KR102180455B1

KR102180455B1 - 집수장치 및 이를 이용한 교량의 배수 구조

Info

Publication number: KR102180455B1
Application number: KR1020200052013A
Authority: KR
Inventors: 황성규; 오경두
Original assignee: 이노블루산업 주식회사; 오경두
Priority date: 2020-04-29
Filing date: 2020-04-29
Publication date: 2020-11-18

Abstract

본 발명은 교량이나 건물 옥상 또는 건물내 샤워실 등에서 물을 외부로 배출시키기 위하여 설치되는 집수장치와 관련되는 것으로서, 상기 집수장치는 사각틀을 형성하는 집수틀과, 상기 집수틀 하부에 설치되는 모닝글로리관과, 상기 집수틀 내부에 삽입 설치되는 방사그레이팅으로 이루어지되, 상기 모닝글로리관은 상부의 곡면부와 하부의 직선부로 구성되고, 상기 방사크레이팅은 사각 고정틀과, 사각 고정틀 내부에 방사형으로 배치되어 수직으로 설치되는 다수 개의 방사수직편으로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

집수장치 및 이를 이용한 교량의 배수 구조{WATER COLLECTING DEVICE AND DRAINAGE STRUCTURE USING IT FOR BRIDGE}

본 발명은 교량이나 건물 옥상 또는 건물내 샤워실 등에서 물을 외부로 배출시키기 위하여 설치되는 집수장치와 관련되는 것으로서, 특히 교량의 하부에 설치되는 배수 구조에서 비나 눈으로 인하여 교량의 노면을 흐르는 물을 신속하게 집수 및 배수하여 노면이 침수되지 않도록 하는 교량의 배수 구조에 사용될 수 있는 집수장치에 관한 것이다.

교량이나 도로 또는 건물의 옥상 등이나 건축물의 실내에서 샤워실 등 물을 사용하는 곳에서는 우수나 사용한 물을 외부로 배출시키기 위한 수단들이 설치된다.

예컨대 교량의 슬래브 하부에는 비, 눈으로 인해 발생된 교량 노면 상의 물을 외부로 배출시키기 위한 배수 구조가 설치된다.

교량의 배수 구조는 교량 노면의 침수를 방지하여 교통의 안전을 도모함과 더불어 교량 노면상에 쌓여 있던 비점오염물들이 그 하부에 위치한 하천 등에 직접 유입되지 않도록 하여 수자원의 오염을 방지한다.

이러한 교량의 배수 구조는, 교량 거더의 측면에 설치되며, 교량 슬래브의 가장자리에 일정한 간격으로 설치되는 집수장치와, 상기 집수장치에 의해 집수된 우수를 외부로 이동시키는 수직,수평 배수관으로 이루어진다.

상기 집수장치는 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 내부가 박스형상으로 이루어지고 중앙 하면에 통공이 형성되어 수직 배수관(30)과 연결되는 하부관(2)이 설치된 사각 집수박스(1)와, 상기 집수박스의 상면에 놓여지면서 오물이 걸려질 수 있도록 그레이팅(3)으로 이루어진다. 그런데 이러한 종래의 집수장치(20)는 집수박스(1) 내부, 즉 집수구(4) 하면과 하부관(2)이 직각으로 이루어져 있어 집수박스 하면에서 하부관(2)으로 우수가 쏟아지는 과정에 자유낙하수맥이 형성되고, 아울러 수평 및 수직와류가 발생하여 하부관으로 유입될 수 있는 유량이 감소하게 되는 문제점이 있다.

또한 수직 배수관을 통해 낙하된 우수는 수평 배수관으로 흘러가면서 흐름의 속도가 낮아지면서 이에 포함되어 있던 슬러지 등의 오물이 수평 배수관 내부에 퇴적되고, 이로 힌하여 수평 배수관의 직경이 좁아져 배수능력이 감소하는 문제점이 있다. 이러한 문제점을 해소하기 위하여 수평 배수관에 다양한 구조의 오물 제거수단을 구비하기도 한다.

예컨대 등록특허공보 10-1531692호에서는 도 2에 도시된 바와 같이, 수직배수관(30)의 하단부 외주면에 용접으로 일체로 오물받이(100)가 3% 이상의 하향구배를 갖도록 설치되고, 상기 오물받이(100)는 전체적으로 육면체형상으로 이루어지고, 상기 오물받이(100)의 상부는 경첩(120)을 매개로 커버(130)가 고정 설치되고, 상기 오물받이(100)의 내부에는 이물질을 거를 수 있도록 오물받이통(140)이 고정 설치되며, 상기 오물받이(100)로 수평배수관(40)의 제일 낮은 하부에서 토사가 낙수와 함께 유도되도록 수평배수관(40)의 경사도 보다 작은 각도를 갖는 가이드판(110)이 오물받이(100)의 선단부 하단부에 고정 설치되며, 상기 가이드판(110)에 의해 빗물이 오물받이(100)를 통과하여 비중이 큰 토사가 오물받이통(140)에 걸러지도록 구성됨을 특징으로 한다.

그런데 상기한 오물받이(100)는 지속적으로 관리될 때 비로소 제 기능을 유지하는 것인바, 이를 위한 인력 및 많은 유지관리비용이 요구되는 문제점이 있다.

KR

10-1531692

B1

본 발명은 종래기술의 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 배수 구조의 배수능력을 향상시켜 신속한 우수의 배출을 가능하게 함과 더불어, 이를 교량의 배수에 사용되는 경우 이를 통과하는 차량 및 사람에 대한 안전성을 확보하고, 우수가 배출되는 과정 중에 자연스럽게 수평 배수관의 토사 등의 오물이 함께 배출될 수 있도록 함으로써 관로의 청소 등의 유지관리비용이 요구되지 않아 경제적인 집수장치 및 이를 이용한 교량용 배수 구조를 제공함에 그 목적이 있다.

상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 가장 바람직한 실시예에 의하면, 사각틀을 형성하는 집수틀과, 상기 집수틀 하부에 설치되는 모닝글로리관과, 상기 집수틀 내부에 삽입 설치되는 방사그레이팅으로 이루어지되, 상기 모닝글로리관은 상부의 곡면부와 하부의 직선부로 구성되고, 상기 방사크레이팅은 사각 고정틀과, 사각 고정틀 내부에 방사형으로 배치되어 수직으로 설치되는 다수 개의 방사수직편으로 구성되는 것을 특징으로 하는 집수장치가 제공된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 상하면이 평탄한 원형디스크평판으로 이루어진 수평도류판이 방사그레이팅 상면의 중심부에 설치된다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 내측에 형성된 연결편과 외측에 형성된 방지편이 일체로 구성된 수직도류판의 다수 개가 방사그레이팅과 모닝글로리관 사이에 설치된다.

본 발명의 또 다른 실시예로 상기한 집수장치의 하부에 배수관로가 설치되되, 상기 배수관로는, 모닝글로리관의 직선부와 연결된 수직배수관과, 수직배수관을 통과한 우수를 외부로 배출하는 수평배수관 및, 수직배수관과 수평배수관을 연통시키는 연결관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 교량의 배수 구조가 제공된다.

이때 상기 연결관은, 납작한 형태의 타원형 만곡관으로 구성시킬 수 있고, 수평부와 수직부로 구성되면서 상기 수직부의 하단에 경사유도판이 설치된 T형관으로 구성시킬 수 있다.

본 발명의 집수장치는 집수구 하면에 모닝글로리 유입부를 구성시켜 부착수맥을 형성시키고, 수평도류판 및 수직도류판을 구성시켜 수직배수구로 유입되는 우수 등의 물 흐름에 수직와류와 수평와류가 발생하지 않도록 하며, 물 흐름이 에너지의 손실을 최소화시키면서 배수관로의 수평배수관에 신속히 유입될 수 있도록 한다. 아울러 방사형 그레이팅은 바닥면의 모든 방향으로부터 집수구로 모여드는 물의 유입 효율을 높혀준다. 따라서 본 발명의 집수장치는 폭우시에도 신속한 우수의 배출로 도로면이 침수되는 것을 방지한다.

또한 본 발명의 배수 구조는 상기한 집수장치에 의해 집수된 물 흐름이 에너지 손실이 거의 없이 배수 관로의 수평배수관에 유입될 뿐 아니라, 연결관의 형상에 의해 수평배수관 관벽을 따라 부착수맥이 형성되면서 관 바닥쪽에서 빠른 유속을 가지게 한다. 따라서 본 발명의 배수 구조는 강력한 소류력으로 관내 토사 등의 오물이 퇴적되지 않도록 한다.

도 1은 종래기술에 의한 집수장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 집수장치가 설치된 교량의 배수 구조 및 이에 설치된 오물받이의 각 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 의한 집수장치의 사시도 및 단면도이다.
도 4는 본 발명의 상기 집수장치를 분해한 사시도이다.
도 5는 종래기술과 본 발명의 각 집수장치에서의 수심분포를 비교한 각 모델링이다.
도 6은 종래기술과 본 발명의 각 집수장치에서 유속 분포를 비교한 각 모델링이다.
도 7은 종래기술과 본 발명의 각 집수장치에서 공기 혼입율을 비교한 각 모델링이다.
도 8은 종래기술과 본 발명의 각 집수장치에서 압력 분포를 비교한 각 모델링이다.
도 9는 종래기술과 본 발명의 각 집수장치에서 유체의 밀도 분포를 비교한 각 모델링이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 의한 배수 구조의 사시도이다.
도 11은 본 발명의 배수 구조에 사용되는 연결관의 각 실시예의 사시도이다.
도 12는 종래기술과 본 발명의 각 배수 구조에서 수평배수관내 물 흐름상태를 비교한 각 모델링이다.
도 13은 종래기술과 본 발명의 각 배수 구조에서 수평배수관내 유속분포를 비교한 각 모델링이다.
도 14는 종래기술과 본 발명의 각 배수 구조에서 수평배수관 관벽에서의 전단응력 분포를 비교한 각 모델링이다.
도 15는 종래기술과 본 발명의 각 배수 구조에서 수평배수관내 압력 분포 비교한 각 모델링이다.
도 16은 종래기술에 의한 배수 구조의 사시도이다.

이하에서는 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명을 설명함에 있어 공지의 구성을 구체적으로 설명함으로 인하여 본 발명의 기술적 사상을 흐리게 하거나 불명료하게 하는 경우에는 위 공지의 구성에 관한 설명을 생략하기로 한다.

도 3, 4는 상기 집수장치(200)의 일 실시예를 도시한 것으로서, 도 3은 그의 사시도 및 단면도이고, 도 4는 그의 분해사시도이다.

본 발명의 집수장치(200)는, 기본적으로 사각틀을 형성하는 집수틀(210)과, 상기 집수틀(210) 하부에 설치되는 모닝글로리관(220) 및, 상기 집수틀(210) 내부에 삽입 설치되는 방사그레이팅(250)으로 이루어지며, 여기에 수평도류판(240) 내지 수직도류판(230)이 더 설치될 수 있다.

상기 집수틀(210)은 집수장치(200)의 외곽을 설정하여 집수구(212)를 형성하는 것으로서 외면은 슬래브에 접하게 된다. 따라서 집수장치(200)와 슬래브 사이의 간극을 통해 흐르는 물을 집수장치(200) 내부로 유도하기 위한 측유입공(211)이 상기 집수틀(210)에 구비될 수 있다. 상기 측유입공(211)은 다수 개가 집수틀(210)의 각 측면에 일정한 간격으로 설치된다.

상기 모닝글로리관(220)은 집수틀(210) 내부의 집수구(212)로 유입된 물을 배수관로(300) 등을 통해 외부로 배출시키기 위한 것으로서 상부의 곡면부(221)와 하부의 직선부(222)로 이루어져 상향 나팔관의 형상을 가진다.

그 중 곡면부(221)는 물이 만관이 안된 상태로 흐를때 관벽을 타고 흐르는 부착수맥을 형성시킴으로써, 운동에너지의 손실없이 일반적인 물의 흐름에 비하여 유수량을 25~30%까지 증가시킨다.

보다 구체적으로 종래의 집수구(4)에서는 정사각형 단면에서 원형 수직관으로 연결되는 구간은 단면이 축소되면서 좁아지는 직선의 경사면 형태이다. 따라서 저유량이 유입된 경우에는 우수가 집수구(4)에서 경사면을 따라 가속되면서 원통형 수직배수관(30') 중심부쪽으로 집중되어 그 하부에 있는 배수관로(50)의 수평배수관(40')까지 자유낙하하게 된다. 이렇게 수평배수관(40')에 자유낙하하여 떨어진 물은 불규칙한 와류를 형성하면서 많은 에너지를 소모하게 된다.

그러나 본 발명의 경우는 집수구(212)에서 정사각형 단면이 원통형 수직배수관(310)으로 축소되는 구간인 상부를 수리적 효율성이 높은 부드러운 곡면의 모닝글로리로 형성하였는 바, 저유량이 유입된 경우 우수는 상술한 바와 같이 상기 곡면을 따라 부착수맥을 형성하면서 하부의 직선부(222) 및 이에 연결된 배수관로(300)의 수직배수관(310) 관벽을 타고 흘러내려가게 되므로 운동에너지의 손실이 거의 없어 유속이 빨라지고 그에 따라 유수량 역시 크게 증가하게 된다.

직선부(222)는 모닝글로리관(220)으로 하여금 그 하부에 위치하게 될 배수관로(300)와 연결될 수 있게 한다.

상기 방사그레이팅(250)은 교량이나 건축물의 바닥면에 흐르는 물을 집수장치(200)로 유도하면서 비닐봉지 등 큰 부피의 오물이 걸러질 수 있도록 하는 것으로서, 외곽의 사각 고정틀(251)과, 다수 개의 방수수직편(252)으로 이루어진다.

사각 고정틀(251)의 외면은 집수틀(210) 내면에 밀착되면서 다수 개의 방수수직편(252)을 고정시킨다. 상기 방수수직편(252)은 다수 개가 사각 고정틀(251) 내부에 방사형으로 배치되어 수직으로 설치됨으로써, 각 방향으로부터 유입되는 물의 유입 효율을 증대시킨다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 상술한 바와 같이 집수장치(200)에 수평도류판(240)을 더 설치한다.

상기 수평도류판(240)은 원형디스크판 형상을 가지는 것으로서, 상면이 볼록한 원형디스크 곡면판으로 구성시킬 수도 있으나, 상하면이 평탄한 원형디스크평판으로 구성시키는 것이 바람직하다.

후자와 같이 수평도류판(240)을 원형디스크평판으로 구성시킨 경우, 그 수평도류판(240)은 물이 모닝글로리관(220)을 통과하는 과정 중에 토네이도처럼 좁고 길게 발생하는 수직와류를 방지하면서 수면에서 연행된 공기를 상기 모닝글로리관(220) 및 그 하부의 수직배수관(310)에 골고루 분배시키는 일종의 공기 공급기 역할을 함으로써 수직배수관(310) 등의 배수관로(300)에 부압 발생을 저감시켜 수리적 효율을 대폭 증가시킨다.

이러한 수평도류판(240)은 방사그레이팅(250) 상면의 중심부에 설치된다. 이를 위해 방수수직편(252)의 상면에는 수평도류판(240)을 고정시키는 고정턱(253)이 더 구비될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에서는 상술한 바와 같이 집수장치(200)에 수직도류판(230)을 더 설치한다.

상기 수직도류판(230)은 내측에 형성된 연결편(232)과 외측에 형성된 방지편(231)이 일체가 되도록 구성되는 것으로서, 물이 모닝글로리관(220) 및 수직배수관(310)을 통과하는 과정 중에 발생하는 수평와류를 방지편(231)으로 방지하여 흐름의 운동량을 그대로 유지한 채 배수관로(300)로 유입되도록 유도한다.

이러한 수직도류판(230)은 방사그레이팅(250)과 모닝글로리관(220) 사이에서 수직으로 설치되면서 다수 개가 방사형으로 배치된다. 따라서 상기 연결편(232)의 상면에는 방사그레이팅(250)이 놓여지는 안치턱(233)이 더 구비될 수 있다. 아울러 방지편(231)의 하부 외측(231a)은 모닝글로리관(220)의 곡면부(221)와 일치하는 곡선의 형상을 가지게 함으로써 모닝글로리관(220)에 대한 수직도류판(230)의 설치를 용이하게 하는 것이 바람직하다. 방지편(231)의 하부 내측(231b)은 외측 방향을 향하여 경사지도록 한다.

도 5 내지 9는 상술한 본 발명에 의한 집수장치(200)의 효율성을 확인하기 위하여 전산유체역학(SOLIDWORKS FLOW FLOW SIMULATION) 소프트웨어를 이용하여 도 1에 도시된 종래의 집수장치(20)와 함께 수치 해석을 한 결과를 각 도시한 것이다. 본 발명의 집수장치(200)는 원형디스크판으로 된 수평도류판(240)과 방사형으로 배치된 수직도류판(230)이 설치된 것을 대상으로 하였다. 아울러 초당 45kg의 유량이 집수장치(20,200) 내부로 유입되도록 하였다.

도 5는 수치해석결과에 따라 최종 수렴한 수심분포를 비교하여 나타낸 것이다.

종래의 집수장치(20)는 우수가 수직배수관(30')쪽으로 모여들면서 중앙 상단에 돌기처럼 수위가 상승하는 경향을 보이나, 본 발명의 집수장치(200)는 중앙부의 수위가 오히려 크게 하강하는 현상을 보인다.

그 결과 종래의 집수장치(20)는 102.6초 후에 수도 130.9mm에 수렴했으나, 본 발명의 집수장치(200)는 51.1초 후에 수도 95.1mm에 수렴했다. 즉 본 발명의 집수장치(200)는 종래의 집수장치(20)에 비하여 동일 유량을 배수하는데 요구되는 수두가 27% 감소하였으며, 배수시간도 1/2정도로 감소하였다.

이는 물이 집수구(212) 내부에서 수직배수관(310)으로 유입되면서 그 주변을 소용돌이처럼 회전하는 수평와류의 발생이 수직도류판(230)에 의해 방지됨에 따른 것으로 판단된다.

도 6은 수치해석결과에 따라 최종 수렴한 유속 분포를 비교하여 나타낸 것이다.

종래의 집수장치(20)는 유속이 빠른 부분이 수직배수관(30')의 중앙쪽에 집중되고 관벽쪽으로는 유속이 급격하게 감소하고 있다. 이는 단차를 이루며 불연속적으로 이어지는 집수구(4) 하부와 수직배수관(30')에서 물의 흐름이 관의 중심쪽으로 집중되면서 관벽과 흐름이 박리되는 것에 기인한다. 그러나 본 발명의 집수장치(200)는 수직배수관(310)의 관벽 유속이 종래의 집수장치(20)에 비하여 크게 나타나고 있는 바, 이는 모닝글로리관(220) 상부의 곡면부(221) 관벽을 따라 부드럽게 수직배수관(310)으로 흐르기 때문에 물 흐름의 박리현상이 거의 발생하지 않기 때문인 것으로 보여진다.

도 7은 수치해석결과에 따라 최종 수렴한 공기 혼입율을 비교하여 나타낸 것이다.

종래의 집수장치(20)는 수직배수관(30')이 위치한 집수구(4) 상단에 돌기처럼 불규칙한 수면이 형성되어 있어 많은 공기가 물과 섞혀 집수구(4) 안쪽으로 유입되는 것을 알 수 있다. 아울러 수직배수관(30') 중심쪽으로 토네이도처럼 형성된 공기 코어는 집수구(4)와 수직배수관(30')이 연결되는 부근부터 공기 혼입율이 크게 감소하며 수직배수관(30') 중간쯤에서는 포크처럼 두 가닥으로 분리되는 경향을 나타내고 있다.

이에 반하여 본 발명의 집수장치(200)는 집수구(212) 중앙에 설치된 수평도류판(240)이 수면으로부터 유입된 공기의 연행을 차단하는 대신에 다량의 공기가 수평도류판(240) 주변을 따라 유입하도록 유도하고 있다. 이와 같이 수평도류판(240)이 공기를 강제로 원형디스크 평판 주변으로 분배시킴에 따라 집수구(212) 상단부터 모닝글로리관(220) 및 수직배수관(310)의 하단까지 공기의 혼입율이 매우 균등하게 분포하는 것을 알 수 있다.

도 8은 수치해석결과에 따라 최종 수렴한 압력 분포를 비교하여 나타낸 것이다.

종래의 집수장치(20)는 집수구(4)에 이어 수직배수관(30')이 시작되는 부근에 비교적 강한 부압대(negative pressure zone)가 형성된 것을 확인할 수 있다. 이러한 부압대는 공동현상이나 배수관의 진동을 발생시킬 뿐 아니라 유량을 크게 감소시킨다.

이에 반하여 본 발명의 집수장치(200)는 모닝글로리관(220) 내지 수직배수관(310) 내의 압력 강하가 상기한 종래의 집수장치(20)에 비하여 매우 작게 발생하고 있다. 이는 부착수맥 현상을 가지게 하는 모닝글로리관(220)의 곡면부(221)를 통하여 부드럽게 수직배수관(310)으로 연결되어 흐름의 박리현상이 없을 뿐 아니라, 수직와류 억제를 위한 수평도류판(240)이 상술한 바와 같이 유수 흐름에 연행된 다량의 공기를 모닝글로리관(220) 내지 수직배수관(310) 내에 균등하게 공급하는 공기주입기 역할을 하고 있기 때문인 것으로 보여진다. 이에 따라 본 발명의 집수장치(200)는 소음이나 진동을 거의 발생하지 않으면서 높은 배수효율을 보이게 된다.

도 9는 수치해석결과에 따라 최종 수렴한 유체의 밀도 분포를 비교하여 나타낸 것이다.

종래의 집수장치(20)는 집수구(4) 상단에 밀도가 낮은 유체가 집중되면서 약간 볼록하게 상승하고 있고, 아울러 수직와류가 공기를 연행하여 밀도가 낮아진 공기 코어가 수직배수관(30')을 따라 마치 토네이도처럼 좁고 길게 형성되어 있음을 알 수 있다. 즉 수면 부근에서 많은 공기가 물과 섞이면서 밀도가 낮아진 다량의 물이 집수구(4) 안쪽까지 연결되지만 수직배수관(30') 내에는 밀도가 낮은 물이 거의 분포하지 않고 있다는 것을 알 수 잇다. 이는 종래의 집수장치(20)가 집수구(4) 상단에 강력한 수직와류가 형성되지만 와류의 코어가 토네이도처럼 수직배수관(30') 안쪽으로 길게 연장되면서 급속하게 약화되기 때문이다.

이에 반하여 본 발명의 집수장치(200)는 앞서 공기 혼입율과 관련하여 설명한 바와 같이, 중앙에 설치된 수평도류판(240)이 수면으로부터 유입되는 공기의 연행을 차단하는 대신 다량의 공기가 그 주변을 따라 유입하도록 유도함에 따라 공기를 연행하여 밀도가 낮아진 물이 집수구(212) 상단부터 수직배수관(310)의 하단까지 매우 균일하게 분포하게 되는 것임을 알 수 있다.

도 10은 지금까지 설명한 본 발명의 집수장치(200)를 교량에 사용한 배수 구조의 전체적인 사시도이고, 도 11은 상기 배수 구조의 배수관로(300)에서 수직배수관(310)과 수평배수관(320)을 연결하는 연결관(330)의 각 실시예를 도시한 것이다.

본 발명의 배수 구조는 상술한 집수장치(200)의 하부에 배수관로(300)가 설치되는 구조를 가지는 것으로서, 상기 배수관로(300)는 수직배수관(310)과 수평배수관(320) 및 이들을 연통시키는 연결관(330)으로 이루어진다.

수직배수관(310)은 모닝글로리관(220)의 직선부(222)와 연결되는 것으로서, 집수장치(200)로 유입된 물을 수평배수관(320)으로 전달하는 기능을 한다. 수평배수관(320)은 수직배수관(310)을 통과한 우수 등의 물을 외부로 배출한다.

그런데 이미 설명한 바와 같이 본 발명의 집수장치(200)는 모닝글로리관(220)과 그 하부의 수직배수관(310) 하단에까지 물이 운동에너지를 거의 손실하지 않은 상태로 수평배수관(320)으로 유입되도록 한다. 이와 함께 수직배수관(310)에서 수평배수관(320)으로 물의 흐름을 변화시키는 연결관(330)은 수직배수관(310)에서의 운동에너지의 손실을 최소화시키면서 수평배수관(320)으로 물의 흐름이 변화되도록 한다.

따라서 수평배수관(320)에서의 물 흐름은 수직배수관(310)에서의 운동에너지를 거의 그대로 유지한 채로 이루어질 수 있게 되는 바, 수평배수관(320) 내에서의 유속은 매우 빠른 상태를 유지하게 되고, 수평도류판(240) 및 수직도류판(230)에 의해 와류의 형성이 거의 없는 바, 강력한 소류력으로 토사 등의 수평배수관(320) 내부 오물을 쓸고 내려갈 수 있도록 한다.

이를 위한 본 발명의 연결관(330)은 도 11의 (a)에 도시된 타원형 만곡관(330A)일 수 있다. 수직배수관(310)과 수평배수관(320)을 연결시키는 연결관(330)을 원형 만곡관으로 구성시키는 경우에는, 관 내부의 외벽쪽 유속이 내벽쪽 유속보다 매우 빠르기 때문에 물 흐름의 박리현상 등에 의한 2차류가 형성되며, 이에 따라 원형 만곡관에 부압대가 강하게 형성되어 수리적 효율성이 감소하게 된다.

이에 반하여 본 발명의 납작한 형태의 타원형 만곡관(330A)은 외벽과 내벽의 유속 차이를 줄여서 부압대 형성을 감소시킴으로써 원형 만곡관의 상기한 문제점이 발생하지 않게 한다.

수직배수관(310)이 수평배수관(320)의 중간에 위치하게 되는 경우에는 연결관(330)을 상기의 타원형 만곡관(330A)으로 적용할 수 없게 되는 바, 이 경우에는 도 11의 (b)에서 예시하고 있는 T형관(330B)이 사용된다.

상기 T형관(330B)은 수평부(331)와 수직부(332)로 구성되되, 상기 수직부(332)의 하단에 경사유도판(333)이 설치됨으로써 상술한 타원형 만곡관(330A)의 기능이 이루어지게 한다.

도 12 내지 15는 상술한 본 발명의 배수구조에 관하여 관내부를 스스로 청소하는 자정능력의 정도를 어느 정도 가지고 있는지 확인하기 위하여 앞서와 마찬가지로 전산유체역학 소프트웨어를 이용하여, 도 16에 도시된 종래의 배수구조와 도 10, 11에 도시된 본 발명의 배수구조에 관하여 수치 해석한 결과를 각 도시한 것이다. 여기에서의 수치해석은 종래의 배수구조와 본 발명의 배수구조에 대한 3차원 모형은 모두 교면 상에 3곳의 집수장치(20,200)를 가지고 있으며, 집수장치(20,200)의 각 간격은 3m로서 전체 수평배수관(40',320) 길이는 7m이다. 수평배수관(40',320)의 경사도는 도로 설계 지침상의 최소 경사도인 3%로 제작하였고, 각 집수장치(20,200)의 집수구(4,212) 당 차집유량은 초당3리터의 조건을 적용하였다. 즉 하나의 집수구(4,212)당 3kg/s가 유입되어 전체 배수구조에 9kg/s가 유입되도록 경계조건을 부여하였다. 아울러 수치해석의 계산 종료 조건으로는 교량 배수시설에서 최종 빠져나가는 유량과 교면 집수구(4,212)에서 유입되는 유량과의 차이가 유입 유량의 1/100인 0.09kg/s에 도달한 때로 하였다.

도 12는 수치해석결과에 따라 최종 수렴한 수평배수관(40',320) 내의 물 흐름상태를 비교하여 나타낸 것이다.

종래의 배수구조는 물이 수평배수관(40') 내에서 만관의 상태로 흐르는 것임을 알 수 있다. 그러나 본 발명의 배수구조에서는 물이 수평배수관(320) 내에서 관의 바닥을 따라 흐르는 개수로 상태로 관 내부에 여유공간이 많은 것을 알 수 있다.

즉 본 발명의 배수구조는 종래의 배수구조와는 달리, 수직배수관(310) 관벽을 통해 유하한 빠른 유속의 흐름이 연결관(330)의 타원형 만곡관(330A) 내지 경사유도판(333)에 의해 수평배수관(320) 바닥쪽으로 유도되어 흐름의 불연속적 단절 없이 수평배수관(320)에 유지된다.

이와 같이 본 발명의 배수구조는 수직배수관(310) 관벽을 따라 부착수맥이 형성되면서 에너지 손실의 거의 없는 높은 운동에너지의 흐름이 수평배수관(320) 바닥쪽으로 연속해서 이어지기 때문에 수평배수관(320)에는 유속이 매우 빠른 큰 소류력을 발생시킨다.

도 13은 수치해석결과에 따른 수평배수관(40',320) 내의 유속분포를 비교하여 나타낸 것이다.

토사 등의 오물이 집중적으로 퇴적되는 수평배수관(40',320)의 좌측 구간의 유속분포를 살펴보면 종래 배수구조의 수평배수관(40')에서는 1.154m/s의 유속을 나타내고 있는 반면, 본 발명 배수 구조의 수평배수관(320)에서는 이보다 1.5배 빠른 1.769m/s의 유속을 나타내고 있으며, 더욱이 종래 배수구조의 수평배수관(40')에서는 관 내부의 유속이 동일하거나 오히려 관 중심쪽의 유속이 더 큰 반면, 본 발명 배수 구조의 수평배수관(320)에서는 관 바닥쪽의 유속이 더 크게 나타난다.

따라서 본 발명 배수구조의 수평배수관(320)이 관 바닥에 토적하는 토사 등의 오물을 유송하는 것에 훨씬 유리하게 작용하고 있음을 알 수 있다.

아울러 토사 등의 퇴적문제가 거의 발생하지 않는 수평배수관(40',320)의 우측 구간의 유속분포를 살펴보면 종래 배수구조의 수평배수관(40')에서는 2.300m/s의 유속을 나타낸 반면, 본 발명 배수구조의 수평배수관(320)에서는 2.762m/s로 약 1.2배 빠른 유속을 나타내고 있다.

이와 같이 본 발명의 배수구조가 종래의 배수구조에 비하여 1.2 내지 1.5배 빠른 유속을 가지고 있어 통수능력 역시 그 만큼 증가되는 바, 수평배수관(320)의 단면을 더욱 최소화시켜 경제적인 배수 구조를 도모할 수 있게 한다.

도 14는 수치해석결과에 따른 수평배수관(40',320)의 관벽에서의 전단응력 분포를 비교하여 나타낸 것이다. 관벽의 전단응력은 유속과 함께 토사 등의 오물을 유송할 수 있는 능력을 나타낸다.

종래 배수구조의 수평배수관(40')은 관 중심에서의 전단응력이 관 벽에서보다 더 크거나 전체적으로 균일한 것으로 나타나나, 본 발명 배수구조의 수평배수관(320)에서는 관 바닥에서 관 중심부보다 훨씬 큰 전단응력을 나타내고 있다. 따라서 본 발명의 수평배수관(320)은 관 바닥에 퇴적하는 토사를 유송하는데 매우 유리한 수리적 특성을 보이며, 이는 관 바닥에서의 유속이 관 중심부에서의 것보다 크기 때문인 것으로 보여진다.

아울러 토사가 집중적으로 퇴적하는 구간의 좌측 수평배수관(320) 바닥의 전단응력은 1.10Pa로 종래 배수구조의 0.22Pa에 비하여 5배 크다. 따라서 토사 등의 오물 유송 능력 역시 본 발명의 배수구조가 종래 배수구조에 비하여 5배 증가하는 것으로 판단된다.

도 15는 수치해석결과에 따른 수평배수관(40',320) 내의 압력 분포를 비교하여 나타낸 것이다. 수평배수관(40',320)의 압력이 큰 경우에는 동일 유량을 배수하기 위하여 더 높은 압력 수두를 필요로 한다는 것이기 때문에 그 만큼 수리적 효율성이 떨어진다.

종래 배수구조의 수평배수관(40')과 본 발명 배수구조의 수평배수관(320)의 압력분포를 비교하여 보면, 좌측 구간에서는 447Pa, 우측 구간에서는 468Pa 정도 종래 배수구조의 것이 더 높게 나타나고 있어, 본 발명의 배수구조가 수리적 효율성이 높은 것임을 알 수 있다.

이상에서 본 발명은 구체적인 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였으나, 상기 실시 예는 본 발명을 이해하기 쉽도록 하기 위한 예시에 불과한 것이므로, 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 이를 다양하게 변형하여 실시할 수 있을 것임은 자명한 것이다. 예컨대 상기한 설명에서는 교량용 배수 구조를 예로 하였으나 건물의 옥상이나 샤워실 등 물을 집수 및 배수처리해야 하는 곳은 어느 곳에서도 사용가능하다. 따라서 그러한 변형 예들은 청구범위에 기재된 바에 의해 본 발명의 권리범위에 속한다고 할 것이다.

200; 집수장치 210; 집수틀
211; 측유입공 212; 집수구
220; 모닝글로리관 221; 곡면부
222; 직선부 230; 수직도류판
231; 방지편 231a; (방지편의)하부 외측
231b; (방지편의)하부 내측 232; 연결편
233; 안치턱 240; 수평도류편
250; 방사그레이팅 251; 사각 고정틀
252; 방사수직편 253; 고정턱
300; 배수관로 310; 수직배수관
320; 수평배수관 330; 연결관
330A; 타원형 만곡관 330B; T형관
331; 수평부 332; 수직부
333; 경사유도판

Claims

사각틀을 형성하는 집수틀(210)과, 상기 집수틀(210) 하부에 설치되는 모닝글로리관(220)과, 상기 집수틀(210) 내부에 삽입 설치되는 방사그레이팅(250)으로 이루어지되,
상기 모닝글로리관(220)은 상부의 곡면부(221)와 하부의 직선부(222)로 구성되고,
상기 방사그레이팅(250)은 사각 고정틀(251)과, 사각 고정틀(251) 내부에 방사형으로 배치되어 수직으로 설치되는 다수 개의 방수수직편(252)으로 구성되는 것으로서,
상기 방사그레이팅(250) 상면의 중심부에는 상하면이 평탄한 원형디스크평판으로 이루어지는 수평도류판(240)이 설치되고, 상기 방수수직편(252)의 상면에는 수평도류판(240)을 고정시키는 고정턱(253)이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 집수장치.
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제1항에 있어서,
상기 방사그레이팅(250)과 모닝글로리관(220) 사이에는 다수 개의 수직도류판(230)이 방사형으로 배치되어 수직으로 설치되는 것을 특징으로 하는 집수장치.
제4항에 있어서,
상기 수직도류판(230)은 내측에 형성된 연결편(232)과 외측에 형성된 방지편(231)이 일체로 구성되고, 상기 연결편(232)의 상면에는 방사그레이팅(250)이 놓여지는 안치턱(233)에 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 집수장치.
제1항에 있어서,
상기 집수틀(210)에는 다수 개의 측유입공(211)이 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 집수장치.
제1항, 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항의 집수장치(200)를 이용한 것으로서,
상기 집수장치(200)의 하부에 배수관로(300)가 설치되되,
상기 배수관로(300)는, 모닝글로리관(220)의 직선부(222)와 연결된 수직배수관(310)과, 수직배수관(310)을 통과한 우수를 외부로 배출하는 수평배수관(320) 및, 수직배수관(310)과 수평배수관(320)을 연통시키는 연결관(330)으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 교량의 배수 구조.
제7항에 있어서,
상기 연결관(330)은 납작한 형태의 타원형 만곡관(330A)인 것을 특징으로 하는 교량의 배수 구조.
제7항에 있어서,
상기 연결관(330)은 수평부(331)와 수직부(332)로 구성되는 T형관(330B)이고,
상기 수직부(332)의 하단에는 경사유도판(333)이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 교량의 배수 구조.