였다. 아울러기존분실, 도난방지기능을가진제품들의프레임설치시의단점을개선하여설치가간편하고, 분실, 도난을예방할수있는비너를설치, 그기능을향상시켰다. 제품에대한구조는그림 2 (a) 와같이본체와프레임의분리형으로하였으며프레임을시멘트에공사시기초앵커역할을할수있도록상세도부분과 그림 2. 개선제품의구조 상세도 본체와프레임 532
도로배수용그레이팅구조의개선에관한연구 표 2. 재료의기계적성질 플레인의경사면 그림 4. 와같이모델링된형상을조립상태로요소를생성작업을한결과노드수 (NODES) 는 95,803개요소분할수는 50,474개로분할하였으며그제품의무게및부피는표 3 과같다. 표 3. 요소분할 조립도그림 3. 개발품의모델링 3차원모델링후해석을수행하였으며구조해석은 ANSYS 10.[3-5] 를이용하여하중인가에따른등가응력, 변형및변형율과진동모드형상에대하여고찰하였다. 구조해석은 표 1 과같은순서로행하였으며재료는 구조용강판을사용하였고그물성치는 표 2 와같다. [6] 표 1. 해석절차 그림 4. 조립도요소생성 3. 결과및고찰 모델은그레이딩상판과프레임을조립한상태에서수행하였으며프레임을고정한상태이기때문에바닥시멘트기초면의변화가없다고가정하였다. 컴퓨터시뮬레이션하여보면프레임변화는없기때문에상판의변화에대하여만비교해석하였다. 지지점은프레임과접하는면적으로하였고하중은중앙에 200 mm 400mm의범위에분포압력으로인가하였으며전체하중의크기는한국도로공사시험규격에의하여기본하중인 20 TON를적용하고양가장자리는응력집중을막기위하여하중을반으로줄여적용하였으며그분포는그림 5 과같다. 533
한국산학기술학회논문지 제7권 제4호, 2006 개선 후 제품에서도 거의 개선 전과 유사함을 보였다. 개선전 최대응력이 121MPa이고 개선 후에는 123 MPa로 거의 같은 값을 나타냈다. 구조적으로 재품의 지지점 및 크기가 유사하기 때문이다. 둘째로, 그림 8과 그림 9는 개선전과 개선후의 등가 변형량에 대한 해석 결과이다. 여기에서 개선 전 제품인 경우 중앙 지점에서 최대 0.2mm 이며 중앙을 중심으로 조금씩 회복 되는 것을 볼 수 있다. 개선후인 경우 중앙 의 최대 변위는 0.23mm로 거의 유사한 값을 보이고 있 다. 그림 5. 적용 하중 분포 첫째로 개선 전 부품의 등가 응력 결과가 그림 6에 보 인다. 여기에서 중앙 부위는 50에서 100 MPa까지 골고루 분포하였으며 프레임이 겹치는 부분에서 응력 집중( 최 대응력 121 MPa)이 있었으나 이는 구속 조건 시 고정으 로 인한 소성 변형 오차이기 때문에 실제로는 훨씬 작은 값이라 추정된다. 그림 8. 그림 6. 개선 전 등가 응력 그림 9. 세째로, 그림 10(a)와 같이 개선 후 제품이 중앙에 하 중을 받았을 때와 그림 10(b) 앞면에 집중하중을 받았을 때의 변화를 비교한 결과이다. 그림 11은 해석한 응력 분 포이고 그림 12는 등가 변형량 결과 이다. 여기에서 응력 의 분포 상태는 유사하나 앞부분에서 다소 집중하중을 받고 있는 것을 볼수 있었으며 변형량은 0.58mm정도가 최대로 유사함을 보였다. 그림 7. 개선 후 등가 응력 534
도로 배수용 그레이팅 구조의 개선에 관한 연구 중앙 하중 분포 중앙 하중 인가시 편중 하중 분포 그림 10. 중앙 및 편중하중 비교 편중 하중 인가시 그림 12. 개선 전 등가 변형량 중앙 하중 인가 시 중앙 하중 인가시 편중 하중 인가 시 그림 11. 개선 전 등가응력 535
한국산학기술학회논문지 제7권 제4호, 2006 편중 하중 인가시 편중 하중 인가시 그림 13. 개선 후 등가응력 그림 14. 개선 후 등가 변형량 분포 마지막으로 그림 5와 같이 개선 후 제품이 중앙에 하 표 3. 해석 결과 중을 받았을 때와 앞면에 편중 하중을 받았을 때의 변화 개선전 개선후 를 비교한 결과이다. 그림 13은 해석한 응력 분포이고 그 림 14는 등가 변형량 결과 이다. 여기에서 응력의 분포 상태는 유사하나 앞부분에서 다소 집중하중을 받고 있는 것을 볼 수 있었으며 변형량은 중앙부분이나 앞부분이나 유사함을 보였다. 한편 설계의 적정성을 확인하기 위하여 진동 모드 형상 해석을 수행 하였으며 그 결과 표3 과 같다. 개선 전 506 Hz에서 1ST 고유진동이 형성되어 있는 것이 개선 후에는 677 Hz로 거의 변화가 없었으며 본 해석을 토대로 설계하여 시제품을 그림 17과 같이 2nd 모드 이상에서는 고 진동으로 분산되어 진동설계에 제작하여 현재 각 도로에서 필드 시험 중이며 계절 변화 서는 개선되었음을 볼 수 있다. 개선 전후의 1st 모드와 에 따른 환경시험, 장마 시에 발생하는 역류 현상 등에 2nd 모드에 대하여 해석한 형상을 그림 15와 그림 16에 대한 연구가 진행 중이며 수년간의 검증 후 그 결과를 추 각각 도시하였다. 후 발표 할 예정이다. 중앙 하중 인가시 536
도로배수용그레이팅구조의개선에관한연구 4. 결론 그레이팅개발품에대하여개선전과의비교구조해석 한결과다음과같은결과를얻었다. 그림 15. 개선전진동모드 1. 모델링하고유한요소하여지진시각부위에걸리는응력및변형률을구하였고설계시보강부위를확인하였다 2. 개선전부품의등가응력결과중앙부위는 50에서 100 MPa까지골고루분포하였으며프레임이겹치는부분에서응력집중 ( 최대응력 121 MPa) 이있었으나이는구속조건시고정으로인한소성변형오차이기때문에실제로는훨씬작은값이라추정된다. 개선후제품에서도거의개선전과유사함을보였다. 개선전최대응력이 121MPa이고개선후에는 123 MPa로거의같은값을나타냈다. 구조적으로재품의지지점및크기가유사하기때문이다. 3. 개선전과개선후의등가변형량에대한해석결과개선전제품인경우중앙지점에서최대 0.2mm 이며중앙을중심으로조금씩회복되는것을볼수있다. 개선후인경우중앙의최대변위는 0.23mm로거의유사한값을보이고있다. 4. 개선후중앙에하중인가시 0.231mm이고편심하중을인가한경우 0.238mm로동일한처짐이발생하여끝단에도개발전과비슷함을보였다. 5. 설계의적정성을확인하기위하여진동모드형상해석을수행하였으며그결과개선전 506 Hz에서 1st 고유진동이형성되어있는것이개선후에는 677 Hz 로거의변화가없었으며 2nd 모드이상에서는고진동으로분산되어진동설계에서는개선되었음을볼수있다. 그림 16. 개선후진동모드 참고문헌 그림 17. 시제품사진 [1] Richard L., Experimental Methods for Mechanical Testing, SEM,PP53-65, 1997 [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 body" Shock Vibration, McGRAW-HALL, pp71-76, 1998 [6] J.Djub, Limit State of the Plate Elements of Steel Structures, VEDA, pp233-242,1978 537
한국산학기술학회논문지제 7 권제 4 호, 2006 [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 ] 이은종 [ 정회원 ] 1980 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학사 ) 1983 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 1994 년 2 월 : 인하대학교기계공학과 ( 공학박사 ) 1994 년 3 월 ~ 현재 : 공주대학교기계자동차공학부교수 1991 년 8 월기계제작기술사 < 관심분야 > 지능형재료응용연구, 자동차부품개발, 제조전용기개발 < 관심분야 > 생산공학, 정밀가공.. 1988 년 2 월 : 단국대학교기계공학과 ( 공학석사 ) 2001 년 2 월 : 국민대학교기계설계공학부 ( 공학박사 ) 1988 년 4 월 ~ 현재 : 공주대학교기계자동차공학부교수 538