[논문]평면트러스로 지지된 리프트 게이트의 진동특성

이성행; 양동운; 함형길; 공보성; 신동욱

doi:10.5389/ksae.2012.54.3.133

[국내논문] 평면트러스로 지지된 리프트 게이트의 진동특성
Dynamic Characteristic of Lift Gate Supported by Plane Truss 원문보기

한국농공학회논문집 = Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers, v.54 no.3, 2012년, pp.133 - 139

이성행 (부산대학교 사회환경시스템공학부) , 양동운 ((주)한양 간월호준설공사) , 함형길 (부산대학교 사회환경시스템공학부) , 공보성 (부산대학교 사회환경시스템공학부 대학원) , 신동욱 (부산대학교 사회환경시스템공학부 대학원)

Abstract ▼ AI-Helper

Dynamic characteristic of lift gate supported by plane truss is studied by a model test scaled with the ratio of 1 : 31.25 in the four major rivers project. The vibrations of gate supported by the plane truss is assessed in comparison with those of gate supported by the space truss which was tested formerly. The gate model is made of acryl panel and calibrated by lead. A model test is conducted under the different gate opening and upstream water levels conditions in the concrete test flume dimensioned 1.6 m in width, 0.8 m in height and 24 m in length. In order to verify the model, natural frequencies of the model gate are measured, and compared with the numerical results. The vibrations of gate model supported by the plane truss in opening height of 1.0 cm~2.0 cm shows greater than one supported by the space truss. It is found that the gate model supported by the plane truss is less desirable than one supported by the space truss. thus, the latter type of gate model is requested to design.

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문제 정의

스킨부에 보강되는 ㄷ형강과 상자형단면은 강축방향으로의 단면 2차모멘트를 상사법칙에 따라 일치시키고, 재료상의 차이를 추가적으로 고려하여 휨강성을 맞추는 것으로 하였다. 또한 트러스 부재의 경우, 진동특성에 대한 단면 형상의 영향 (항력계수 등)이 클 것으로 판단되므로 기존의 원형단면 형상을 그대로 유지하고자 하였다. 원형 및 모형의 중량에서 좌우측 경계의 박스부는 제외하였고, 원형의 중량은 구조해석의 결과로부터 227.

가설 설정

2. 월류시 평면 트러스를 갖는 모형에서는 트러스부의 진동이 훨씬 크게 측정된다. 따라서 낮은 개방고의 진동 증가현상과 종합적으로 판단할 때, 평면 트러스를 갖는 수문은 공간트러스를 갖는 수문보다 바람직하지 못한 수문으로 판단되어 앞으로 이와 같은 수문의 형식의 설계는 지양되어야 할 것으로 판단된다.

제안 방법

16 m의 아크릴로 모형을 제작하였다. 폭 1.6 m, 길이 24 m로 설치된 수로에서 상하류 수위와 문비 개방고에 따른 진동현상을 실험하여 평면트러스를 갖는 트러스형 리프트게이트의 진동특성을 검토하고, 기 실험 (Lee et al., 2011) 된 공간트러스를 갖는 트러스형 리프트게이트의 실험 결과와 비교하여 진동특성과 설계의 장단점을 검토한다.
전면의 스킨부는 47개의 세로 리브, 그리고 1열의 수평보강재를 갖는 뼈대 구조물로 구성되며, 주 트러스와 스트럿 부재에는 각각 브레이싱이 설치된다. 문비의 개폐를 위하여 감속기어를 이용하여 실제 구조물에서의 인양속도를 상사법칙에 맞추어 구현하였다. Fig.
16 m의 모형으로 제작된다. 스킨부에 보강되는 ㄷ형강과 상자형단면은 강축방향으로의 단면 2차모멘트를 상사법칙에 따라 일치시키고, 재료상의 차이를 추가적으로 고려하여 휨강성을 맞추는 것으로 하였다. 또한 트러스 부재의 경우, 진동특성에 대한 단면 형상의 영향 (항력계수 등)이 클 것으로 판단되므로 기존의 원형단면 형상을 그대로 유지하고자 하였다.
0005 g이다. 동적측정에서는 모형의 고유진동수 측정, 모형의 상하류 수위와 문비의 개방고에 따른 수직 및 수평방향의 최대 가속도 진동진폭을 측정하였다. 진동계는 문비 중앙 하단에 2조 (상하 방향 1조, 앞뒤 방향 1조), 문비 1/4지점에 1조 (상하 방향), 트러스 중앙부에 1조 (상하 방향), 트러스 1/4지점에 1조 (상하 방향)를 부착하였고, 진동계는 측정하고자 하는 방향에 따라서 진동계의 방향을 정하여, 시험조건에 맞는 수위와 개방고에서 수직 및 수평방향의 진동진폭을 측정하였다.
동적측정에서는 모형의 고유진동수 측정, 모형의 상하류 수위와 문비의 개방고에 따른 수직 및 수평방향의 최대 가속도 진동진폭을 측정하였다. 진동계는 문비 중앙 하단에 2조 (상하 방향 1조, 앞뒤 방향 1조), 문비 1/4지점에 1조 (상하 방향), 트러스 중앙부에 1조 (상하 방향), 트러스 1/4지점에 1조 (상하 방향)를 부착하였고, 진동계는 측정하고자 하는 방향에 따라서 진동계의 방향을 정하여, 시험조건에 맞는 수위와 개방고에서 수직 및 수평방향의 진동진폭을 측정하였다.
모형의 제작 적정성을 평가에 있어서 고차모드에 대하여는 일반적으로 해당 진동에 의한 영향이 미미할 것으로 판단된다. 이에 비해 고유진동수에 차이가 크게 발생될 수 있는 6차 이하의 저차모드에 대하여만 평가하였다. 각 모드에 따른 F.
문비의 진동을 줄일 수 있는 하부형상을 검토하기 위하여 Fig. 6과 같이 문비하부에 판을 부착한 모형을 제작하여 실험을 수행하였다.
따라서 문비의 진동을 줄 일 수 있는 최적의 하부형상을 검토하기 위하여 Fig. 8과 같이 문비하부의 각도를 20 °에서 35 °와 50 °로 변경 제작하여 추가 실험을 수행하였다.
연구대상인 평면트러스를 갖는 트러스형 리프트게이트의 진동 특성을 검토하기 위하여, 기 실험된 공간트러스를 갖는 트러스형 리프트게이트의 실험 결과와 비교하고 진동특성을 검토하였다. Table 3과 같이 실험조건이 서로 다르기 때문에 직접적인 비교는 어려움이 있으나 대략적인 경향은 서로 비교할 수 있을 것으로 판단된다.
트러스형 리프트게이트를 아크릴로 모형을 제작하여, 상하류 수위와 문비 개방고에 따른 진동현상을 실험하고, 기 실험된 공간트러스를 갖는 트러스형 리프트게이트의 실험 결과와 비교하여 평면트러스를 갖는 트러스형 리프트게이트의 진동특성을 정리하면 다음과 같은 결론을 얻는다.
상사 조건에 따르면 모형의 탄성계수는 n_L = n_E의 조건이 요구되나 모형의 재료로 상기 조건을 만족시키는 것을 구하기란 쉽지 않다. 수문은 탄성계수 비 n_E = 31.25의 조건에 따라서 원형의 재료인 강재와 탄성계수의 비가 약 1：75인 아크릴을 사용하여 두께를 2.4 (75/31.25)배로 증가시켜서 모형을 제작하고 납으로 질량을 각 요소 중심에 보정하였다. 복합구조물의 탄성은 판 두께에 직접 비례하므로 강성은 모형의 기하학적 형상을 변경하여 조정할 수 있다 (Kolkman, 1974).
본 연구대상 문비의 진동실험은 한국농촌공사 농어촌연구원 수리시험장에서 수행되었다. 모형수조는 길이 24 m, 폭 1.6 m, 높이 0.8 m의 콘크리트 블록으로 제작하였고 모형이 설치된 위치에는 길이 1.0 m, 높이 0.8 m의 투명 아크릴 판을 설치하여 문비의 거동과 흐름현상을 관측할 수 있게 하였다. 증폭기는 8채널 dynamic strain meter가 사용되었으며, 진동계는 수중에서 사용할 수 있는 1 g의 방수형 진동계 4조가 사용되었고 진동계의 정밀도는 0.

대상 데이터

본 연구대상 문비의 원 설계는 폭 50.0 m, 높이 5.0 m의 곡율을 갖는 스킨 플레이트 (curved skin)로 구성되며 평면트러스를 갖는 연직 리프트게이트이다. 수문은 크게 수문 본체부 (전면 스킨부, 후면 트러스 지지부), 측면 레일부, 권양기부로 구분된다.
본 연구대상 문비는 축척 1：31.25를 고려하여 폭 1.6 m, 높이 0.16 m의 모형으로 제작된다. 스킨부에 보강되는 ㄷ형강과 상자형단면은 강축방향으로의 단면 2차모멘트를 상사법칙에 따라 일치시키고, 재료상의 차이를 추가적으로 고려하여 휨강성을 맞추는 것으로 하였다.
870 kgf로 계산된다. 납보정 중량은 대상 모형이 전면부 스킨과 후면부 트러스를 잇는 스트럿 부재에 의하여 8개의 bay로 나누어져 있는 것을 고려하였다. Fig.
본 연구대상 문비의 진동실험은 한국농촌공사 농어촌연구원 수리시험장에서 수행되었다. 모형수조는 길이 24 m, 폭 1.
본 연구에서는 4대강의 한 지구에 설계된 경간 50 m, 높이 5 m의 평면트러스를 갖는 트러스형 리프트게이트를 축척 1：31.25를 적용하여 경간 1.6 m, 높이 0.16 m의 아크릴로 모형을 제작하였다. 폭 1.

데이터처리

제작된 배수갑문 문비의 검증 및 동적 특성을 파악하기 위한 고유진동수 해석은 범용 유한요소법 해석용 프로그램인 MIDAS CIVIL 2009 Ver 2.0을 사용하여 수행하였다. 원형의 유한요소법 해석에 의한 고유진동수의 축척에 따른 계산 값과 실험에 의하여 측정된 값을 Table 1에 비교하였으며, 비고의 “DX”는 전후 방향 진동모드, “DZ”는 연직 방향 진동모드를 각각 나타내고 있다.

성능/효과

024 g로 가장 크게 측정된다. 또한 이후 개방고가 상승하면 뒤돌아 치는 수류의 영향이 줄어들어 진동 가속도는 작아지며, 개방고가 3 cm 이상이 되면 비교적 안정된 진동 가속도를 보인다.
이를 분석해 보면, 하단부의 각도가 20 °에서 35 °에서는 거의 유사하나 50 °에서는 진동이 확연히 줄어듦을 확인할 수 있다.
3. 평면 트러스를 갖는 모형에서 판을 부착한 경우의 진동 가속도가 확연히 작아지고, 최대진동 가속도도 개방고가 1 cm (원형에서 31.25 cm)가 아닌 0.5 cm (원형에서 15.63 cm)에서 발생됨을 볼 수 있다. 따라서 하부에 판을 부착하는 것이 평면 트러스를 갖는 모형에서 발생하는 진동을 줄일 수 있는 하부 변경 모형으로 판단된다.
4. 공간 트러스를 갖는 모형의 각도를 변경한 추가실험에서 하단부의 35 ° 모형은 20 ° 모형과 거의 유사하나 50 ° 모형에서는 진동이 확연히 줄어듦을 확인할 수 있다.
5. 따라서 트러스형 리프트게이트의 설계 시 공간트러스를 갖는 것이 평면트러스를 갖는 것보다 진동 측면에서 더 좋을 것으로 판단된다.

후속연구

월류시 평면 트러스를 갖는 모형에서는 트러스부의 진동이 훨씬 크게 측정된다. 따라서 낮은 개방고의 진동 증가현상과 종합적으로 판단할 때, 평면 트러스를 갖는 수문은 공간트러스를 갖는 수문보다 바람직하지 못한 수문으로 판단되어 앞으로 이와 같은 수문의 형식의 설계는 지양되어야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4대강 수문에 적용된 트러스형 리프트게이트는 어떤 특징을 지녔는가?	4대강 수문에 적용된 트러스형 리프트게이트는 미관이 수려하고 강재량 저감에 따른 경제성이 장점인 수문형식이다. 이 형식의 수문은 전면의 스킨플레이트 (가로축 방향으로 포물선 형상) 와 후면의 트러스 부재가 연결된 구조로 이루어지며, 길이에 따라 단면의 각도가 변하기 때문에 작용력이 일정하지 않아 정확한 해석이 어렵고, 하중이 1/4부에서 양단 박스부로 집중되는 현상을 보인다.
	평면트러스를 갖는 수문은 모형에서 개방고 1cm부터 진동 가속도가 급격히 증가하는데 그 이유는?	평면트러스를 갖는 수문은 모형에서 개방고 1 cm (원형에서 31.25 cm)부터 진동 가속도가 급격히 증가하는데 이는 평면트러스 하단의 위치가 문비하단과 같기 때문에 하류로 빠져 나가지 못한 수류가 뒤돌아 트러스부 하단을 치기 때문으로 판단된다.
	문비의 진동을 줄일 수 있는 하부형상 검토를 위한 실험에서, 개방고에 판을 부착한 경우가 부착하지 않은 경우에 비해 진동 가속도가 확연히 작아지고, 최대 진동 역시 1cm에서 0.5cm로 감소했는데 그 이유는 무엇인가?	5 cm에서 발생됨을 볼 수 있다. 이는 부착된 판이 뒤돌아 치는 와류의 진동을 차단하기 때문이다. 또한 두 모형 모두 트러스 상하의 진동 가속도가 크게 나타나는데, 이때는 하류 수류가 트러스부를 치는 것이 관찰된다.

참고문헌 (12)

Gajanan, M. S., Harry, G. H., Richard, N. W., and Saeed, M., 1983. Structural Modeling and Experimental Techniques. Prentice-Hall Civil Engineering and Engineering Mechanics Series: 1-60.
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KARICO (Korea Agricultural & Rural Infrastructue Corporation), 2001. A Report on Structural Safety Assessment of Sluice Gate in Hwaong Project: 14-46.
Kolkman, P. A., 1976. Flow-induced Gate Vibrations. Prevention of Self-excitation. Delft Hydraulics laboratory, Publication no. 164: 1-162.
Lee, S. H., 2004. Model Tests Study on Flow-induced Vibration of Tainter gate in Estuary Sulices (I). Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers 46(1): 27-34 (in Korean).
Lee, S. H., 2004. Model Tests Study on Flow-induced Vibration of Tainter gate in Estuary Sulices (II). Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers 46(2): 41-48 (in Korean).
Lee, S. H., Kim, H. J., Park, Y, J., Hahm, H, G., and Kong, B. S., 2011. Model Tests Study on Flow-induced Vibration of Truss Type Lift Gate. Journal of the Korean Society of Agricultural Engineers 46(1): 27-34 (in Korean).
Lee, S. H., Kim, K. N. and Jung, K. S., 2005. Dynamic Characteristic of Tainter Gate in Multi-Purpose Dam. Journal of the Korean Society of Civil Engineers 25(I-A): 173-181 (in Korean).
Lee, S. H. and Jung, K. S., 1996. Model Tests Study on Self-excited Vibration of Tainter Gate. Journal of the Korean Society of Civil Engineers 16(I-2): 187-194 (in Korean).
Lee, S. H., Jung, K. S., Koo, B. K., and Kim K. H., 1998. Dynamic Analysis on the Flow-induced Vibration of Tainter Gate due to Bottom Shape. Journal of the Korean Society of Civil Engineers 18(I-4): 399-409 (in Korean).
Schmidgall, T., 1972. Spillway Vibrations on Arkansas River Dams. Proc. Journal of Hydrauilcs Division, ASCE, Jan., No. HY1, Proc. Paper 8676: 219-238.
Thang, N. D., 1990. Gate Vibrations due to Unstable Flow Separation. Journal of Hydraulics Engineering 116(3): 342-361.

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