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문제 정의
- 스킨부에 보강되는 ㄷ형강과 U리브는 강축 방향으로의 단면 2차모멘트를 상사법칙에 따라 일치시키고, 재료상의 차이를 추가 고려하여 휨강성을 맞추는 것으로 하였다. 또한 트러스부재의 경우, 진동특성에 대한 단면 형상의 영향이 클 것으로 판단되므로 기존의 원형단면 형상을 그대로 유지하고자 하였다.
- 또한 문비의 진동을 줄 일수 있는 하부형상을 검토하기 위하여 문비 최하부의 각도를 20°에서 35°모형, 50°모형, 판 부착 모형으로 변경 제작하고 실험결과를 서로 비교한다. 현 설계된 수문의 안전성과 진동을 줄일 수 있는 형상을 검토하고, 수문 조작 시 관리지침 설정기준을 마련하고자 한다.
제안 방법
- 동적측정에서는 모형의 고유진동수 측정, 모형의 상하류 수위와 문비의 개방고에 따른 수직 및 수평방향의 진동진폭 측정하였다. 계측 시스템은 증폭기는 8채널 dynamic strain meter가 사용되었으며, 진동계는 수중에서 사용할 수 있는 0.
- 모형을 통과하는 흐름의 안정적 흐름을 위하여 정수지 상류부에 블럭을 일정한 간격으로 설치하고, 3조의 강판 정류판을 설치하였다. 또한 모형수로 말단에 감속 기어를 부착한 웨어를 설치하여 모형 하류부의 수위와 유량을 조절하였다. 수리조건에 대한 Froude의 상사법칙을 적용하면 유량은 #, 유속은 #의 축척이 고려되어 적용되어 진다.
- 또한 문비의 진동을 줄 일수 있는 하부형상을 검토하기 위하여 문비 최하부의 각도를 20°에서 35°모형, 50°모형, 판 부착 모형으로 변경 제작하고 실험결과를 서로 비교한다.
- 각 실험조건에 따라서 1초에 100개의 데이터를 20초 동안 측정하였다. 먼저 물이 없는 상태에서 영점조정을 맞추고 시험조건에 맞는 수위와 개방고에서 수직 및 수평방향의 진동진폭 측정하였다. 사진 1과 사진 2는 제작된 모형과 모형실험중인 수로를 보인다.
- 8 m의 콘크리트 블록으로 제작하였는데, 가로 세로 5m씩의 유입 정수조와 14 m의 실험수조, 그 뒤에 가로 세로 5m씩의 하류 정수조가 설치된다. 모형이 설치된 위치에는 길이 1.0 m, 높이 0.5 m의 투명 아크릴 판을 설치하여 문비의 거동과 흐름현상을 관측할 수 있게 하였다. 용수의 공급은 300 mm와 400 mm의 2조의 관로에 의하여 공급되어 지며, 밸브 조정에 의해 정수조와 실험수조를 통해 모형 설치부에 원하는 유량을 유입시키고 실험된 물은 하류 정수조와 웨어를 통하여 순환된다.
- 문비 개방시 진동의 영향을 파악하기 위하여 실험결과 진동이 가장 크게 발생하는 범위인 개방고 0~2 cm에서 문비개폐시의 진동 현상을 측정하였다. 원설계의 인양속도 0.
- 0005 g의 정밀도를 갖는 1g의 방수형 진동계 5조가 사용되었다. 문비 중앙 하단에 2조(상하 방향, 앞뒤 방향), 문비 1/4지점에 2조(상하 방향, 앞뒤 방향), 트러스 중앙부에 1조를 부착하였고, 진동계는 측정하고자 하는 방향에 따라서 진동계의 방향을 정하였다. 각 실험조건에 따라서 1초에 100개의 데이터를 20초 동안 측정하였다.
- 문비 최하단부 보강부재 각도를 달리한 모형을 제작하여 실험하고 결과를 분석하였다. 최하단부의 형상은 작은 개방고에서 문비진동에 영향을 크게 미치는 것으로 연구되었다.
- 4 m 구간은 인양장치를 설치하기 위한 공간으로 사용하였다. 문비의 개폐를 위하여 감속기어를 이용하여 실제 구조물에서의 인양속도를 상사법칙에 맞추어 구현하였다. 모형은 전면의 스킨부와 띠장트러스와 후면의 주트러스 그리고 이를 연결하는 8개의 스트럿 부재가 있으며, 주트러스와 스트럿부재에는 각각 브레이싱이 설치된다.
- 그러나 복합구조물의 탄성은 판 두께에 직접 비례하므로 강성은 모형의 기하학적 형상을 변경하여 조정할 수 있고, 실제적으로 탄성계수 E의 값이 작은 모형 재료를 사용하면 그만큼 재료의 두께를 증가시킬 수 있다(Kolkman, 1974). 본 실험에서는 원형의 재료인 철과 탄성계수의 비가 약 1:75인 아크릴을 사용하여 두께를 3배로 증가시켜서 모형을 제작하고 납으로 질량을 각 요소 중심에 보정하였다. 표 1에 원형과 모형의 재료특성을 정리하였다.
- 모형은 장착된 레일을 따라 좌, 우측에 설치된 2개의 기어 모터를 이용하여 상, 하로 인양되며, 수리시험이 실시되기 전에 고유진동수 측정 시험을 하게 된다. 본 연구대상 문비는 실제구조물과같이 큰 강성을 갖고 있지 않으므로, 가진기를 사용하지 않고, 모형 표면에 손상이 가지 않도록 외부로부터 동적 충격을 가하고, 구조물에 설치된 가속도계로부터 가속도를 연속적으로 취득한다. 실제 데이터는 5000Hz rate로 취득하였고, 한번 측정에 약 10초간씩 측정하였으나, 가진의 영향을 배제하고 고유진동수를 분석하기 위하여 가진 후 진동가속도가 감쇠하는 구간에 대하여만 별도로 데이터를 구분하고 분석하였다.
- 본 지구 수문의 진동 정도를 평가하기 위하여 모형실험과 실측에 의하여 측정자료가 있는 수문의 문비진동 값과 비교 하였다. 그림 13에서 비교 되는 대상은 본 지구 수문을 포함하여 새만금지구(농어촌진흥공사, 1995), 화옹지구(농어촌진흥공사, 2001), 충주댐(한국수자원공사, 2001), 4대강 보의 A수문(부산대학교 지진방재연구센터, 2010)의 5개 지구 수문이며, 낮은 개방고(모형에서 6 cm이하)에서 진동진폭을 비교한다.
- 수문의 하단부의 형상에 따라 작은 수문 개방고에서 진동의 영향이 크게 변화 할 수 있어 수문하단 보강판의 각도를 20°, 35°, 50°로 변경제작하고, 또한 원형의 가로보와 보강판 사이에 판을 부착한 모형을 제작하여 수위조건에 따라 실험을 수행하고 그 결과를 서로 비교하였다.
- 본 연구대상 문비는 실제구조물과같이 큰 강성을 갖고 있지 않으므로, 가진기를 사용하지 않고, 모형 표면에 손상이 가지 않도록 외부로부터 동적 충격을 가하고, 구조물에 설치된 가속도계로부터 가속도를 연속적으로 취득한다. 실제 데이터는 5000Hz rate로 취득하였고, 한번 측정에 약 10초간씩 측정하였으나, 가진의 영향을 배제하고 고유진동수를 분석하기 위하여 가진 후 진동가속도가 감쇠하는 구간에 대하여만 별도로 데이터를 구분하고 분석하였다. 이상과 같은 방법으로 분석한 고유진동수 결과를 전후방향 가진 시와 연직방향 가진시로 분리하여 표 4에 정리하였다.
- 연구대상 문비의 하단부의 형상은 문비 하단부의 경사각을 50°로 제작하여 실험하고, 이후 경사각을 35°, 20°로 변경하여 실험하였다.
- 연구대상 수문의 동적 특성을 파악하고, 모형의 신뢰성을 확인하기 위하여 고유진동수 해석을 수행하였다. 범용 유한 요소 해석프로그램인 MIDAS CIVIL 2009 Ver 2.
- 모형은 전면의 스킨부와 띠장트러스와 후면의 주트러스 그리고 이를 연결하는 8개의 스트럿 부재가 있으며, 주트러스와 스트럿부재에는 각각 브레이싱이 설치된다. 전면부 스킨부는 23개의 세로 리브, 그리고 12열의 수평보강재를 갖는 뼈대 구조물로 구성하였으며, 중량의 상사를 위하여 전면스킨에 부착된 띠장트러스와 후면 주트러스에 납을 설치하여 질량 보정하였다.
- 폭 40.0 m, 높이 9.0 m의 트러스형 리프트게이트에 대하여 모형을 제작하고, 상하류 수위와 문비 개방고에 따른 실험을 수행하여 진동특성을 정리하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 문비 중앙 하단에 2조(상하 방향, 앞뒤 방향), 문비 1/4지점에 2조(상하 방향, 앞뒤 방향), 트러스 중앙부에 1조를 부착하였고, 진동계는 측정하고자 하는 방향에 따라서 진동계의 방향을 정하였다. 각 실험조건에 따라서 1초에 100개의 데이터를 20초 동안 측정하였다. 먼저 물이 없는 상태에서 영점조정을 맞추고 시험조건에 맞는 수위와 개방고에서 수직 및 수평방향의 진동진폭 측정하였다.
- 동적측정에서는 모형의 고유진동수 측정, 모형의 상하류 수위와 문비의 개방고에 따른 수직 및 수평방향의 진동진폭 측정하였다. 계측 시스템은 증폭기는 8채널 dynamic strain meter가 사용되었으며, 진동계는 수중에서 사용할 수 있는 0.0005 g의 정밀도를 갖는 1g의 방수형 진동계 5조가 사용되었다. 문비 중앙 하단에 2조(상하 방향, 앞뒤 방향), 문비 1/4지점에 2조(상하 방향, 앞뒤 방향), 트러스 중앙부에 1조를 부착하였고, 진동계는 측정하고자 하는 방향에 따라서 진동계의 방향을 정하였다.
- 본 지구 수문의 진동 정도를 평가하기 위하여 모형실험과 실측에 의하여 측정자료가 있는 수문의 문비진동 값과 비교 하였다. 그림 13에서 비교 되는 대상은 본 지구 수문을 포함하여 새만금지구(농어촌진흥공사, 1995), 화옹지구(농어촌진흥공사, 2001), 충주댐(한국수자원공사, 2001), 4대강 보의 A수문(부산대학교 지진방재연구센터, 2010)의 5개 지구 수문이며, 낮은 개방고(모형에서 6 cm이하)에서 진동진폭을 비교한다. 이중 3지구는 수문의 형태가 테인터게이트이고, 2개 지구는 트러스형 리프트 게이트로, 문비하부의 형상과 수위조건이 다르기 때문에 직접적으로 비교하기에는 제한이 있으나, 전체적으로 진동의 크기를 간접적으로 비교할 수는 있는 것으로 판단된다.
- 모형수조는 길이 24 m, 폭 1.6 m 높이 0.8 m의 콘크리트 블록으로 제작하였는데, 가로 세로 5m씩의 유입 정수조와 14 m의 실험수조, 그 뒤에 가로 세로 5m씩의 하류 정수조가 설치된다. 모형이 설치된 위치에는 길이 1.
- 본 연구대상 문비의 원 설계는 폭 40.0 m, 높이 9.0 m의 Curved skin을 갖는 연직 lift 게이트로서 축척 1:25를 고려하면 폭 1.6 m, 높이 0.36 m의 모형으로 제작된다. 제작된 수로와 모형을 연결하기 위하여 스테인리스로 제작된 연직레일(권양기와 주롤러의 역할을 함)이 사용되었으며, 2 m의 수로폭 중 시험에 사용될 1.
- 문비의 안정한 거동을 위하여 하부의 형태가 유선의 흐름과 부합하는 형태가 바람직하며, 날카로운 선단부나 국부적으로 둥근 형태가 요망된다. 본 연구대상 수문은 비교적 날카로운 선단부에 속하는 형태여서 작은 개방고에서 부압에 의한 진동이 발생하지 않은 것으로 판단된다.
- 본 연구에서 사용된 아크릴의 탄성계수는 2800 MPa이다. 축척 1/25의 상사법칙에 따라 탄성계수는 8,400 MPa이 요망되나, 이러한 재료를 구하기에는 어려움이 있다.
- 본 연구에서는 경간 40 m, 높이 9m의 트러스형 리프트게이트를 축척 1/25로 모형이론에 따라 아크릴로 모형을 제작하고, 폭 1.6 m, 길이 25 m, 높이 0.8 m로 설치된 수로에서 상하류 수위와 문비 개방고에 따른 진동특성을 실험한다. 또한 문비의 진동을 줄 일수 있는 하부형상을 검토하기 위하여 문비 최하부의 각도를 20°에서 35°모형, 50°모형, 판 부착 모형으로 변경 제작하고 실험결과를 서로 비교한다.
- 이중 3지구는 수문의 형태가 테인터게이트이고, 2개 지구는 트러스형 리프트 게이트로, 문비하부의 형상과 수위조건이 다르기 때문에 직접적으로 비교하기에는 제한이 있으나, 전체적으로 진동의 크기를 간접적으로 비교할 수는 있는 것으로 판단된다. 새만금 지구는 내측 수문에서 상류 32 cm, 하류 11 cm의 수위에서 개방 고별 진동측정 결과로, 농어촌진흥공사(1995)의 537쪽 Table 6, 8의 M1모형에 대한 측정자료를 이용하였다. 화옹지구는 해측 수류방향 모형의 진동현상 결과로 상류 32 cm, 하류 12 cm의 수위에서 개방고별 진동측정 결과이며, 충주댐은 원형 수문의 실측자료로 50 cm 이상의 개방고에서 측정되었다.
- 연구대상 수문은 폭 40.0 m, 높이 9.0 m의 그림 1과 같은 형상을 갖는 게이트이다. 모형은 크게 문비본체부(전면 스킨부와 보강재, 후면 트러스 지지부 그리고 끝단 상자형 지지부), 주롤러 및 측면롤러에 해당하는 레일부로 구분된다.
- 456 kgf로 산정된다. 이 납보정 중량은 대상 모형이 전면부 스킨과 후면부 트러스를 잇는 스트럿 부재에 의하여 5개의 bay로 나누어져 있는 것을 고려하여 상하단 총 10개소씩 20개소에 분배하였다.
- 36 m의 모형으로 제작된다. 제작된 수로와 모형을 연결하기 위하여 스테인리스로 제작된 연직레일(권양기와 주롤러의 역할을 함)이 사용되었으며, 2 m의 수로폭 중 시험에 사용될 1.6 m는 아크릴을 이용하여 유입로와 유출로를 구성하고, 나머지 0.4 m 구간은 인양장치를 설치하기 위한 공간으로 사용하였다. 문비의 개폐를 위하여 감속기어를 이용하여 실제 구조물에서의 인양속도를 상사법칙에 맞추어 구현하였다.
데이터처리
- 연구대상 수문의 동적 특성을 파악하고, 모형의 신뢰성을 확인하기 위하여 고유진동수 해석을 수행하였다. 범용 유한 요소 해석프로그램인 MIDAS CIVIL 2009 Ver 2.0.0을 사용하여 Eigen value analysis를 수행하였으며, 그 결과를 표 3에 정리하였다. 총 해석된 고유진동수는 20개이지만, 주된 에너지를 갖는 저차모드 6개에 대하여 결과는 나타내었다.
이론/모형
- 이 축척은 문비 세부의 적절한 재현이 가능하고 용이하게 실험할 수 있다. Froude 상사법칙에 따라 축척을 적용하였다. 이 상사조건에 따르면 모형의 탄성계수는 의 조건이 요구되나 모형의 재료로 상기 조건을 만족시키는 것을 구하기란 쉽지 않다.
- 개수로의 수문에서 흐름을 지배하는 주된 힘이 관성력과 중력 가속도이므로 이때의 모형축척은 Froude 상사법칙에 따르며, 본 실험에서는 모형의 축척을 로 결정하였다. 이 축척은 문비 세부의 적절한 재현이 가능하고 용이하게 실험할 수 있다.
성능/효과
- 1. 상하 관리수위일 때 작은 개방고에서 진동측정 결과는 부압에 의한 진동(캐비테이션)은 발생되지 않거나 작은 것으로 측정되며, 타지구와 비교해서도 수문의 진동은 크지 않은 것으로 평가된다.
- 2. 개방고 8~10 cm(원형 200~250 cm)범위에서 뒤돌아 치는 와류현상으로 인한 진동이 발생하며, 이 범위에서도 주위를 기울일 것이 요망된다. 판부착 모형에서 이 범위의 진동 가속도 진폭이 크게 감소함을 볼 수 있었고, 이것은 뒤돌아 치는 와류의 영향이 판에 의하여 차단되기 때문으로 판단된다.
- 3. 문비 하부 보강재의 각도(20°, 35°, 50°)에 따른 모형을 제작하여 실험한 결과 각도가 클수록 진동은 작아졌으나 그 정도는 크지 않은 것으로 평가된다.
- 4. 월류시 모형에서 0.5~1.5 cm, 실형에서 12.5~37.5 cm의 개방고에서 월류에 의한 비교적 큰 진동이 발생하므로 이개도의 운전을 최소화하고 주의를 기울여야 할 것으로 판단된다. 상류수위별 진동검토결과 월류수위 4 cm(원형 100 cm) 이내서 수문을 개방하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
- 5. 수문의 개폐시에 진동을 측정한 결과 큰 차이는 없었지만, 수문을 열 때가 닫을 때 보다 약간 큰 진동현상을 보였으며, 문비중앙부의 상하 진동이 가장 크게 발생됨을 확인할 수 있었다.
- 6. 처음 월류가 시작되어 수류가 배면의 가로보를 타고 흐를 때(모형 월류 수위 0~1.5 cm, 원형 월류수위 0~37.5 cm)가 그 이상의 월류수위 보다 큰 진동이 발생함을 확인하였다.
- 7. 수문 고유모드 검토결과 수평진동을 구속시키는 것은 가능하나 문비 개폐 작동시 수직진동을 제어하는 것은 곤란하므로, 이러한 수직진동의 발생을 가능한 한 줄일 수 있는 것이 요망된다.
- 총 해석된 고유진동수는 20개이지만, 주된 에너지를 갖는 저차모드 6개에 대하여 결과는 나타내었다. 고유진동 해석 결과에 따르면, 대상구조물의 주된 거동은 수압에 의한 전후방향의 거동과 중력가속도에 의한 연직방향으로의 거동이 가능할 것으로 판단되며, 좌우측 콘크리트와 접촉하며 주롤러 및 측면 보조롤러에 의하여 지지됨에 따라 횡방향(문비 길이방향)으로의 거동은 저차모드에서 발생되지 않았다.
- 이러한 차이들이 발생되는 이유는 모형을 제작하면서 품질관리가 강재에 비하여 상대적으로 어려운 아크릴을 재료로 적용하면서 판두께나 접합부 처리, 탄성계수의 차이 등과 지점부 경계조건의 차이 등이 복합적으로 관여된 것으로 판단된다. 그러나 모형의 고유진동수가 원형의 상사법칙에 따른 고유진동수와 유사하거나 약간 크게 측정되고 있었지만, 상당히 근접함을 보임으로 제작된 모형은 신뢰성이 있음을 확인할 수 있었다.
- 표 5의 결과 비교에서 모형의 실측 결과 중 6차 모드 이상의 결과가 제외되어 있는 것은 해당 진동에 의한 영향이 미미할 뿐 아니라 고차 모드에 대하여는 일반적으로 고유진동수에 차이가 크게 발생될 수 있으며, 모형의 제작 적정성을 평가하는데 있어서는 일부 저차모드에 대한 평가로 충분할 것으로 판단되어 진동 분석 결과에서 제외된 것이다. 또한 모형으로 제작되면서 일부 영역대가 유사한 진동수는 실측에서 여러 진동형상이 동일 진동수대에서 겹쳐 발생되거나 반대로 동일 진동모드가 가진방향에 따라 특정 대역내에서 약간씩 오차를 갖고 측정되는 것으로 판단되었다. 이러한 차이들이 발생되는 이유는 모형을 제작하면서 품질관리가 강재에 비하여 상대적으로 어려운 아크릴을 재료로 적용하면서 판두께나 접합부 처리, 탄성계수의 차이 등과 지점부 경계조건의 차이 등이 복합적으로 관여된 것으로 판단된다.
- 그림 12는 개방고 0 cm, 하류수위 14 cm 일 때, 문비하단 각도 변화 및 판 부착에 따른 상류수위별 중앙상하 가속도 진폭을 도표화 한 것이다. 모든 경우에서 진동 가속도의 증감 양상은 같으며, 월류수가 문비를 타고 내리는 월류수위 약 1 cm에서 비교적 큰 진동 가속도를 보인다. 20도와 35도는 거의 같은 진동 가속도를 보이지만 50도는 비교적 작은 진동 가속도를 보이며, 판부착의 경우 50도 보다 더 작은 진동 가속도를 보인다.
- 가로보는 하단과 상단에 주로 설치되는데, 특히 문비 하단부 가까이 설치된 원형의 가로보 와 문비 최하단 고무실을 포함하는 보강재 사이에서 뒤돌아 치는 와류현상으로 인한 진동이 크게 발생할 수 있다. 본 실험대상 수문의 경우 그림 4에서 개방고 8~10 cm 범위에서 뒤돌아 치는 와류현상으로 인한 진동 가속도 진폭이 최대 0.025 g~0.029 g로 측정되고, 판부착 모형에서 그림 9와 같이 진동 가속도 진폭 0.020 g 정도로 감소함을 볼 수 있다. 이것은 뒤돌아 치는 와류의 영향이 판에 의하여 차단되기 때문으로 판단된다.
- 5 cm의 개방고에서 월류에 의한 비교적 큰 진동이 발생하므로 이개도의 운전을 최소화하고 주의를 기울여야 할 것으로 판단된다. 상류수위별 진동검토결과 월류수위 4 cm(원형 100 cm) 이내서 수문을 개방하는 것이 바람직 할 것으로 판단된다.
- 상류 38 cm, 하류 14 cm의 수위에서 개방고 0~2 cm로 수문을 열고 닫을 때 스킨 중앙부 상하 및 스킨 중앙부 앞뒤 진동, 트러스 중앙 상하 진동을 여러 번 측정하여 표 7에 정리하였다. 전체적으로 폐쇄 시보다는 개방 시의 진동이 약간 크게 나타남을 확인할 수 있었으며, 진동 가속도의 크기는 스킨 중앙부 상하, 트러스 중앙 상하, 스킨 중앙부 앞뒤의 순으로 진동이 크게 발생함을 확인할 수 있었다.
- 최하단부의 형상은 작은 개방고에서 문비진동에 영향을 크게 미치는 것으로 연구되었다. 중앙부재 진동(상하)은 각도별 차이에 따라 영향이 크지는 않았지만, 20도, 35도, 50도 순으로 각도가 커짐에 따라 진동현상이 작아지는 것으로 측정되었다. 전체적으로 수문의 진동이 작게 측정되기 때문에 각도별 모형에 따른 진동도 차이가 크지 않은 것으로 판단된다.
- 0을 사용하여 Eigen value analysis를 수행하였으며, 그 결과를 표 3에 정리하였다. 총 해석된 고유진동수는 20개이지만, 주된 에너지를 갖는 저차모드 6개에 대하여 결과는 나타내었다. 고유진동 해석 결과에 따르면, 대상구조물의 주된 거동은 수압에 의한 전후방향의 거동과 중력가속도에 의한 연직방향으로의 거동이 가능할 것으로 판단되며, 좌우측 콘크리트와 접촉하며 주롤러 및 측면 보조롤러에 의하여 지지됨에 따라 횡방향(문비 길이방향)으로의 거동은 저차모드에서 발생되지 않았다.
- 새만금 지구는 내측 수문에서 상류 32 cm, 하류 11 cm의 수위에서 개방 고별 진동측정 결과로, 농어촌진흥공사(1995)의 537쪽 Table 6, 8의 M1모형에 대한 측정자료를 이용하였다. 화옹지구는 해측 수류방향 모형의 진동현상 결과로 상류 32 cm, 하류 12 cm의 수위에서 개방고별 진동측정 결과이며, 충주댐은 원형 수문의 실측자료로 50 cm 이상의 개방고에서 측정되었다. 그림 13에서 본 지구는 4대강의 A수문, 화옹지구 배수갑문의 진동과 거의 유사하게 작은 진동이 발생하고 있으며, 새만금지구 배수갑문 수문보다는 상당히 작은 진동 가속도 진폭을 보인다.
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