우리나라의 지형 특성상 많은 중소하천들이 생성되어 있으며, 이에 대한 치수 목적으로 다양한 보가 건설되고 있다. 그 중 가동보는 고정보에 비해 저수위를 자유롭게 조절할 수 있고, 상류부 저층수의 수질악화, 수변 생물 서식처의 변화 등 고정보의 문제점을 개선할 수 있기 때문에 그 적용빈도가 증가하고 있는 추세이다. 이 연구에서는 가동보의 종류 중 하나인 다단전도방식 가동보에 대한 특징을 조사하고, 시공된 구조물을 예로 구조적 성능을 확인하기 위한 해석적 연구를 수행하였다. 또한, 유한요소해석을 통해 얻은 결과로부터 다단전도방식 가동보의 우수한 구조적 성능을 확인할 수 있었다.
우리나라의 지형 특성상 많은 중소하천들이 생성되어 있으며, 이에 대한 치수 목적으로 다양한 보가 건설되고 있다. 그 중 가동보는 고정보에 비해 저수위를 자유롭게 조절할 수 있고, 상류부 저층수의 수질악화, 수변 생물 서식처의 변화 등 고정보의 문제점을 개선할 수 있기 때문에 그 적용빈도가 증가하고 있는 추세이다. 이 연구에서는 가동보의 종류 중 하나인 다단전도방식 가동보에 대한 특징을 조사하고, 시공된 구조물을 예로 구조적 성능을 확인하기 위한 해석적 연구를 수행하였다. 또한, 유한요소해석을 통해 얻은 결과로부터 다단전도방식 가동보의 우수한 구조적 성능을 확인할 수 있었다.
Numerous water gates have been constructed and are under construction for the control of water level because, due to the topographical characteristics of mountainous area, many small size rivers are developed in Korean peninsula. Among the water gates, movable water gates are more efficient to contr...
Numerous water gates have been constructed and are under construction for the control of water level because, due to the topographical characteristics of mountainous area, many small size rivers are developed in Korean peninsula. Among the water gates, movable water gates are more efficient to control water level than the fixed water gates. By the field application of the movable water gates, many problems associated with the fixed water gates have been mitigated. The problems include the bottom water pollution, the change of habitats for the riparian organisms, etc. This is the reason to increase the field application of movable water gates. In the paper we present the result of analytical investigation pertaining to the structural behavior of multistage overturning movable water gate which is one of the movable water gates. In the analytical investigations, the finite element analysis on the constructed water gate has been conducted for illustration purposes and it was found that the multistage movable water gate is much better than the fixed and/or existing movable water gates in the point of structural and environmental performances.
Numerous water gates have been constructed and are under construction for the control of water level because, due to the topographical characteristics of mountainous area, many small size rivers are developed in Korean peninsula. Among the water gates, movable water gates are more efficient to control water level than the fixed water gates. By the field application of the movable water gates, many problems associated with the fixed water gates have been mitigated. The problems include the bottom water pollution, the change of habitats for the riparian organisms, etc. This is the reason to increase the field application of movable water gates. In the paper we present the result of analytical investigation pertaining to the structural behavior of multistage overturning movable water gate which is one of the movable water gates. In the analytical investigations, the finite element analysis on the constructed water gate has been conducted for illustration purposes and it was found that the multistage movable water gate is much better than the fixed and/or existing movable water gates in the point of structural and environmental performances.
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문제 정의
기존의 받침틀에 대한 구조검토는 다단전도개폐장치와 하부 힌지를 연결한 판부재를 대상으로 한 전체좌굴(global buckling)에 대하여 검토하고 있으나, 이러한 제작방식을 고려하여 국부좌굴(local buckling)에 대한 검토 또한 수행하여야 한다[6]. 따라서 이 연구에서는 외부하중에 대한 유한요소해석을 수행하여 받침틀의 좌굴형상(buckled mode shape)을 파악하고, 그에 대한 좌굴강도와 실제 작용하중을 비교하여 안전 여부를 검토하였다.
따라서 문비와 받침틀을 연결하는 연결부 및 문비, 받침틀의 하단부에 설치된 연결부에 대한 구조검토가 필요하다. 이 연구에서는 3장에서 수행한 유한요소해석으로부터 구한 연결부의 부재력 및 반력을 사용하여 연결부의 안전성을 검토하였다. 3장의 유한요소해석으로부터 구한 각 연결부의 부재력 및 반력의 최대값은 Table 3에 나타내었다.
이 연구에서는 가동보의 종류 중 하나인 다단전도방식 가동보의 특징을 조사하였고, 유한요소해석 프로그램을 이용한 구조해석을 수행하여 다단전도방식 가동보의 안전성을 검토하였다. 또한 기존의 가동보에서 나타난 수리학적 문제점을 보완하고 자체의 강도를 증가시키기 위한 목적으로 설치된 저층수 배출장치와 원형가로보의 구조적 특징을 검토하기 위하여 저층수 배출장치 및 원형가로보를 배제한 구조물에 대한 유한요소해석을 수행하고, 기존 구조물의 해석결과와 비교분석하였다.
다단전도방식 가동보는 자중 외에 저수에 의한 정수압이 작용하며, 다단전도방식 가동보를 구성하고 있는 각 판부재들은 이에 대한 안전성을 검토하여야 한다. 이 연구에서는 기존에 시공된 다단전도방식 가동보에 대한 유한요소해석을 수행하여 구조 안전성을 검토하였다.
이 연구에서는 다단전도방식 가동보의 수리학적, 구조적 특징을 분석하고, 구조적 거동 평가를 위한 해석적 연구를 수행하였다. 이 연구에서 제시한 다단전도방식 가동보의 특징 및 구조적 성능을 분석한 내용을 요약하면 다음과 같다.
또한 다단전도방식 가동보는 문비의 상부에 강재로 제작한 저층수 배출장치와 원형가로보를 이용하여 문비를 보강하였다. 이 연구에서는 받침틀의 안정성 및 저층수 배출장치와 원형가로보의 보강효과를 검증하기 위한 구조해석을 수행하였다.
저층수 배출장치는 문비 전면의 저층수 오염을 방지하기 위해 설치하며, 받침틀 위치에 설치하여 보강판 대신에 문비의 강성을 증가시킨다. 이 연구에서는 유한요소해석을 통해 저층수 배출장치의 보강성능을 검토하였다.
가설 설정
경계조건은 수문과 받침틀의 하부 회전축을 단순지지로 가정하였으며, 유한요소해석은 최대 정수압이 작용하는 완전기립(기립각 60°)할 경우와 기립각 30°일 경우를 대상으로 수행하였으며, 유한요소해석모델은 Fig. 9에 나타내었다.
제안 방법
문비는 저수 위치 반대방향에 수압에 저항하기 위한 보강판이 설치되지만, 받침틀 설치 위치에는 다단전도장치 등으로 인해 보강판의 설치가 불가능하다. 그러므로 받침틀 설치 위치에 저층수 배출장치를 설치하여 해당 위치의 수압에 대한 하중저항성능이 향상되도록 구성하였다.
다단전도방식 가동보는 유압식 및 공압식으로 작동, 유지하는 기존의 가동보를 개선하기 위하여 다단전도개폐장치를 도입하였다. 다단전도개폐장치의 형태는 Fig.
이 연구에서 검토한 다단전도방식 가동보는 상부에 원형가로보를 설치하여 수문의 폭방향에 대한 강성을 증가시키고 문비의 변형을 억제하도록 구성되어 있다. 따라서 원형가로보의 구조적 보강성능을 검토하기 위한 유한요소해석을 수행하였다.
이 연구에서는 가동보의 종류 중 하나인 다단전도방식 가동보의 특징을 조사하였고, 유한요소해석 프로그램을 이용한 구조해석을 수행하여 다단전도방식 가동보의 안전성을 검토하였다. 또한 기존의 가동보에서 나타난 수리학적 문제점을 보완하고 자체의 강도를 증가시키기 위한 목적으로 설치된 저층수 배출장치와 원형가로보의 구조적 특징을 검토하기 위하여 저층수 배출장치 및 원형가로보를 배제한 구조물에 대한 유한요소해석을 수행하고, 기존 구조물의 해석결과와 비교분석하였다.
또한 다단전도방식 가동보는 문비의 상부에 강재로 제작한 저층수 배출장치와 원형가로보를 이용하여 문비를 보강하였다. 이 연구에서는 받침틀의 안정성 및 저층수 배출장치와 원형가로보의 보강효과를 검증하기 위한 구조해석을 수행하였다.
(6) 다단전도방식 가동보는 구조적 안전성, 수압에 대한 안정성 및 연결부의 안전성에 대한 구조검토 결과 우수한 구조적 성능을 확보하고 있음을 확인하였다. 또한 다단전도방식 가동보는 폭두께비가 큰 강판으로 제작된 문비의 구조적 성능을 확보하고 수리학적 장점을 확보할 수 있는 저층수 배출장치와 원형가로보를 적용하여 기존 보의 여러 가지 문제점 및 자체적인 문제점을 해결하였다. 그러나 연결부의 경우 상대적으로 높은 안전율을 확보하고 있기 때문에 상대적으로 경제적 측면에서 추가적인 검토가 수행되어져야 할 것으로 판단된다.
또한, 가동보의 측면은 지수고무를 이용하여 측면 벽에 스테인레스 스틸로 제작한 강판을 설치하고 다단전도방식 가동보에 EPDM 씰을 부착하여 저수에 대한 차수가 되도록 구성하였다. 다단전도방식 가동보 측면의 차수방안은 Fig.
받침틀의 안정성 검토를 위한 유한요소해석 모델은 3장에서 언급한 구조해석 모델과 동일하며, 3장의 해석결과를 참고하여 받침각의 면내압축응력이 크게 발생한 기립각 30°인 경우에 대하여 수행하였다.
유한요소해석모델은 판요소를 사용하여 구조물을 구성하고, 문비와 받침틀의 회전축은 보요소를 사용하였다. 경계조건은 수문과 받침틀의 하부 회전축을 단순지지로 가정하였으며, 유한요소해석은 최대 정수압이 작용하는 완전기립(기립각 60°)할 경우와 기립각 30°일 경우를 대상으로 수행하였으며, 유한요소해석모델은 Fig.
이 연구에서 검토한 다단전도방식 가동보는 상부에 원형가로보를 설치하여 수문의 폭방향에 대한 강성을 증가시키고 문비의 변형을 억제하도록 구성되어 있다. 따라서 원형가로보의 구조적 보강성능을 검토하기 위한 유한요소해석을 수행하였다.
이 연구에서 검토한 다단전도방식 가동보는 유압실린더와 다단전도개폐장치 및 문비, 받침틀에 설치된 힌지의 복합적인 작용을 통해 문비를 도복 및 기복시키는 시스템을 도입하고 있으며, 전체 구조물은 삼각트러스 형태로 구성되어 있다. 따라서 문비와 받침틀을 연결하는 연결부 및 문비, 받침틀의 하단부에 설치된 연결부에 대한 구조검토가 필요하다.
즉, Fig 1에 나타낸 것과 같이 회전축이 하부에 배치된 경우 도복시 저수 상부가 우선 배출되기 때문에 저층수의 배출이 용이하지 않고, 이러한 현상은 환경오염의 원인이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 다단전도방식 가동보는 별도의 저층수 배출장치를 설치하였다. 저층수 배출장치의 형태 및 배출원리는 Fig.
저층수 배출장치는 도복시에는 작동하지 않으며, 수위가 상승하여 저수가 가동보를 월류하게 되면 수위차에 의한 수압에 의해 작동하여 저층수를 배출한다. 저층수 배출장치의 유입구는 유입수가 가동보의 배면에 대한 직각방향으로 직접 유입될 경우 이물질로 인해 막힘현상이 발생할 수 있기 때문에 측면에서 입수되는 간접 입수방식을 채택하여 유지관리가 최소화될 수 있도록 하였다.
대상 데이터
Fig. 8에서 다단전도방식 가동보는 물에 의한 부식을 방지하기 위해 스테인리스 스틸(stainless steel)을 사용하며, 강종은 STS304를 적용하였다. 사용재료의 역학적 성질은 Table 1에 나타내었다.
이론/모형
연결부는 볼트의 전단파괴 및 연결판의 지압파괴에 대하여 구조검토를 수행하였으며, 구조검토는 관련 설계기준[9] 을 참조하였다. 각 연결부 위치별 볼트 및 연결판의 형태는 Table 4에 나타내었다.
유한요소해석(The Finite Element Analysis, FEA)은 경기도 안성시에 설치된 높이 1m의 다단전도방식 가동보를 대상으로 수행하였으며, 범용 유한요소해석프로그램인 MIDAS Civil을 사용하였다[8]. 유한요소해석 대상 구조물의 도면은 Fig.
성능/효과
(1) 다단전도방식 가동보의 유한요소해석 결과 자중 및 정수압에 대하여 구조적 안전성을 확보한 것으로 나타났으며, 기립각이 증가할수록 문비에 발생하는 응력은 증가하고, 받침틀에 작용하는 응력은 감소하는 경향을 나타내었다. 또한, 최대면내응력은 문비와 받침틀의 회전축, 최대전단응력은 원형가로보와 수문의 접합부에서 발생하였다.
(2) 다단전도방식 가동보의 각 부재를 회전하여 도복 및 기복시키는 연결부는 전단강도 약 80.6배 이상, 지압강도 약 41.6배 이상의 안전율을 확보하고 있는 것으로 나타났으며, 부식 및 반복하중의 영향을 고려해야 하는 구조물인 점을 감안했을 때 충분한 안전율을 확보하고 있는 것으로 나타났다.
(3) 받침틀의 안정성 해석결과 좌굴형상은 폭두께비가 큰 보강판이 좌굴하는 것으로 나타났으며, 받침대의 좌굴강도는 재하되는 압축력보다 크게 나타났다. 따라서 받침대는 정수압 및 자중에 대해 좌굴안정성을 확보하고 있는 것으로 판단된다.
(4) 원형가로보는 정수압에 대하여 다단전도방식 가동보의 폭 방향 강성을 증가시키는 역할을 하며, 유한요소해석 결과 원형가로보를 설치하지 않을 경우 최대인장응력은 약 1.64배, 최대압축응력은 약 1.55배 크게 발생하는 것으로 나타났다.
(5) 저층수 배출장치는 받침틀 설치위치의 강도 및 강성을 증가시키는 역할을 하며, 유한요소해석 결과 저층수 배출장치를 설치하지 않을 경우 최대인장응력은 1.85배, 최대압축응력은 약 1.44배 크게 발생하는 것으로 나타났다.
(6) 다단전도방식 가동보는 구조적 안전성, 수압에 대한 안정성 및 연결부의 안전성에 대한 구조검토 결과 우수한 구조적 성능을 확보하고 있음을 확인하였다. 또한 다단전도방식 가동보는 폭두께비가 큰 강판으로 제작된 문비의 구조적 성능을 확보하고 수리학적 장점을 확보할 수 있는 저층수 배출장치와 원형가로보를 적용하여 기존 보의 여러 가지 문제점 및 자체적인 문제점을 해결하였다.
원형가로보가 없는 가동보 문비의 구조해석 결과 최대인장응력 및 최대압축응력은 모두 허용응력에 가까운 결과를 나타냈으며, 원형가로보의 구조적 보강효과는 매우 큰 것으로 평가되었다.
유한요소해석 결과 받침틀의 좌굴형상(buckling mode shape)은 상대적으로 폭두께비(width-thickness ratio)가 큰 보강판이 좌굴하는 것으로 나타났으며, 좌굴하중은 받침틀에 작용하는 하중에 비해 크게 나타났다. 따라서 받침틀은 정수압과 자중에 의한 하중상태에서 좌굴은 발생하지 않는 것으로 판단된다.
저층수 배출장치가 없는 가동보 문비의 구조해석 결과 최대인장응력 및 최대압축응력은 모두 허용응력을 초과하고 있어 저층수 배출장치의 구조적 보강효과는 매우 큰 것으로 평가되었다.
후속연구
또한 다단전도방식 가동보는 폭두께비가 큰 강판으로 제작된 문비의 구조적 성능을 확보하고 수리학적 장점을 확보할 수 있는 저층수 배출장치와 원형가로보를 적용하여 기존 보의 여러 가지 문제점 및 자체적인 문제점을 해결하였다. 그러나 연결부의 경우 상대적으로 높은 안전율을 확보하고 있기 때문에 상대적으로 경제적 측면에서 추가적인 검토가 수행되어져야 할 것으로 판단된다. 또한 수리모형실험, 현장계측 등을 통하여 실질적인 구조적 거동 및 수리학적 특성에 대한 연구가 수행되어져야 할 것으로 판단된다.
그러나 연결부의 경우 상대적으로 높은 안전율을 확보하고 있기 때문에 상대적으로 경제적 측면에서 추가적인 검토가 수행되어져야 할 것으로 판단된다. 또한 수리모형실험, 현장계측 등을 통하여 실질적인 구조적 거동 및 수리학적 특성에 대한 연구가 수행되어져야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
가동보는 어떤 문제를 개선하는가?
우리나라의 지형 특성상 많은 중소하천들이 생성되어 있으며, 이에 대한 치수 목적으로 다양한 보가 건설되고 있다. 그 중 가동보는 고정보에 비해 저수위를 자유롭게 조절할 수 있고, 상류부 저층수의 수질악화, 수변 생물 서식처의 변화 등 고정보의 문제점을 개선할 수 있기 때문에 그 적용빈도가 증가하고 있는 추세이다. 이 연구에서는 가동보의 종류 중 하나인 다단전도방식 가동보에 대한 특징을 조사하고, 시공된 구조물을 예로 구조적 성능을 확인하기 위한 해석적 연구를 수행하였다.
다단전도방식 가동보는 무엇을 개선하기 위해 도입하였는가?
다단전도방식 가동보는 유압식 및 공압식으로 작동, 유지하는 기존의 가동보를 개선하기 위하여 다단전도개폐장치를 도입하였다. 다단전도개폐장치의 형태는 Fig.
다단전도방식 가동보는 어떤 문제를 개선했는가?
기존 보의 가장 큰 문제점 중 하나는 보 상류 저층수의 오염으로 발생하는 환경적 피해이다. 즉, Fig 1에 나타낸 것과 같이 회전축이 하부에 배치된 경우 도복시 저수 상부가 우선 배출되기 때문에 저층수의 배출이 용이하지 않고, 이러한 현상은 환경오염의 원인이 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 다단전도방식 가동보는 별도의 저층수 배출장치를 설치하였다.
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