저층수 배수를 위한 가동보의 안전성 평가
Safety Evaluation of Movable Weirs for Drainage of Underflow Water
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Abstract
한국의 지형은 산지 면적이 국토의 70%를 차지하고 있다. 이러한 특징을 고려한 수자원 확보 방안은 가동보를 이용한 소규모 저류지를 활용하는 것이다. 본 연구에서는 저류지의 저층에서 물을 배출할 수 있는 가동보를 개발하고자 한다, 저층으로 물을 배출할 수 있는 가동보의 구조적인 안전성을 평가하기 위해서 수치적인 해석(FEM 해석)과 이론적인 해석을 병행하여 상호의 결과값을 비교 분석함으로써 가동보의 안전성을 평가하였다. 본 연구에 사용한 가동보는 수문 본체와 하단배출 수문으로 분류하여 해석되었다. 먼저 수문본체와 하단 배출수문을 단순화 하여 진행하고 응력, 처짐, 비틀림 등을 계산하여 안전성 평가를 수행하였다. 단순화 작업이 완료된 수문본체와 하단 배출수문을 대상으로 기립각의 요소에 변수를 적용해서 FEM 해석을 진행하여 인장, 압축, 전단응력을 계산하였다. 수문본체의 경우에 기립각의 변수를 30°, 60°, 64°로 분류해서 해석을 하였다. 하단 배출수문의 경우에는 회동링크 축의 변수를 두께가 20 mm, 22 mm, 24 mm, 26 mm로 분류해서 해석하였다. 저층수 배출이 가능한 가동보를 수분 본체와 하단배출 수문으로 분류하여 안전성을 분석한 결과, 주어진 조건의 가동보를 구성하는 요소들이 허용응력을 초과하지 않았으므로 구조적으로 안전한 요소임을 확인하였며, 설계한 가동보가 설계 수위에 따른 수압을 지탱하도록 구조적으로 안전하게 설계되었음을 확인하였다.
Trans Abstract
Korea topography accounts for 70% of the country’s land area. A plan to secure water resources considering this characteristic is to utilize small-scale reservoirs using movable weirs. In this study, we aim to develop a movable weir that can discharge water from the bottom of the reservoir and evaluate the structural safety of the movable weir that can discharge water to the bottom layer; the safety of the movable weir is evaluated by comparing and analyzing the results of each other. The movable information used in this study was classified into two types (water body and bottom discharge sluice gate) according to usability and the installation location. First, the design of the hydrological body and lower discharge hydrological gate were simplified, and the simplification was evaluated by calculating stress, sagging, and twisting. Tensile, compression, and shear stresses were calculated by conducting FEM analysis by applying variables to the elements of the standing angle to the hydrological body and lower discharge hydrological gate where the simplification work was completed. In the case of the hydrological body, the variables of the standing angle were classified into and analyzed. In the case of the lower discharge hydrological gate, the variables of the rotating link axis were classified into 20 mm, 22 mm, 24 mm, and 26 mm in thickness and analyzed. Determining safety by classifying mobile beams capable of discharging low-rise water into moisture bodies and lower discharge sluices confirmed that the components of mobile beams under a given condition did not exceed allowable stress.
1. 서 론
우리나라는 뚜렷한 4계절의 영향으로 겨울에는 대륙으로부터 해양방향으로 차갑고 건조한 계절풍(monsoon)의 영향을 받으며, 여름에는 해양으로부터 대륙 방향으로 고온 다습한 계절풍의 영향을 받는다(Encyclopedia of Korean Culture, 2017). 이러한 영향으로 건조한 겨울철에는 수자원의 확보가 어려우며, 대기 중에 수분이 증가하는 여름철에는 호우가 발생한다. 이러한 지역적 기후 특성과 함께 국토의 약 70% 이상이 산지로 이루어진 지형적 영향으로 산지에 내린 강우가 3일 이내에 하천에서 바다로 흘러가는 연간 강수량이 전체 강수량의 50~70%에 해당한다(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2012). 이러한 기후와 지형적 특성으로 인하여 수자원 확보에 많은 어려움이 있다. 이에 따라 국가적 차원에서 인공적으로 수자원을 확보하고, 호우로 인한 홍수피해를 방지하기 위하여 4대강 유역과 중소규모의 하천에 중소형 보와 대형 인공 댐을 건설하였다. 특히 중소형 보는 주변 여건과 규모에 따라 다양한 형식의 수문이 설치⋅운영되고 있다. 최근에는 수문의 안전성이 대두되면서 문비, 개⋅폐시 진동에 대한 모형실험과 수치해석을 진행한 수문의 거동특성에 관한 연구가 국외에서 많은 연구가 진행되고 있지만, 국내에서는 기존의 보에 사용된 수문은 설치의 용이성과 수자원의 확보에 초점을 맞추어져 있어 많이 부족한 상황이다(Korea Water Resources Corporation, 2013).
보의 효용성과 안전성에 관한 연구는 국외를 중심으로 다양한 형태의 보를 대상으로 연구가 진행되고 있다(Paris et al., 2012; Lee et al., 2016).
보의 안전성을 분석하기 위해서 유한요소해석(FEA)을 활용하여 유체의 흐름이 보에 미치는 영향에 대한 연구를 중심으로 이루어지고 있으며(Nakayama and Ikegawa, 1984; O’Carroll and Toro, 1984; Khassaf et al., 2009), Seyedjavad et al. (2020)은 수로벽에 측면으로 90°로 설치된 사다리꼴 PKW보(Piano Key side Weir)에서 유속장의 균일성이 운동에너지에 미치는 유체역학적 성능과 영향에 대하여 연구하였다. Tunc and Emiroglu (2017)은 정류와 자유 월류 상태에서 직사각형 단면의 이동상 직선 수로에 장착된 삼각형 labyrinth 측면 수로의 주변에 형성된 세굴 깊이에 대하여 연구하였으며. Kirkgoz et al. (2008)은 입자 이미지 속도 측정 기술을 사용하여 직사각형 및 삼각형 광정보 상류의 2차원 난류 자유 표면 흐름의 유속장을 분석하였다.
Littlejohn et al. (2014)은 보를 이용하여 유체의 퇴적물을 침전시켜 농업용수에 필요한 영양소 유출을 감소시키는 연구를 진행하였으며, O’Connor et al. (2006)은 저준위 보가 하류 물고기 이동에 대한 영향을 분석하였다.
Han et al. (2017)은 지류하천의 중⋅상류를 대상으로 수문학적 흐름추적 벙법을 이용하여 부력⋅승강식 가동보에 수위 자동 조절 효과를 분석하고 성능구현을 위한 조건을 검토하였고 S.H. Lee et al. (2015)은 수리모형 실험을 통하여 가동보 하류부의 수위변화에 따른 하류부 유황과 수문의 개도별 방류 능력을 검토하였으며 구문 개도별 방류능력에 따른 수위-유량곡선을 제시하였다.
J.Y. Lee et al. (2015)은 가동보 운영규칙에 따른 보 하류부의 수리학적 조건 변화로 인하여 발생하는 수공구조물 기초부 주위에서 발생하는 국부세굴에 대한 안전성을 검토하였다.
Lee et al. (2014)은 국내에서 가장 많이 설치된 개량형 공압식 가동보(Improved Pneumatic Movable weir)를 대상으로 다양한 유량 변화에 따른 유동 특성을 분석하고 유량계수 산정식을 도출하였으며, Choi et al. (2008)은 저층수 배출이 가능한 공압식 가동보를 수로에 설치하여 설치 각의 변화에 따른 유동 분석 연구를 진행하였다.
Kwon et al. (2020)은 리튬이온전지와 태양광 모듈를 이용한 가동보용 친환경 전원 공급 시스템의 운영 방법을 제안하였으며, 또한, Son et al. (2017)은 콘크리트 재료의 노후화 조건을 고려한 콘크리트 보의 지진 취약도를 확률론적 위험평가를 이용하여 도출하였다.
이처럼 보와 관련한 많은 연구들이 진행되어 왔으나 저층수 배출이 가능한 가동보에 관한 연구는 부족한 실정이다. 보가 수자원을 저류할 경우에 하천수의 오염원들이 하천의 바닥에 퇴적되거나 저류의 순환이나 배출이 원활하지 않아 담수의 오염을 증가시킨다. 이와 같은 오염을 줄이고 저류의 순환을 높이기 위해서 수문 본체의 하단부에 하단배출 수문을 배치한 형태의 가동보의 사용이 필요하다. 그러나 저층수 배출 가동보를 사용하기 위해서는 수문 본체의 안전성뿐 아니라 하단배출 수문의 안전성 검토도 필요하다.
본 연구에서는 저층수 배출용 가동보의 안전성을 검토하기 위해서 가동보를 구성하는 수문본체와 수문본체의 조작 시 개폐되는 하단배출 수문의 구조해석을 진행하였다. 구조해석을 통하여 최대응력과 최대처짐을 계산하였으며, 계산한 최대응력과 처짐이허용응력과 처짐의 범위 내에서 발생하는지를 확인하여 가동보의 안전성을 평가하였다.
2. 저층수 배출용 가동보
2.1 저층수 배출용 가동보의 구성
저층수 배출용 가동보는 실제 현장에 설치되는 가동보를 대상으로 구조적 해석을 진행하고자 하였다. 저층수 배출용 가동보는 수문 개폐 조작이 단순하고 기본적인 가동보의 수문본체 하부에 하단배출 수문을 추가하여 저층수 배출이 가능하도록 설계하였다. 저층수 배출로 오염된 수질을 정화시킬 수 있을 뿐만 아니라, 개폐 시 단면적을 최대한 확대하여 수해 예방에 매우 효과적이다. 또한, 자연적인 어도를 형성하여 생태계가 단절되는 것을 최소화할 수 있으며, 하천 하상의 준설이 불필요하고 이물질들이 수문에 걸리지 않아 미관이 수렴함과 일정 수위를 항상 유지할 수 있다.
가동보는 하천설계기준(Korea Water Resource Association, 2009)과 하천공사 설계실무 요령(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2016)에 따라 높이가 2 m 이하인 가동보는 수문의 종길이와 횡길이의 비를 1/10 이상으로 셜계할 수 있다. 따라서 저층수 배출용 가동보는 Fig. 1과 같이 폭 15.0 m, 높이 1.0 m로 수문의 비를 1/15로 설계하였다. 가동보는 수문본체, 하단배출 수문, 그리고 무동력구동부로 구성되어 있으며, 하부 브라켓이 바닥을 지지하고, 수문틀에 의하여 가동보의 양끝단이 지지하도록 설계되었다.
Component Name of Movable Weir
본 연구에서는 Fig. 1에서 분류한 4가지 요소 중에서 가동보의 성능에 있어서 큰 영향을 주지 않는 수문틀을 제외한 수문본체, 하단배출 수문, 무동력구동부를 대상으로 구조 해석 및 안전성 평가를 진행하였으며, 가동보를 구성하는 3가지 요소는 Fig. 2와 같다.
Detailed Elements of Movable Weir
Fig. 2(a)는 기립각을 조절하여 보를 형성하는 수문본체이며, Fig. 2(b)는 하단배출 수문이다. Fig. 2(c)는 수문본체에서 조절되는 기립각에 따라 하단배출 수문을 개폐하는 무동력구동부이다.
2.2 가동보의 수분 본체의 구성과 역할
본 연구에서 안전성 평가를 진행하고자 하는 저층수 배출용 가동보는 수문본체, 하단배출 수문, 무동력구동부로 총 3가지의 핵심 요소로 이루어져 있다. 이 들 중 수 본체는 Fig. 3과 같이 수문본체와 수문 보강재로 이루어져서 수문본체는 상류에서 유입되는 하천수를 저장하고 필요에 따라 저수량을 방류하는 역할을 한다. Fig. 3(a)는 수문본체를 정면과 후면에서 본 상세도이며, 연결판 ⑤를 기준으로 좌우 대칭 구조로 이루어져 있다. Fig. 3(b)는 수문본체의 보강재를 세부적으로 표현하였으며, 연결판 ⑥을 기준으로 좌측 수문본체는 스킨판을 제어한 상태에서의 내부 보강재이다.
Detailed Elements of Floodgate
Fig. 3(b)와 같이 수문본체는 수문 상단의 원형 파이프, 문과 연결되는 측면보, 그리고 수평 및 수직 방향 보강재로 구성된다. 수문본체를 구성하는 세부요소(①~⑩)는 Fig. 4에 나타내었다.
Detailed Component of Floodgate Main Body
수문본체의 보강재는 수직 보강부와 수평 보강부로 구분되며, 보강재는 설계 수위에 따른 수압으로부터 수문에 발생하는 휨에 저항하기 위하여 배치된다. Fig. 4(d)와 같이 수문본체의 Gate hinge는 콘크리트 수로에 부착하기 위하여 수문본체 하부에 등간격으로 배치되며, 측면보는 Fig. 4(a)와 같이수문본체 좌우에 배치되어 문틀과 연결되도록 하였다.
Fig. 3(b)의 수문본체 좌측에 보강재는 수문본체를 구성하는 수문 두 개중 하나를 수직보강부와 수평보강부로 나누어 Fig. 5와 같이 3차원으로 표현하여 수문본체를 이루는 세부요소를 입체적으로 확인하였다.
Block Plan of Floodgate Main Body Stiffener
수직 보강부는 Fig. 5(a)와 같이 수직 방향 보강재와 T형 수직 방향 보강재는 등간격으로 배치되며, 수평보강부는 Fig. 5(b)와 같이 수문본체 상하에 각기 다른 단면의 수평 방향 보강재가 배치된다.
2.3 가동보 하단배출 수문의 구성
가동보의 하단배출 수문은 무동력구동부와 결합하여 수문본체 하단에 설치하여 원활한 저층수의 순환과 배출이 되도록 하는 역할을 한다.
가동보의 하단배출 수문은 Fig. 6과 같이 다양한 요소로 구성되어 있다. 하단배출 수문은 무동력구동부(회동바(③), 회동링크 축(④))에 연결판을 중심으로 좌우에 등간격으로 배치된다. 한 기의 가동보에는 8개의 하부수문(①)이 배치되고 브라켓(②)으로 수문본체에 고정되어 진다. 이와 같은 하단배출 수문의 요소들은 Fig. 7에 상세히 표현한 세부요소의 결합으로 구성된다. 하단배출 수문은 수문 사용 시 필요에 따라 수문본체가 완전 기립 된 상태에서 추가로 4° 기립시킴으로써 작동한다. 수문본체가 추가로 4° 기립 되면 무동력구동부의 회동링크는 문틀의 원형 파이프와 접촉되어 회동링크 축이 회전하면서 하단배출 수문이 개방되는데 수압이 작용하게되면 수문에 압력이 작용하여 회동링크 축에 비틀림을 발생시키게 된다. 따라서 본 연구에서는 횡동링크 축에 발생하는 비틀림으로부터 하단배출 수문의 안전성을 검토하였다.
Composition of Bottom Outlet Gate
Component of Bottom Outlet Gate
3. 저층수 배출용 가동보의 이론 해석
3.1 저층수 배출용 가동보의 단순화
본 연구에서는 수문본체에 하단배출 수문을 설치한 저층수 배출용 가동보의 안전성을 FEM 해석 방법으로 구조적 안전성을 평가하고자 하였다. 안전성 평가의 과정은 Fig. 8과 같이 진행하였다.
Movable Weir Analysis Flow Chart
FE 모델링을 진행하기 전에 가동보의 취약 구간을 예상하기 위하여 가동보의 모델을 단순화하여 안전성 평가를 수행하였다. 가동보의 안전성 평가를 위하여 가동보를 수문본체와 하단배출 수문으로 분류하였다. 특히, 수문본체는 수문본체에 작용하는 수압에 저항하기 위한 수직 방향 보강부와 수평 방향 보강부로 구성되어 있다. 따라서 보강재의 방향, 수로와 수문틀의 지지점을 고려하여 수평 방향과 수직 방향의 보강부를 중심으로 단순화하여 발생하는 응력과 변형을 확인하고자 하였다. 또한, 하단배출 수문에 작용하는 수압을 모멘트력으로 가정하여 회동링크 축에 적용시켜 비틀림에 따른 전단응력을 확인하고자 하였다. 안전성 평가에서 설계 수위는 1.3 m로 고려하였다. 가동보에 작용하는 최대 수압과 이로 인한 각 부재의 휨응력과 처짐 그리고 하단배출 수문 개방 시 무동력구동부에 발생하는 비틀림과 전단강도를 계산하였으며, 계산과정에서 사용된 기호는 Tables 1과 2에 정리하였다.
Physical Properties of Movable Weir
Symbols of Simplified Evaluation Equation of Movable Weir
3.2 수문본체의 모델링
가동보의 수문본체는 수위에 따른 수압이 작용한다. 이때, 수압으로부터 수문본체가 안전하게 지탱하기 위해서 수직 방향 보강부와 수평 방향 보강부를 수문본체에 배치하면 스킨판에 수압이 작용하게 되지만 최종적으로 스킨판을 지탱하는 보강부가 수압에 저항하게된다. 수문본체의 안전성을 평가하기 위해서 수직 방향과 수평 방향의 보강부로 나누어 각 보강부에 대한 안전성 평가를 진행하였다. 가동보는 일반적으로 지면과 30°의 기립각에서 수압의 영향을 가장 많이 받게 된다. Fig. 9의 그림과 같이 가동보에 작용하는 수압은 가동보에 작용하는 전수압 P1을 산출한 후, 단위면적 당 수압 P2를 Eq. (1)과 같이 산출하였다.
Hydraulic Pressure Acting on the Floodgate
수압에 저항하여 수문의 상하 방향 변형을 방지하기 위해서 Fig. 10과 같이 수직 방향으로 배치된 수직 방향 보강부에 T형 수직 방향 보강재와 측면보를 단순화하였다. 수문본체의 수직 방향 보강부는 Fig. 10(a)과 같이 하부가 Gate hinge에 의해 지지 되며, 휨에 대한 저항력이 우수한 T형 보강재가 배치된 Section 1과 수문틀 및 하부 Gate hinge에 의해 지지가 되는 ㄷ형 단면의 측면보가 배치되는 Section 2로 분류하여 수문본체의 수직 방향 안전성 평가를 진행하였다.
Simplification of Vertical Stiffener on the Floodgate
Fig. 11은 T형 수직 방향 보강재의 제원이며 처짐과 응력은 Eq. (2)와 같이 계산하였다.
T-shaped Vertical Stiffener
측면보의 경우, 상부에서 수문틀과 연결되는 부분는 캔틸레버보로 고려하였으며, 나머지 부분은 일반 단순보로 고려하여 계산을 하였다. 측면보의 제원은 Fig. 12와 같으며, 측면보를 단순화하여 Eq. (3)과 같이 처짐과 응력을 계산하였다.
Side Weir
계산 결과, T형 수직 방향 보강재는 11.00 N/mm2의 응력이 발생하였으며 측면보 상부는 2.352 N/mm2, 측면보 하부는 4.206 N/mm2의 응력이 발생하였다. 수문본체 수직 방향 보강부의 안전성 평가 결과, T형 수직 방향 보강재에서 최대응력이 발생할 것으로 예상되었다.
가동보는 수위 조절을 위하여 이루어지는 기립 과정에서 수심에 따라 등분포로 작용하는 정수압의 영향을 받는다. 따라서 수문본체 수평 방향 보강부의 단순화는 Fig. 13과 같이 수평 방향 보강부인 원형 파이프와 수평 방향 보강재를 단순화하였다.
Simplification of Horizontal Stiffener on the Floodgate
수문본체의 수평 방향 보강부는 Fig. 13(a)과 같이, 측면보에 고정되는 원형 파이프로 구성된 Section 1과 수로에 설치된 Gate hinge에 연속적으로 연결된 수평 방향 보강재로 구성된 Section 2로 나누어 수문본체의 수평 방향 안전성 평가를 진행하였다. Fig. 14는 원형 파이프 (1/2) 보강재의 제원이며, 처짐과 응력은 Eq. (4)와 같이 계산하였다.
Circular Pipe (1/2) Stiffener
Fig. 15는 하단 수평 방향 보강재의 제원이며, 처짐과 응력은 Eq. (5)와 같이 계산하였다.
Bottom Horizontal Stiffener
수문본체 수평 방향 보강부의 안전성 평가는 측면보로 양단고정된 단순보 형식으로 진행하였으며, 하단 수평 방향 보강재는 한쪽 측면에 접촉된 구간과 Gate hinge로 고정된 구간으로 분류하여 진행하였다. 계산 결과, 원형 파이프에는 648.93 N/mm2의 응력이 발생하였고, 하단의 수평 방향 보강재는 측면보와 접촉된 구간에서 11.76 N/mm2, Gate hinge와 연결된 구간에서는 131.23 N/mm2의 응력이 발생하였다. 수문본체 수평 방향 보강부의 안전성 평가 결과, 수문본체의 최대응력은 원형 파이프와 수평 방향 보강재로 구성된 수문본체의 상단에서 발생할 것으로 예상하였다.
3.3 하단배출 수문의 단순화
하단배출 수문은 수문본체의 기립각에 따라 무동력구동부의 회동링크가 수문틀의 원형 파이프와 접촉하여 회동링크 축이 회전하면서 하단배출 수문이 개방되는데 이때, 회동링크 축에 수압이 작용하면서 압력을 받기 때문에 비틀림이 발생한다. 따라서 하단배출 수문의 안전성 평가를 위하여 회동링크 축의 비틀림을 고려하여 Fig. 16과 같이 단순화하였다.
Simplified Bottom Outlet Gate
하단 배출수문은 가동보가 60°일 때 수압에 의한 가장 큰 영향을 받는다. 하부 배출수문에 작용하는 정수압 P1과 전수압의 작용위치 그리고 단위 면적당 수압응력, σ1를 Fig. 17과 같이 산정하여 계산을 하였다.
Hydraulic Pressure Acting on the Bottom Outlet Gate
하단배출 수문은 Fig. 17과 같이, 하단배출 수문위치에 따라 총 9개 구간으로 나누어 각 구간별 발생하는 회전력, 전단응력 그리고 허용응력을 계산하였다. 각 구간별 회전력과 전단응력의 계산과정을 Table 3에 나타내었다. 하단배출 수문은 중앙을 중심으로 좌우 대칭구조이므로 S0에서 S4까지의 계산결과와 S5에서 S9까지의 결과는 동일하다고 가정하였다. 회동링크와 회동링크 축이 연결된 S0구간으로부터 가까운 위치에서 최대전단응력이 발생하였으며, 수문본체의 중앙에 가까워질수록 낮은 전단응력이 발생하였다.
Simplified Evaluation of Bottom Outlet Gate
4. 저층수 배출용 가동보의 안전성 평가
4.1 저층수 배출용 가동보의 FE 모델링
가동보의 FE 모델링은 3장에서 진행한 안전성 평가 결과를 참고하여, 구조해석을 진행하였다. 구조해석을 위한 모델링은 구조해석 프로그램인 I-DEAS로 진행하였다. 모델링은 각 요소를 대상으로 단순화하여 모델링 작업을 진행한 후에 2D Shell mesh 요소를 선정하여 수문본체의 형상을 최대한 유지하고, 각 구성요소의 특징이 반영될 수 있도록 하였다.
가동보의 수문본체는 STS304 Stainless Steel과 SS400 Steel 두 가지 재료로 각 구성요소가 제작되었다. Tables 4와 5는 두 재료의 물리적 특성과 응력을 나타낸 표이다.
Physical Properties of SS400 Steel, STS304 Stainless Steel
Stress of STS304, SS400
Table 4와 같이 STS304 Stainless과 SS400 Steel의 물리적 특성은 차이는 미소하지만, STS304 Stainless Steel에 비하여 SS400 Steel이 약 14.29% 큰 응력을 발휘하므로 FE 모델링에서는 구조해석에 큰 영향을 주지 않는 요소들을 단순화하여 효율적인 구조해석을 진행하도록 하였다. 따라서 STS304 Stainless Steel과 SS400 Steel 두 가지 재료 중 작은 응력을 가지는 STS304 Stainless Steel의 재료특성을 FE 모델에 반영하여 구조해석을 진행하였다. Fig. 18은 수문본체의 FEM 모델을 표현한 그림으로 수문본체의 mesh (2D Shall) 상태를 보여준다.
Floodgate Modeing Work
수문본체의 FE 모델링은 Fig. 18(a)와 같이, 구조해석에 큰 영향을 주지 않는 요소를 제거한 후 단순화하여 모델링을 진행하였다. FE 모델의 mesh는 Fig. 18(b)와 같이 2D Shell을 적용하였다. 지지층과 수문본체의 연결은 실제 저층수 배출용 가동보를 기준으로 볼트를 체결하는 위치에 RBE 2D 강체 요소를 사용하여 모사하였다.
수문본체의 하단부는 하단배출 수문과 무동력구동부로 구성되어 있다. 하단배출 수문은 회동링크와 연결되어있는 회동링크 축이 회전하면서 개방되며, 개폐는 수문본체의 기립각 조절로 이루어진다. 따라서 하단배출 수문의 변형보다는 수문을 연결하고 있는 회동링크 축에서 발생하는 응력을 검토할 필요성이 있다고 판단하였다.
하단배출 수문의 FE 모델링은 수문본체와 동일하게 단순화 작업 후에 모델링을 진행하였다. 하단배출 수문은 수문이 회동링크 축으로부터 연결되어있으나, 축의 길이에 비해서 직경이 작기 때문에 구성 요소들이 작게 설계되어 요소를 하나로 합쳐서 모델링을 진행하기에는 어려움이 있다. 이에 따라 각각의 요소들을 3D Solid로 모델링하고 요소들을 부착하여 진행하였다. Fig. 19는 하단배출 수문의 FE 모델을 나타낸 것이다. Fig. 19(a)는 가동보의 회동링크와 회동링크 축이고, Fig. 19(b)는 개별 하단배출 수문 모델이다. 하단배출 수문의 모델은 FE 구조해석에 영향을 미치지 않는 요소들은 제거하고 필요한 요소들만 모델링을 진행하였다.
Bottom Outlet Gate Modeing Work
4.2 수문본체의 FE 구조해석
저층수 배출용 가동보는 수위 유지를 위하여 하단배출 수문이 폐쇤된 상태와 저층수 배출을 위하여 하단배출 수문이 개방된 상태로 구분된다. 따라서 Fig. 20과 같이 하단배출 수문이 개폐된 두가지 상태를 모두 고려하여 수문본체의 FE 구조해석을 진행하였다.
Floodgate Modeling (Close, Open)
Fig. 20(a)의 폐쇄 상태와 Fig. 20(b)의 개방 상태 조건 이외에도 수문본체는 하단배출 수문이 폐쇄된 상태에서 60°의 기립각을 유지할 수 있으며, 필요에 따라 각도를 조절할 수 있다. 또한, 수문본체의 기립각을 64°로 조정해서 하단배출 수문을 개방할 수 있다. FE 구조해석은 Fig. 21과 같이 64°, 60°, 30° 3가지 기립각 조건에서 구조해석을 진행하였다.
Floodgate Rising Angle
FE 구조해석에서 수문본체에 작용하는 수압은 설계 수위인 1.30 m를 기준으로 하였으며, Fig. 22와 같이 수문틀과 연결되는 측면보와 수로 간의 연결부는 서로 고정되어 있는 것으로 가정하였다.
FEM Analysis Condition of Floodgate
수문본체를 대상으로 구조해석을 진행한 결과, 압축응력과 인장응력은 원형 파이프와 측면보의 연결부 및 스킨판의 처짐을 보강한 보강재 부분과 Gate hinge에서 크게 발생하였으며, 최대처짐은 안전성 평가에서 예상했던 바와 같이 수문본체 상단의 원형 파이프 중앙에서 발생하였다. 또한, 수문본체의 기립각에 따른 FE 구조해석 결과, 60°에서 최대 압축응력이 발생하였으며, 64°에서 최대 인장응력과 최대전단응력, 최대 처짐이 발생하였다.
하단배출 수문이 개방되어 있는 기립각 64°의 조건과 하단배출 수문이 개방되지 않은 상태인 30°, 60° 기립각 조건에서 FE 구조해석 결과는 Figs. 23과 24와 같다.
FEM Analysis Result of Floodgate (64°)
FEM Analysis Result of Floodgate (30°, 60°)
수문본체의 FE 구조해석을 통한 안전성 검토 결과는 Table 6에 요약하여 나타내었다. 수문본체의 기립각에 따른 FE 구조해석 결과, 인장응력과 전단응력은 허용응력에 약 52% 미만의 응력이 발생하였으며, 일방향 수압이 수문본체에 작용하여 압축응력은 무시할 수 있을 정도로 미소하게 발생하였다. 또한, 수문본체의 처짐은 수문본체의 전체 길이 15.5 m의 1/8,000 정도의 미소한 변형이 발생하였다.
Safety Examination Result of Floodgate
4.3 하단배출 수문의 FE 구조해석
가동보의 하단배출 수문은 수문본체 하부에 설치되어 있어 필요 시 수문을 개방하여 저층수를 배출할 수 있다. 하단배출 수문은 60° 이상의 기립각이 되면 수문본체가 개방되며, 기립각 64°에서 완전한 개방이 이루어진다.
하단배출 수문에 작용하는 수압은 수문의 기립각이 60°에서 64° 사이에 발생하는 최대수압을 선정하여 해석에 적용하였다. 그리고 최대수압으로부터 충분히 저항할 수 있는 회동링크 축을 선정하기 위하여 20 mm부터 26 mm까지 직경을 2 mm 간격으로 증가시켜 FE 구조해석을 진행하였다. 하단배출 수문에 작용시킨 수압의 방향과 지점조건은 Fig. 25에 정리하였다. 수압은 하단배출 수문에 수평 방향으로 작용하는 것으로 가정하였으며, 지점조건은 회동링크를 고정지점으로 설정하였다. 하단배출 수문을 구성하는 각 요소의 접합부는 핀지점으로 설정하여 접합부와 연결되는 요소가 회전이 가능하도록 하였다.
FEM Analysis Condition of Bottom Outlet Gate
Fig. 26은 수문본체의 기립각이 60°인 조건에서 회동링크 축을 두께별로 변경하여 진행한 해석 결과를 표로 나타낸 것이다. Fig. 26에서와 같이, 직경이 20 mm와 22 mm인 회동링크 축이 적용된 하단배출 수문은 59 N/mm2의 전단응력이 발생하여 STS304 Stainless Steel의 허용 전단응력을 초과하였으며, 회동링크 축 직경이 24 mm 이상일 때, 허용 전단응력 59 N/mm2 범위 내의 응력이 발생하는 것으로 확인되었다. 24 mm 직경의 회동링크 축을 적용한 하단배출 수문의 FE 구조해석 결과는 Fig. 27과 같다. Fig. 27에서 확인할 수 있듯이 기립각이 60˚ 이고 회동링크 축의 두께가 24 mm인 경우, 최대압축응력 71.5 N/mm2, 최대인장력 12.6 N/mm2 그리고 최대전단응력은 44.6 N/mm2이 발생하였다. Fig. 28과 같이 하부배출 수문의 최대변위는 0.443 mm 발생하였으며, 회동링크 축의 최대변위는 0.0226 mm 발생하였다. 그리고 최대응력은 Fig. 28(c)와 같이 하단배출 수문의 양끝단에서 발생하였다.
Stress Analysis Result of Rotating Link Shaft on the Bottom Outlet Gate
FEM Analysis Result of Rising Angle 60° on the Rotating Link Shaft (24 mm)
FEM Analysis Result of Lower Emssion Gate
하부배출 수문의 구조해석을 통한 응력검토 결과에 따라 안전성 검토를 진행한 결과는 Table 7과 같다. Table 7에서 확인할 수 있듯이 하부배출 수문의 회동링크 축은 최소한 24 mm 이상의 직경으로 제작되어야 하단배출 수문의 발생하는 전단응력이 강재의 허용응력을 초과하지 안으므로 안전 상태를 유지할 수 있었다.
Safety Examination Result of Lower Emssion Gate
5. 결 론
본 연구에서는 저층수 배출용 가동보의 안전성 평가를 위해 가동보를 수문본체와 하단배출 수문으로 나누어 이론적인 해석과 FE 구조해석을 수행하였다. 하단배출 수문은 무동력구동부를 포함하여 해석을 진행하였으며, 수문본체의 경우에는 수문의 기립각(64˚, 60˚, 30˚)에 따라 FE 구조해석을 진행하여 안전성을 검토하였다. 안전성 검토는 허용응력과 허용최대처짐 이내의 값이 되도록 이론적으로 계산된 압축응력, 인장응력, 전단응력 그리고 최대처짐을 기준으로 검토하였다.
1. 수문의 기립각(64˚, 60˚, 30˚)에 따라 FE 구조해석을 진행한 결과, 수문본체에 발생하는 인장응력은 허용응력에 약 40%에 해당하였으며, 압축응력은 무시할 수 있을 정도로 미소한 응력이 발생하였다. 전단응력의 경우에는 허용응력에 약 52% 미만에 해당하는 응력이 발생하여 구조적으로 안전성이 확보되었음을 확인하였다.
2. 하단배출 수문의 회동링크 축의 두께를 20 mm, 22 mm, 24 mm, 26 mm 4가지 경우로 설정하여 해석한 결과, 24 mm와 26 mm 두께의 응력 조건만 허용응력 이내에 응력값을 나타내어 회동링크의 설계에 주의가 필요함을 보였다.
이와 같은 가동보의 안전성 평가 결과, 수문본체는 각각의 기립각에서 모두 안전하였고, 하단배출 수문의 경우에는 회동링크 축의 두께가 24 mm, 26 mm인 경우에만 안전성이 보장되었다. 그러므로 저층수 배출을 위한 가동보는 일반적인 가동보와는 달리 수문본체와 하단배출 수문의 구조적인 역할이 다르므로 설계수위에 따른 수압을 지탱하면서 원활한 저층수 배수를 위해서는 하단배출 수문의 구조적인 안전성 평가가 선행될 필요가 있음을 확인하였다.
감사의 글
본 논문은 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구사업임(NRF-2018R1A6A1A03025542). 본 연구가 이루어지도록 지원하여 준 한국연구재단에 깊은 감사를 드립니다.