KR200202096Y1 - 주철관 이음매의 이탈방지용 압륜 - Google Patents

Abstract

본 고안은 주철관 이음매의 이탈방지용 압륜에 관한 것으로서, 종래에는 압륜의 스파이크가 직선형으로 삽구벽에 접촉하기 때문에 관벽과 점접촉되므로 압착볼트에 의해 스파이크에 압축력이 작용할 때 이런 점접촉상태가 되면 스파이크와 삽구의 접촉면에 상당히 큰 압축응력이 발생하게 되어 스파이크와 주철관이 손상되는 문제점이 있었다.

본 고안은 예시도면 제3도 내지 제10도와 같이, 결합케이스(22)의 양측과 압륜(24)의 상면 사이에는 곡선처리된 성형부(26)를 형성하고; 상기 결합케이스(22)의 내측면(28)을 포함하는 압륜(24)의 중공(30) 둘레에는 보강띠(32)를 일체로 형성하며, 상기 스파이크(20)는 그 일단의 스파이크날(34)이 삽구(2)의 관외경과 동일한 곡률반경으로 형성되어 수직방향으로 가압하는 압착볼트(8)에 의해 관벽과 선접촉되게 구비되되, 스파이크(20)는 관의 삽구(2)와 접촉경사각(θ)이 15∼20°가 되도록 형성됨으로서, 결합케이스(22)의 보강띠(32)와 성형부(26)의 곡선처리로 응력집중이 방지되고, 스파이크날(34)과 삽구 관벽과의 선접촉으로 접촉면에 발생하는 응력을 넓게 분산시켜서 상기한 압륜(24)이 고수압에도 변형없이 변함없는 이탈저지력을 갖게되며, 압착볼트(8)의 조임토크가 규정치를 초과하여도 주철관 표면에 손상이 가지 않도록 하는 효과가 있다.

Description

주철관 이음매의 이탈방지용 압륜

본 고안은 주철관 이음매의 이탈방지용 압륜에 관한 것으로서, 좀더 상세하게 설명하면 스파이크의 스파이크날을 삽구 관의 곡률반경과 동일하게 형성하여 관벽과 선접촉되게 하고, 스파이크의 관 접촉각도를 개선하여 더욱 밀착되게 하여서 이탈력이 작용할 때 스파이크날이 관표면을 소정깊이 파고 들어 이탈을 저지시키도록 한 주철관 이음매의 이탈방지용 압륜에 관한 것이다.

일반적으로, 지하철 개착구간 및 지하시설물 매설을 위한 작업에 있어 터파기로 인하여 안정적인 지반상태를 제거하였을시 상수도용 주철관의 분기부분이나 곡관부분이 이탈하여 누수되는 사례와, 시공후 되메우기 흙이 안정적이지 못한 상태에서 통수시 접합부의 이탈이 발생되는 사례가 TV나 신문 등에 보도되고 있다. 또한, 정수장에서 가까운 지역이나 가압장 급수구역 또는 배수지에서 최하단에 위치한 급수구역등 일상적인 수압보다 높은 고수압지역에서의 주철관 이음매의 이탈은 일상수압에의한 것보다도 고수압에서 수충격압에 의하여 발생된다 하겠다.

이러한 곡관부분, 분기부분과 같은 취약부에는 이음매 보호콘크리트를 타설하여 보강하고자 하였으나, 양생기간의 소요 및 타 지하시설물의 설치시 콘크리트 방진이 불가능하게 되는 등 견고한 시공에 많은 어려움이 있다.

따라서, 콘크리트 보강을 하지 않고 시공의 간편화와 수충격압에 대한 강성을 보강할 수 있는 이탈방지용 압륜이 상수도관 매설시 사용되고 있다.

예시도면 제1도와 제2도는 종래의 이탈방지용 압륜의 정착상태를 나타낸 것으로서, 여기서 상수도용 주철관은 일정규격의 모양과 길이로 한쪽 끝은 수구(1)로, 반대쪽은 삽구(2)로 제작되어 있어서, 상기한 두 주철관을 연결시키기 위해 일측관의 수구(1)와 타측 관의 삽구(2) 사이에 밀폐부재인 고무링(3)을 삽입하고 이탈방지용 압륜(4)을 관체결 볼트(5) 및 너트(6)로 체결하여 관 이음매를 구성하되, 상기 이탈방지용 압륜(4)에는 수직 압착볼트(8)와 상기 압착볼트 밑에 누름 스파이크(9)가 설치되어 있어서 압착볼트(3)를 일정 조임토크로 돌려서 스파이크(9)로 관벽을 누르도록 하여 관 이음매를 견고히 하고 있다.

그러나, 종래의 이탈방지용 압륜(4)은 관 외주면에 스파이크(9)를 다수개 접촉시키고, 수직으로 압착볼트(8)를 눌러서 압착볼트(8)를 눌러서 상기 스파이크(9)를 지지하고 있는 구조이나, 이러한 종래의 스파이크(9)는 단면 사각형의 직선 형태이기 때문에 스파이크날의 삽구 관벽과 접촉하는 부위가 상당히 작은 즉, 점의 접촉이므로 압착볼트(8)에 의해 스파이크(9)에 압축력이 작용할 때 이러한 점접촉 상태가 되면 스파이크(9)와 관의 접촉면에 상당히 큰 압축응력이 발생하게 되고 스파이크(9)와 주철관에 손상을 주어 본래의 관이탈방지 기능을 잃게된다.

또한, 상기 스파이크(9)와 압착볼트(8)가 체결되는 돌출형상의 결합케이스 (11)는 압륜(4)이 일측면과 직사각형태로 되기 때문에 급격한 고수압에는 면과 면 이 직각으로 만나는 부위에 응력이 집중되므로 깨어지거나 오목한 흠집이 나는 등 취약성을 갖게 된다.

그리고, 강한 수충격압이 가해지고 나면, 압착볼트(8)가 휘어져 다시 강한 수충격압이 가해지게 되면 지속적인 지지력을 발휘하지 못하게 된다.

따라서, 본 고안은 종래의 이러한 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 이탈방지용 압륜에 사용되는 스파이크의 스파미크날을 관의 곡률반경과 동일하도록 라운드지게 하여 삽구 관벽과 선접촉되게 하고, 스파이크와 삽구의 접촉 경사각을 15∼20°로 하여 더욱 밀착되게 하므로써 이탈력이 작용할 때 관표면을 스파이크날이 필요이상으로 파고들지 않게 하여 이탈을 저지시키도록 하며, 결합케이스와 접하는 압륜의 상면에 곡선처리된 성형부를 형성하여 응력집중을 방지하게 한 주철관 이음매의 이탈방지용 압륜을 제공하고자 함에 고안의 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 고안은 고강도의 압착볼트와 스파이크가 장착되는 결합케이스의 양측과 압륜의 상면 사이에 곡선처리된 성형부가 형성되고, 상기 결합케이스의 내측면과 압륜의 중공 둘레에 덧살인 보강띠가 일체로 형성되며, 상기 결합케이스내에 장착되는 스파이크의 스파이크날이 삽구 관벽과 선접촉되도록 관외경의 곡률반경을 갖게 되며, 상기 스파이크는 관의 삽구와 접촉 경사각이 15∼20°가 되도록 압착볼트가 닿는 스파이크 후면이 15∼20°로 경사지게 형성된 구조이다.

따라서, 본 고안은 스파이크와 삽구 관사이의 접촉면을 크게하여 스파이크 접촉면에 발생하는 압축응력을 가능하면 적게 하고 또한 접촉면을 따라 균일하게 분포하도록 스파이크날 곡률반경이 주철관 직경과 같도록 즉, 점의 접촉이 아닌 선의 접촉을 유지할 수 있도록 하여 이탈저지력을 증가시키기 위한 것이고, 또한 압륜의 상면에 일체로 형성되는 결합케이스의 성형부를 라운드지게 형성함으로써 응력집중 부위는 곡선 처리하여 힘이 분산되도록 하고 결합케이스와 압륜의 중공 둘레에 보강띠를 둘러서 강한 압력에도 견딜 수 있도록 한 것이다.

제1도는 종래의 이탈방지용 압륜의 장착상태를 보인 부분절개 측면 예시도.

제2도는 제1도의 A-A선 단면도.

제3도는 본 고안의 이탈방지용 압륜을 설명하기 위한 이음매의 분해사시도.

제4도는 본 고안의 이탈방지용 압륜의 사시도.

제5도는 본 고안의 이탈방지용 압륜의 결합상태 단면도.

제6도는 본 고안의 또 다른 스파이크를 보인 사시도.

제7도는 본 고안의 스파이크 경사각을 설명하기 위한 예시도.

제8도는 본 고안의 스파이크 경사각과 주철관과의 간격을 설명하기 위한 해석도 및 그 수치를 도시한 도표.

제9도는 탄성해석시 본 고안의 스파이크의 수직응력 분포도.

제10도는 스파이크의 유한요소 배열을 나타낸 예시도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 수구 2 : 삽구

3 : 고무링 5 : 볼트

6 : 너트 8 : 압착볼트

20 : 스파이크 22 : 결합케이스

24 : 압륜 26 : 성형부

28 : 내측면 30 : 중공

32 : 보강띠 34 : 스파이크날

본 고안의 구성 및 작용을 첨부된 예시도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

본 고안은 압착볼트(8)와 스파이크(20)가 장착되는 결합케이스(22)의 양측과 압륜(24)의 상면사이에 곡선처리된 성형부(26)가 형성되고, 상기 결합케이스(22)의 내측면(28)과 압륜(24)의 중공(30) 둘레에 덧살인 보강띠(32)가 일체로 형성되고, 상기 스파이크(20)의 스파이크날(34)이 관벽과 선접촉되도록 관 외경의 곡률반경을 갖게 되며, 상기 스파이크(20)는 관의 삽구(2)와 접촉 경사각(θ)이 15∼20°가 되도록 압착볼트(8)가 닿는 스파이크(20) 후면이 15∼20°로 경사지게 형성된 것을 특징으로 하게 된다.

예시도면 제3도는 본 고안의 이탈방지용 압륜을 설명하기 위한 이음매의 분해사시도이고, 제4도는 본 고안의 이탈방지용 압륜의 사시도이다.

여기서, 압륜(24)은 일측 관의 수구(1)와 타측 관의 삽구(2) 사이에 밀폐부재인 고무링(3)과 더불어, 관체결 볼트(5)와 너트(6) 등으로 장착되고, 상기 압륜(24)에 압착볼트(8)와 상기 압착볼트 밑에 누름 스파이크(20)가 삽구(2) 관벽을 누르도록 하여 관 이음매를 보다 견고히 하고 있는바, 상기한 스파이크(20)가 장착되는 결합케이스(22)는 그 양측과 압륜(24)의 상면 사이에 곡선처리된 성형부(26)가 형성되고, 상기 결합케이스(22)의 내측면(28)과 압륜(24)의 중공(30) 둘레에 덧살인 보강띠(32)를 일체로 형성시켜서, 응력집중을 방지하게 하고 강성을 보강하여 견고한 구조가 되게 한 것이다.

상기한 스파이크(20)는 예시도면 제4도와 제5도에서와 같이, 사다리꼴형 결합케이스(22)내에서 출입하도록 사다리꼴로 형성하였으며, 그 재질인 주철관보다 경도가 낮으면 칼날형성의 스파이크날(34)이 무디어져서 이탈력을 저지하지 못하고, 경도가 너무 높으면 약간의 충격에도 쉽게 깨어지므로 주철관과 같은 재질로서 일정이상 열처리 하여 높은 경도를 유지하여 높은 응력에도 깨어짐 없이 관표면을 파고 들어가 이탈력을 저지하도록 하였다.

이러한 스파이크(20)를 누르는 종래 압착볼트는 강한 수충격압이 한번 가해지고 나면 볼트 끝단이 휘어지는 등의 변형이 생겨 다음에 수충격압이 가해졌을 때는 저지력이 약화되어 제기능을 발휘하지 못하였으나, 본 고안에서는 압착볼트(8)를 강한 재질로 대체하여 높은 수압에도 비틀림이나 변형없이 지속적인 저지력을 갖도록 하였다.

또한, 상기한 스파이크(20) 형상이 사다리꼴인 이유는 관접촉면을 크게하기 위해 위로는 좁아지고 아래로는 넓어지게 형성하였는 바, 스파이크(20) 선단의 스파이크날(34)은 관벽의 곡률반경과 동일하도록 형성하여 점접촉이 아닌 선접촉을 유지할 수 있도록 하여 이탈 저지력을 증가시킨 것이다.

스파이크날(34)의 선접촉이 점접촉보다 효과적인 이유는 다음과 같다.

한국공업규격 2종관인 지름 170mm, 관두께 7.0mm인 파이프를 대상으로 하였으며, 관내에 작용하는 수압은 통상적인 압력인 약 60kgf/cm²(5.88 × 10⁹Pa), 압착볼트(8)에 가해지는 토오크 T는 1000kgf-cm로 가정하였다.

이러한 토오크가 작용할 때 스파이크에 작용하는 압축력 Q는 다음곽 kx이 계산된다.

T = Q·d₂/2·tan(ρΔ+λ)

여기서 주어진 나산의 재원은 d₂= 22mm, 피치 = 2.5mm, α = 30°, 마찰 계수 μ = 0.2이다.

나사면의 마찰계수 μΔ = μ/cos α = 0.23 = tanρΔ

ρΔ = 12.95°

tanλ = ρ/Πd₂= 2.5/(Π·22)

위에 주어진 식을 이용하여 토오크 T = 1000kgf-cm일 때, 스파이크(20)에 작용하는 압축력 Q는 4729.7kgf(약 46.35 kN)이다.

스파이크(20)와 관의 재질은 KS D 4302(구상흑연 주철품)으로 탄성계수 164.3 × 10⁹Pa, 푸와송비 0.245이다.

점 접촉상태로 스파이크의 중심 일부분이 접촉하게 되면, 접촉부위에서 가장 큰 응력(433.1 × 10⁶Pa)이 발생하게 된다. 그리고 단면을 단위 두께로 가정하였을 때 크기는 433.1N/mm의 압축력이다. 주철관에서의 응력도 스파이크와 접촉하는 면에서 가장 큰 응력을 보이게 되며, 크기는 4448.68N/mm로 스파이크에서의 응력과 비슷한 크기를 보인다.

이때 최대응력을 기준으로 스파이크 측면해석을 통해 수직력 F 및 마찰응력 H가 작용할 때 스파이크가 파손되는지 여부를 판단하기 위해 강도해섣을 수행하면, 수직력과 마찰력은 다음과 같이 주어진다.

F = 스파이크 접촉면에서 발생하는 최대 수직력

= t·4331. = 0.55mm × 433.1N/mm = 216.55N

H = 스파이크와 파이프 사이의 마찰력

= μ·F = 0.2 × 216.55N = 86.62N

t : 스파이크와 주철관의 접촉두께(0.5mm로 가정)

해석결과에서 알 수 있듯이 끝단에서 가장 큰 Equivalent Stress가 발생하며, 그 크기는 1719 × 17⁶Pa로서 이 재로의 항복응력인 421.4 × 10⁶Pa(43kgf/cm²를 4배를 훨씬 초과하는 것으로 스파이크는 파손되었다는 것을 알 수 있다.

다음은 주철관의 외경의 곡률과 본 고안에 따른 스파이크날(34)의 곡률이 같을 경우에 관한 것이다.

이때 최대응력은 스파이크날(34)의 끝단에서 발생하며, 그 크기는 197.3 × 10⁶Pa의 압축력이다. 또 주철관에서의 최대 응력은 170.7 × 10⁶Pa의 압축력이다. 역시 단면을 단위 두께로 가정했을 경우, 그 크기는 압축력 197.3N/mm이 된다. 압축응력이 점접촉의 스파이크보다 약 2.2배 적은 것을 알 수가 있다. 이 경우에도 최대응력이 작용하는 부분을 중심으로 스파이크 측면 해석을 수행하여 스파이크날(34)의 파손여부를 알아보면, 스파이크(20)에 작용하는 수직력 및 마찰력은 다음과 같이 계산된다.

F = 197.315N/mm × 0.55mm = 98.688N

H = μ·F = 0.2 × 98.688N = 19.7315N

해석결과 스파이크 끝단에서의 최대 Equivalent Stress는 485.5410⁶Pa로서 이 재료의 항복응력인 421.4 × 10⁶Pa를 약간 초과하긴 했지만 점접촉되는 스파이크보다는 훨씬 안정적인 응력상태를 보인다. 주철관이 이탈하려고 할 때 스파이크에 발생하는 최대 항복응력의 관점에서 보면 선접촉의 스파이크(20)가 약 7배 적기 때문에 그만큼 구조적으로 안전하고 역으로 그 만큼 더 높은 수압을 견딜 수 있다는 것을 알 수 있다.

이에 더하여, 예시도면 제7도에 도시된 본 고안에 따른 스파이크(20)는 관의 삽구(2)와 접촉 경사각(θ)이 15∼20°가 되도록 압착볼트(8)가 닿는 스파이크(20) 후면이 15∼20°로 경사지게 형성되어 있는바, 압착볼트(8)를 더욱 조이면 스파이크날(34)은 접촉 상태이므로 움직이지 않으나 스파이크(20) 전체가 경사각(θ)에 해당하는 각도로 경사지게 된다. 따라서 관이 고수압을 받아 이탈하려는 방향으로 힘을 받게 되면, 스파이크(20)는 상기 이탈력에 의해 경사각을 줄이는 방향 즉, 관과 직각방향으로 기립하려는 힘을 받게 되어 관벽으로 스파이크날(34)이 파고들게 되어 관의 이탈을 강하게 저지하게 된다. 상기한 스파이크(20)의 경사각에 대해 하기에 설명하면 다음과 같다.

예시도면 제시되어진 제7도와 제8도에서와 같이, 주철관의 이탈 저지력을 증가시키고 또한 스파이크날(34) 접촉면에 작용하는 응력분포를 가능한 한 일정하게 하기 위해서는 스파이크(20)는 어느 정도 경사진 상태에서 관과 접촉을 하여야 한다. 이러한 경우에 외부하중이 작용하지 않는 상황에서는 스파이크(20)는 스파이크 중심에서만 접촉되게 되고 스파이크날(34)을 따라, 즉 중심에서 끝단을 따라 주철관 표면과 간격이 점점 벌어지게 된다. 스파이크(20)의 경사각(θ)을 5∼30° 까지 증가시킬 경우 스파이크 끝단과 주철관과 간격 h이 제8도에 계산되었다. 이러한 스파이크 경사각(θ)변화에 대한 응력분포가 예시도면 제9도에 도시된 바와 같이, 이 도면에서 응력은 스파이크날(34)을 따라, 즉 예시도면 제10도에 제시된 스파이크 요소(Element No)를 따라 분포하는 압축응력을 나타낸 것으로 그래프와 좌측은 스파이크 중심 그리고 그래프 우측은 스파이크 끝단을 나타낸다. 예시도면 제9도의 결과를 보면, 스파이크 경사각(θ)의 이러한 간격은 외부하중이 가해질 때 스파이크 중심에서 끝단으로 가면서 접촉을 통해 점점 사라지게 된다. 스파이크 경사각 10° 미만인 경우 응력분포는 거의 차이가 없고, 특히 스파이크 끝단에서 발생하는 응력이 상당히 큼을 알 수가 있다. 이러한 불균일한 응력분포 현상은 결코 바람직하지 못하다. 또한 경사각이 30°인 경우, 스파이크 끝단으로 부터 약 1/4정도 길이에 걸쳐 응력분포가 0 이기 때문에 스파이크(20)와 주철관이 서로 접촉하지 못하는 상황을 나타내고 있다. 따라서, 경사각이 15∼20° 정도인 경우 응력분포가 다른 것에 비해 상대적으로 일정하기 때문에 바람직한 경사각으로 확인되었다.

예시도면 제6도는 본 고안의 또 다른 스파이크를 보인 사시도로서, 관벽과 선접촉 되도록 관 외주면의 곡률반경을 가지며 관과의 경사각이 15∼20°가 되도록 한 스파이크(20)의 스파이크날(34)을 다수의 톱날형태로 형성할 수 있게된다.

상기한 바와 같이 본 고안은 압착볼트(8)와 스파이크(20)가 장착되는 결합케이스(22)와 압륜(24)의 상면사이에 해당하는 양측 성형부(26)를 곡선처리하고, 상기 결합케이스(22)의 내측면(28)과 압륜(24)의 중공(30) 둘레에 덧살인 보강띠(32)를 일체로 형성하고, 상기 스파이크(20)의 스파이크날(34)이 관벽과 선접촉되도록 관외경의 곡률반경을 갖게 하며, 상기 스파이크(20)는 관과의 경사각을 소정각도로 유지하게 됨으로서, 스파이크날(34)과 관벽과의 접촉면에서 발생하는 응력을 넓게 분산시키고, 결합케이스(22)의 보강띠(32)와 성형부(26)의 곡선처리로 응력집중을 방지하여 상기한 압륜(24)이 고수압에도 변형없이 이탈저지력을 갖게되며, 압착볼트(8)의 조임토크가 규정치를 초과하여도 주철관 표면에 손상이 가지않게 되는 효과를 나타낸다.

또한, 소정각도(15∼20°)로 경사각을 유지시킴으로서 스파이크(20)와 주철관이 더욱 밀착되고, 강한 이탈력이 작용할 때 스파이크날이 일정하게 파고들어 이탈력을 강하게 저지하는 이점을 나타낸다.

Claims (1)

1. 압착볼트(8) 및 스파이크(20)를 채용하는 다수의 결합케이스(22)가 일정간격으로 형성되고, 관체결 볼트(5)와 너트(6) 및 상기 스파이크(20)를 압착볼트(8)로 조여주어 관의 수구(1)와 삽구(2)를 연결하는 수단에 있어서; 결합케이스(22)의 양측과 압륜(24)의 상면 사이에는 곡선처리된 성형부(26)를 형성하고; 결합케이스(22)의 내측면(28)을 포함하는 압륜(24)의 중공(30) 둘레에는 보강띠(32)가 일체로 형성되며; 스파이크(20) 선단의 스파이크날(34)이 삽구(2)의 관외경과 동일한 곡률반경으로 형성되어 수직방향으로 가압하는 압착볼트(8)에 의해 관벽과 선접촉되게 구성하되, 스파이크(20)는 관의 삽구(2)와 접촉경사각(θ)이 15∼20°가 되도록 압착볼트(8)가 닿는 스파이크(20) 후면이 15∼20°로 경사지게 구성시킨 것을 특징으로 하는 주철관 이음매의 이탈방지용 압륜.