주철 맨홀뚜껑은 제조과정에서 환경오염을 유발하며, 작업환경은 매우 열악하다. 또한, 맨홀 뚜껑의 높이와 도로 표면의 높이가 일치하지 않은 경우에는 많은 불편을 초래하며 안전에도 문제를 야기한다. 본 연구에서는 주철 맨홀뚜껑을 대체할 수 있고, 도로 노면 공사 시 도로 노면 높이와 맨홀 뚜껑의 높이를 동일하게 맞추기 용이한 높이 조절이 가능한 강재 맨홀 뚜껑 구조를 제안하였다. 요구되는 품질 성능을 만족시키기 위한 맨홀 뚜껑의 구조에 대한 설계변수를 파악하기 위하여 구조 해석을 수행하였다. 요구되는 내하중 용량을 만족하는 맨홀뚜껑을 제작하기 위하여 ㄷ자 모양의 보강대에 대하여 최적 설계를 수행하였다. 높이조절부의 원통과 하부 프레임 원통은 강판을 굽힘 가공하여 원형의 형상으로 만든 후 용접에 의하여 제작하였다. 또한, 보강대도 강판을 굽힘 가공하여 제작하였다. 높이 조절용 홈은 CNC 밀링머신에 의하여 가공하였다. 4차례의 시제품을 제작하여 내하중 실험을 수행하였으며, 시험의 결과를 반영하여 새로이 제작하였다. 내하중 시험에서 용접부의 파손은 발생하지 않았으며, 주로 변형은 높이조절 홈과 가셋트 판이 접촉하는 부위에서 발생하였다. 450kN의 부하 하중에 의해 1~2.7mm의 변형이 발생하지만, 하중을 제거한 후에 거의 잔류변형이 없으며, 맨홀뚜껑의 분해 및 재조립이 가능하기 때문에 내하중 평가도 만족하는 것으로 판정받았다.
주철 맨홀뚜껑은 제조과정에서 환경오염을 유발하며, 작업환경은 매우 열악하다. 또한, 맨홀 뚜껑의 높이와 도로 표면의 높이가 일치하지 않은 경우에는 많은 불편을 초래하며 안전에도 문제를 야기한다. 본 연구에서는 주철 맨홀뚜껑을 대체할 수 있고, 도로 노면 공사 시 도로 노면 높이와 맨홀 뚜껑의 높이를 동일하게 맞추기 용이한 높이 조절이 가능한 강재 맨홀 뚜껑 구조를 제안하였다. 요구되는 품질 성능을 만족시키기 위한 맨홀 뚜껑의 구조에 대한 설계변수를 파악하기 위하여 구조 해석을 수행하였다. 요구되는 내하중 용량을 만족하는 맨홀뚜껑을 제작하기 위하여 ㄷ자 모양의 보강대에 대하여 최적 설계를 수행하였다. 높이조절부의 원통과 하부 프레임 원통은 강판을 굽힘 가공하여 원형의 형상으로 만든 후 용접에 의하여 제작하였다. 또한, 보강대도 강판을 굽힘 가공하여 제작하였다. 높이 조절용 홈은 CNC 밀링머신에 의하여 가공하였다. 4차례의 시제품을 제작하여 내하중 실험을 수행하였으며, 시험의 결과를 반영하여 새로이 제작하였다. 내하중 시험에서 용접부의 파손은 발생하지 않았으며, 주로 변형은 높이조절 홈과 가셋트 판이 접촉하는 부위에서 발생하였다. 450kN의 부하 하중에 의해 1~2.7mm의 변형이 발생하지만, 하중을 제거한 후에 거의 잔류변형이 없으며, 맨홀뚜껑의 분해 및 재조립이 가능하기 때문에 내하중 평가도 만족하는 것으로 판정받았다.
Cast iron manhole lids cause environmental pollution during the manufacturing process, and the work environment is very poor. In addition, if the height of the manhole cover does not match the height of the road surface, it causes considerable inconvenience and safety problems. This study proposes a...
Cast iron manhole lids cause environmental pollution during the manufacturing process, and the work environment is very poor. In addition, if the height of the manhole cover does not match the height of the road surface, it causes considerable inconvenience and safety problems. This study proposes a height - adjustable steel manhole cover that can replace cast iron manhole covers and easily match the road surface with the upper surface of the manhole cover. Structural analysis was performed to grasp the design variable of the structure of the manhole cover, satisfying the required quality performance. To fabricate a manhole cover that satisfies the required load capacity, the optimal design for the U-shaped reinforcement structure was made. The cylindrical shape of the height adjustment part and the low frame were formed by bending the steel sheet into a circular shape and then welding. Reinforcing bars were also made by bending a steel plate. The height adjustment groove was machined by a CNC milling machine. Four prototypes were fabricated and a load bearing test was carried out, and new manhole cover was made reflecting results of the test. In the load bearing test, there was no breakage of the welded part, and deformation occurred mainly at the contact area between the groove and gusset plate. Deformation of 1 to 2.7mm occurred due to a load of 450kN. On the other hand, after removing the load, there was almost no residual deformation, and the load bearing evaluation was judged to be satisfactory because the manhole cover could be disassembled and reassembled.
Cast iron manhole lids cause environmental pollution during the manufacturing process, and the work environment is very poor. In addition, if the height of the manhole cover does not match the height of the road surface, it causes considerable inconvenience and safety problems. This study proposes a height - adjustable steel manhole cover that can replace cast iron manhole covers and easily match the road surface with the upper surface of the manhole cover. Structural analysis was performed to grasp the design variable of the structure of the manhole cover, satisfying the required quality performance. To fabricate a manhole cover that satisfies the required load capacity, the optimal design for the U-shaped reinforcement structure was made. The cylindrical shape of the height adjustment part and the low frame were formed by bending the steel sheet into a circular shape and then welding. Reinforcing bars were also made by bending a steel plate. The height adjustment groove was machined by a CNC milling machine. Four prototypes were fabricated and a load bearing test was carried out, and new manhole cover was made reflecting results of the test. In the load bearing test, there was no breakage of the welded part, and deformation occurred mainly at the contact area between the groove and gusset plate. Deformation of 1 to 2.7mm occurred due to a load of 450kN. On the other hand, after removing the load, there was almost no residual deformation, and the load bearing evaluation was judged to be satisfactory because the manhole cover could be disassembled and reassembled.
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문제 정의
본 연구에서 제안된 맨홀 뚜껑은 냉간압연 강판을 이용하여 제작하는 것을 목표로 하였으며. 그 구성은 Fig.
본 연구에서는 도로 노면과 맨홀 뚜껑의 높이를 용이하게 일치시킬 수 있으며, 친환경적인 강재를 사용하는 높이조절형 맨홀 뚜껑을 제안하였으며, 맨홀 뚜껑의 설계변수에 대한 최적설계 및 구조해석을 수행하였다. 이를 바탕으로 시제품을 제작하고 내하중 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 도로의 노면과 맨홀 뚜껑의 높이를 용이하게 일치시킬 수 있으며, 친환경적인 강재를 사용하는 높이조절형 맨홀 뚜껑을 개발하였으며, 결론은 다음과 같다.
제안 방법
(1) 맨홀 커버부, 높이조절부, 하부 플렌지로 구성되어 있으며, 높이 조절부에 있는 4개의 높이 조절용 홈과 하부 플렌지의 가셋트 판과의 끼워 맞춤에 의해 높이조절이 가능하도록 제안하였다.
(2) 호칭 직경 648mm를 기준으로 하여 강재 맨홀뚜껑을 모델링한 후 contact의 결합조건을 부여하여 비선형 구조해석을 수행하였다. 보강대가 상부의 변형을 억제하고, 가셋트 판과 높이조절 홈의 접촉부위에서 소성한계를 넘은 응력이 발생함을 확인하였다.
(3) 시제품을 제작하여 내하중 실험을 수행한 후, 결과를 반영하여 새로이 제작된 제품에 대하여 내하중 시험을 수행하였다. 높이조절 홈과 가셋트 판과의 접촉하는 부위의 변형 문제는 가셋트 판개수 4개, 두께를 22mm로 변경하여 해결하였다.
높이조절부의 원통 및 하부 프레임의 내부 링은 강판을 굽힘 가공하여 원형의 형상으로 만든 후 용접에 의하여 제작하였으며, 보강대도 강판을 굽힘 가공하여 제작하였다. 높이 조절용 홈은 파이프 형상으로 제작된 원통을 CNC 밀링머신에 의하여 가공하였다.
두 소프트웨어의 결과와 근사식의 결과를 비교해 본 결과 차이가 거의 나타나지 않았다. 따라서 본 연구에서는 모델링 및 설계변수 변경이 용이한 3D CAD 소프트웨어인 Creo를 사용하여 구조해석 및 최적설계를 수행하였다.
본 연구에서는 Creo를 이용하여 맨홀 뚜껑의 구성품을 모델링한 후, ANSYS workbench와 Creo simulation을 사용하여 구조해석을 수행하였다[6,7]. 맨홀뚜껑은 모두 SS400로 제작되는 것으로 하였다.
부하되는 하중에 의한 맨홀 뚜껑의 변형을 기록하기 위하여 변위센서를 사용하여 기록하였다. 부하되는 하중에 의한 맨홀 뚜껑의 변형을 관찰하기 위하여 높이조절부와 하부 프레임 사이의 앞쪽과 뒤쪽에 각각 1개, 상판 위쪽 가운데 부분에 1개의 변위센서를 설치하였다. 변위 센서와 만능재료시험기(UH-100A, Shimadzu)로부터의 신호는 데이터 로거(GL220- UM1, GRAPHTEC)를 사용하여 수집하였으며, 수집된 신호는 노트북에 저장되도록 하였다.
8과 같이 실험 장치를 구성하였다. 부하되는 하중에 의한 맨홀 뚜껑의 변형을 기록하기 위하여 변위센서를 사용하여 기록하였다. 부하되는 하중에 의한 맨홀 뚜껑의 변형을 관찰하기 위하여 높이조절부와 하부 프레임 사이의 앞쪽과 뒤쪽에 각각 1개, 상판 위쪽 가운데 부분에 1개의 변위센서를 설치하였다.
제안한 맨홀 뚜껑의 성능을 평가하기 위한 주요 항목은 Table 3과 같으며, 내하중성을 평가하기 위한 시험하중은 SPS-KFCAM201-1639의 시험하중인 450kN으로 하였다[8]. 시제품을 제작하여 내하중 실험을 수행한 후, 시험의 결과를 반영하여 새로운 맨홀뚜껑을 제작하였으며, 4차례의 내하중 시험에서 용접부의 파손은 발생하지 않았다. 주로 육안으로 확인할 수 있는 변형은 Fig.
위의 규정에서 정의한 재하판 면적(500×200mm)과 동일한 크기의 원형 면적에 KS D 6021의 시험하중인 400kN의 하중이 작용하는 것으로 고려하였다[5].
본 연구에서는 도로 노면과 맨홀 뚜껑의 높이를 용이하게 일치시킬 수 있으며, 친환경적인 강재를 사용하는 높이조절형 맨홀 뚜껑을 제안하였으며, 맨홀 뚜껑의 설계변수에 대한 최적설계 및 구조해석을 수행하였다. 이를 바탕으로 시제품을 제작하고 내하중 시험을 수행하였다.
대상 데이터
부하되는 하중에 의한 맨홀 뚜껑의 변형을 관찰하기 위하여 높이조절부와 하부 프레임 사이의 앞쪽과 뒤쪽에 각각 1개, 상판 위쪽 가운데 부분에 1개의 변위센서를 설치하였다. 변위 센서와 만능재료시험기(UH-100A, Shimadzu)로부터의 신호는 데이터 로거(GL220- UM1, GRAPHTEC)를 사용하여 수집하였으며, 수집된 신호는 노트북에 저장되도록 하였다.
제안한 높이조절형 맨홀 뚜껑은 크게 맨홀 커버부, 높이조절부, 하부 플렌지로 구성되어 있다. 높이 조절부는 맨홀 뚜껑의 높이조절 기능을 하는 끼워맞춤용 홈이 파여져 있는 원통형 구조로 되어 있다.
제안한 맨홀 뚜껑의 성능을 평가하기 위한 주요 항목은 Table 3과 같으며, 내하중성을 평가하기 위한 시험하중은 SPS-KFCAM201-1639의 시험하중인 450kN으로 하였다[8]. 시제품을 제작하여 내하중 실험을 수행한 후, 시험의 결과를 반영하여 새로운 맨홀뚜껑을 제작하였으며, 4차례의 내하중 시험에서 용접부의 파손은 발생하지 않았다.
성능/효과
1mm로 나타난다. Creo를 활용한 해석결과, ANSYS workbench와 유사한 경향을 나타내고 있으나 최대응력의 크기는 2,114MPa로 나타났다. 두 소프트웨어의 결과와 근사식의 결과를 비교해 본 결과 차이가 거의 나타나지 않았다.
각 설계변수들에 대한 민감도 해석의 결과 상판의 두께 및 원통의 두께, 림의 두께, 보강채널의 크기, 높이조절부 원통의 두께가 주요 변수임을 확인하였다.
(4) 제품의 평가항목에 대한 인증시험은 한국화학융합시험연구원의 입회하에 실시하였다. 모든 항목을 만족하였으며, 하중을 제거한 후에 거의 잔류 변형이 없으며, 맨홀뚜껑의 분해 및 재조립이 가능하여 내하중 평가도 만족하는 것으로 판정받았다.
(2) 호칭 직경 648mm를 기준으로 하여 강재 맨홀뚜껑을 모델링한 후 contact의 결합조건을 부여하여 비선형 구조해석을 수행하였다. 보강대가 상부의 변형을 억제하고, 가셋트 판과 높이조절 홈의 접촉부위에서 소성한계를 넘은 응력이 발생함을 확인하였다.
5mm의 변위가 발생되며, 나머지 부분에서는 거의 변형이 나타나지 않고 있다. 보강대를 적용함으로써 상판에 작용하는 하중의 분산에 효과가 있음을 확인하였으며, 맨홀 뚜껑에 작용하는 하중에 의한 응력은 대부분 상판의 보강대와 림과의 접촉부에서 발생됨을 확인하였다.
후속연구
다른 부위와 다르게 중앙부에서만 변형이 발생된 원인으로는 수작업 용접에 의한 정밀도 불량과 센서 고정부 미흡 등이 있을 것으로 판단된다. 정확한 원인을 규명하기 위한 추가적인 실험이 있어야 할 것으로 판단된다. 그러나 파손이 발생하지 않았고, 하중제거 후에 대부분 잔류 변형이 존재하지 않는 상태로 나타나고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
높이조절형 맨홀 뚜껑의 구성은?
제안한 높이조절형 맨홀 뚜껑은 크게 맨홀 커버부, 높이조절부, 하부 플렌지로 구성되어 있다. 높이 조절부는 맨홀 뚜껑의 높이조절 기능을 하는 끼워맞춤용 홈이 파여져 있는 원통형 구조로 되어 있다.
주철 맨홀뚜껑의 문제점은?
주철 맨홀뚜껑은 제조과정에서 환경오염을 유발하며, 작업환경은 매우 열악하다. 또한, 맨홀 뚜껑의 높이와 도로 표면의 높이가 일치하지 않은 경우에는 많은 불편을 초래하며 안전에도 문제를 야기한다. 본 연구에서는 주철 맨홀뚜껑을 대체할 수 있고, 도로 노면 공사 시 도로 노면 높이와 맨홀 뚜껑의 높이를 동일하게 맞추기 용이한 높이 조절이 가능한 강재 맨홀 뚜껑 구조를 제안하였다.
맨홀 뚜껑에 요구되는 기능은?
또한, 지구 온난화에 따른 집중 호우 등에 의한 영향으로 하수관거와 직접적으로 연결되는 노면 배수시설 중의 하나인 맨홀에 대한 관심도가 높아지고 있다. 통행하는 차량의 하중도 충분히 지탱하는 기능도 중요하지만, 수시로 개폐되는 특성상 개방기능도 용이해야 한다[1].
참고문헌 (8)
Ch. H. Kim and J. H. Park, 2004, "A Study on Development of a Manhole with Height Adjustment," Proceedings of the KSME Spring Conference, pp. 710-715. May, 2004.
H. K. Kim, Y. S. Yang and K. Y. Bae, "Analysis of Strengthening Structures of Steel Manhole Cover," Journal of Welding and Joining, vol. 32, no. 2, pp. 54-62. 2014. DOI: https://doi.org/10.5781/JWJ.2014.32.2.54
J. H. Seo, H. J. Yang and K. Kim, "The Research on Environmental-Friendly Manhole Repair and Construction Technology," Journal of the Korean Society of Manufacturing Technology Engineers, vol. 21, no. 5, pp. 836-841. 2012. DOI: https://doi.org/10.7735/ksmte.2012.21.5.836
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