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문제 정의
- 본 연구에서는 맨홀뚜껑 및 받침대에 대한 진동실험을 수행하였다. 진동실험에서 사용된 FFT (Fast Fourier Transfbnnatioii]장비는 Bobcat 을 이용하여 실험을 수행하였다.
- 본 연구에서는 맨홀뚜껑의 정적 및 동적 특성올 파악하기 위하여 각종 해석프로그램을 이용하여 분석하였고, 진동실험을 통하여 검증 작업을 하였다.
가설 설정
- 는 맨홀뚜껑의 충격해석모델 형상을 나타내고 있다. 낙하충격물의 무게는 20 kg이며 맨홀의 정중앙에 떨어진다고 가정하였다. 이를 해석모델에서 낙하물의 속도는 낙하물과 맨홀 뚜껑이 충돌하기 직전의 속도로 환산하여 7 m/s를 적용하였다.
제안 방법
- 맨홀해석 모델은 Solidwork에서 모델링된 모델을 AD-AMS에 적용시켜 해석모델을 생성하였다. 동적해석의 경계조건은 노면 타이어와 맨흘뚜껑 및 받침대의 컨텍경계조건을 적용하였으며, 맨홀뚜껑과 받침대의 조건도 컨텍경계조건을 적용하였다
- 낙하물과 맨홀뚜껑간에 조건은 컨텍조건을 적용하였다. 또한 맨홀뚜껑과 받침대 사이의 조건 또한 컨텍조건을 적용하였다. 해석모델의 모델의 대칭성을 고려하여 1/4 대칭경계조건을 적용하였다.
- 적용된 요소는 2차원 4절점요소인 아ane 42을 적용하였다. 또한 축대칭조건을 적용하여 해석을 수행하였다. 맨흘뚜껑의 파라미터 해석을 수행하기 위하여 그림 10.
- 또한 해석 방법으로는 진입하는 바퀴가 1개인 경우 (Case 1), 진입하는 바퀴가 2개인 경우(Case 2), 진입하는 바퀴가 맨홀 중심부에서 200 mm 떨어진 점을 지나가는 경우 (Case 3), 맨홀이 도로보다 1 cm 낮은 경우(Case 4), 맨홀이 도로보다 2 cm 낮은 경우(Case 5) 총 5가지로 수행하였다
- 맨흘뚜껑의 정적 및 동적 특성을 평가하기 위하여 진동해석 및 실험, 충격해석, 파라미터해석, 동적해석 둥을 수행한 결과 다음과 같은 구조적 결론을 얻을 수 있었다..
- 이를 분석하기 위하여 5.000 E1 초까지 거동을 평가하였다. 그림 8.
- 는 실험에서 사용된 진동 실험장비 및 분석프로그램을 보여주고 있다. 진동실험에서는 맨홀 뚜껑 120 kg과 받침대 140 kg에 대하여 진동실험을 수행하였다. 실험 조건은 FEM 해석과 동일하게 자유경계조건으로 수행하기 위하여 실험모델을 공중에 매단 상태로 각각 2 차례 해석을 수행하였
- 3을 적용하였다. 진동해석에서 경계조건은 자유경 계조건을 적용하였다.
- 초기 맨홀뚜껑의 거동을 보기 위하여 3 &3초동안의 거동을 분석하였다. 이는 충격이 짧은 시간에 일어나는 현상이며 이러한 현상을 확인하기 위해 진동해석을 수행하여 1차 모드가 일어나는 시간을 확인할 수 있다.
- 해석모델에서 타이어의 직경은 100 cm이며, 폭은 20 cm이다 타이어의 속도는 60 km/h, lOOkm/h, 140 km/h의 3가지 경우에 대하여 해석을 수행하였다. 타이어에 가해지는 무게는 10t이고, 타이어의 접촉조건은 굴림접촉이며, 타이어는 맨흘뚜껑의 정중앙 및 측면을 지나가도록 해석을 수행하였다. 맨홀해석 모델은 Solidwork에서 모델링된 모델을 AD-AMS에 적용시켜 해석모델을 생성하였다.
- 해석결과 가장 변 위가 크게 나타난 경우는 진 입하는 바퀴가 2개인 경우(Case 2)로 본 논문에서는 이에 대한 해석 결과만 기술하였다.
- 는 ADAMS를 이용한동적해석 모델형상을 나타내고 있다. 해석모델에서 타이어의 직경은 100 cm이며, 폭은 20 cm이다 타이어의 속도는 60 km/h, lOOkm/h, 140 km/h의 3가지 경우에 대하여 해석을 수행하였다. 타이어에 가해지는 무게는 10t이고, 타이어의 접촉조건은 굴림접촉이며, 타이어는 맨흘뚜껑의 정중앙 및 측면을 지나가도록 해석을 수행하였다.
대상 데이터
- 적용하였다. 고무의 탄성계수 밀도 포아송비는 각각 1.6 MPa, 1100 m3, 0.49을 적용하였다. 주철의 탄성계수, 밀도 포아송비는 각각 160 GPa, 7150 m3, 0.
- 적용된 요소는 2차원 4절점요소인 아ane 42을 적용하였다. 또한 축대칭조건을 적용하여 해석을 수행하였다.
- 49을 적용하였다. 주철의 탄성계수, 밀도 포아송비는 각각 160 GPa, 7150 m3, 0.3을 적용하였다. 진동해석에서 경계조건은 자유경 계조건을 적용하였다.
- Solid 185요소는 3차원 8노드(node) 구조용 솔리드 요소이다. 진동해석에 사용된 맨흘뚜껑의 요소는 10236개, 노드(node)수는 13908개이며, 받침대의 요소는 13016개, 노드수는 16732개 이다. 진동해석에서 사용된 해석방법은 sub枣ace it-eraMon을 적용하였다.
- 진동해석에 적용된 재질은 고무와 주철을 적용하였다. 고무의 탄성계수 밀도 포아송비는 각각 1.
- 해석모델은 진동해석에서 사용된 ANSYS 모델을 사용하였다. 충격해석에서 적용된 요소는 3차원요소로서 8개의 노드를 갖고 각방향에 대해 선형보간법을 이용한 선형요소 C3D8R와 컨텍에 대해 3차원 4개의 노드를 갖고 있는 R3D4를 사용하였다.
- 0을 사용하여 해석을 수행하였다. 해석에서 사용한 요소는 Solid 185번 요소를 사용하였다. Solid 185요소는 3차원 8노드(node) 구조용 솔리드 요소이다.
데이터처리
- Bobcat 장비는 임팩트 햄머를 이용하여 구조물의 동특성을 측정하는 장비이다. FFT 장비로부터 측정된 데이터는 Star system 이라는 프로그램을 이용하여 고유진동수를 분석하였다. 그림 4.
- 맨홀뚜껑 및 받침대의 기하학적 특성을 평가하기 위하여 맨홀 뚜껑에 대한 파라미터 해 석을 수행하였다 맨홀뚜껑 및 받침대의 파라미터 해석은 ANSYS 100을 이용하였다. 적용된 요소는 2차원 4절점요소인 아ane 42을 적용하였다.
- 맨홀뚜껑에 충격이 가해졌을 때의 거동을 분석하기 위하여 ABAQUS 6.5를 이용하여 충격해석을 수행하였다. 해석모델은 진동해석에서 사용된 ANSYS 모델을 사용하였다.
- 는 진동해석에 적용된 경계조건을 나타내고 있다. 진동해석에서는 ANSYS 10.0을 사용하여 해석을 수행하였다. 해석에서 사용한 요소는 Solid 185번 요소를 사용하였다.
이론/모형
- 타이어에 가해지는 무게는 10t이고, 타이어의 접촉조건은 굴림접촉이며, 타이어는 맨흘뚜껑의 정중앙 및 측면을 지나가도록 해석을 수행하였다. 맨홀해석 모델은 Solidwork에서 모델링된 모델을 AD-AMS에 적용시켜 해석모델을 생성하였다. 동적해석의 경계조건은 노면 타이어와 맨흘뚜껑 및 받침대의 컨텍경계조건을 적용하였으며, 맨홀뚜껑과 받침대의 조건도 컨텍경계조건을 적용하였다
- 수행하였다. 진동실험에서 사용된 FFT (Fast Fourier Transfbnnatioii]장비는 Bobcat 을 이용하여 실험을 수행하였다. Bobcat 장비는 임팩트 햄머를 이용하여 구조물의 동특성을 측정하는 장비이다.
- 진동해석에 사용된 맨흘뚜껑의 요소는 10236개, 노드(node)수는 13908개이며, 받침대의 요소는 13016개, 노드수는 16732개 이다. 진동해석에서 사용된 해석방법은 sub枣ace it-eraMon을 적용하였다.
- 5를 이용하여 충격해석을 수행하였다. 해석모델은 진동해석에서 사용된 ANSYS 모델을 사용하였다. 충격해석에서 적용된 요소는 3차원요소로서 8개의 노드를 갖고 각방향에 대해 선형보간법을 이용한 선형요소 C3D8R와 컨텍에 대해 3차원 4개의 노드를 갖고 있는 R3D4를 사용하였다.
성능/효과
- (1) 진동해석 및 진동 실험 결과 1차 고유진동수는 각각 323 Hz, 283 Hz임을 확인하였다. 이때 해석값과 실험값의 차이는 13.
- 3 % 발생하였으나 이는 해석모델의 차이로 평가된다. (2) 충격해석을 수행한 결과, 초기 맨흘뚜껑의 거동은 3.0琢3초에서 충격에 의한 맨홀뚜껑의 압축이 다시 복원되는 것을 확인할 수 있었으며 이는 1차 고유진동수와 같은 시간 영역에서 발생하였다. 또한 맨흘뚜껑의 최대변위는 0.
- (3) 맨홀뚜껑 및 받침대의 파라미터 해석을 수행한 결과 맨흘뚜껑의 바깥쪽 접촉부가 맨홀뚜껑의 거동에 가장 끝 영향을 미치는 것을 확인할 수 있었다.
- (4) 동적해석을 통하여 속도에 따라 충격력이 크게 발생하며 이로 인해 변위 뿐만 아니라 회전력이 발생하는 것을 확인 할 수 있었다.
- 이때 전 해진 충격력은 낙하물의 기하학적 형상 뿐만 아니라 물리적 특성과 관계가 있다. 기하학적 특성에 의해 정해진 변수중 e는 앞장 초기충격에서 보여준 것처럼 맨 홀뚜껑의 끝 단의 변화가 큰것으로 나 타났다 맨홀 뚜껑의 바깥쪽 접촉부의 표면은 바깥쪽 안쪽보다 상대적으로 내외경변화가 같더라도 표면적 변화량이 크기 때문에 전달되는 충격력은 더 크게 표면적에 영향을 받는 것으로 평가된다
- 진동실험 및 해석을 통하여 분석한 결과 상대적으로 FEM 모델의 진동수가 조금 크게 발생하였다. 이는 해석모델의 단순화 하는 과정에서 질량이 감소하였기 때문이다.
- 해석결과를 살펴보면, X 방향 변위는 그림 13에서 보는 바와 같이 맨홀뚜껑은 타이어가 2개가 계속 뒤로 밀어주기 때문에 바퀴가 1개인 경우보다 더 많이 뒤쪽으로 밀리는 현상이 보 였으며, 타이어의 진 입속도가 커 질수록 변위가 커지는 것을 알 수 있다
후속연구
- 이러한 분석결과는 보다 안전하고 경제적인 맨홀 뚜껑을 개발하는데 중요한 기초자료로 활용될 것이라 판단된다.
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