KR200413010Y1 - 하/폐수조의 악취누출방지용 철구조 에프알피덮개 - Google Patents

Abstract

본 고안은 하/폐수조에서 발생하는 악취나 휘발성 유기물질이 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 하/폐수조의 악취누출방지용 철구조 FRP덮개에 관한 것으로, 하/폐수조에 덮개를 설치함에 있어서 일반적으로 유리섬유강화프라스틱(FRP)의 단일재질을 사용하지만 철에 비하여 상대적으로 강도가 떨어져 대형덮개인 경우에 구조의 안전성을 확보하기 어려우므로 구조의 안전성을 확보하기 위하여 덮개의 골격을 복잡하게 만들어야 하고 또 두께도 두껍게 제작하여야 한다. 따라서 본 고안은 복잡한 모양과 두꺼운 덮개를 만들기 위해서는 제작기간과 비용이 과다하게 소요되므로 이러한 단점을 보완하기 위하여 철재 사각파이프를 사용하여 골격을 만들고, 모양이 간단하며 보다 얇은 FRP판을 철재 사각파이프위에 씌워서 덮개를 만들되, 철재 사각파이프와 FRP재질의 접촉부위에 태양열 및 하/폐수에서 발생되는 증기열에 의한 열팽창량의 차이로 인하여 발생할 수 있는 FRP판의 파손과 변형을 방지하고 아울러 철재 사각파이프가 부식되는 것을 방지할 수 있도록 철재 사각파이프와 FRP판 사이에 일정한 간격을 만들어 열팽창량의 차이를 흡수할 수 있도록 함으로서 구조의 안전성을 확보하고 제작기간의 단축 및 소요자재의 절감으로 전체 제작비용을 절감하기 위한 하/폐수조의 악취 누출방지용 철구조 FRP덮개에 관한 것이다.

FRP덮개판, 철재 사각파이프, FRP단일재질 원형 덮개, FRP단일재질 터널형 덮개, 철구조 원형 FRP덮개, 철구조 터널형 FRP덮개

Description

하/폐수조의 악취누출방지용 철구조 에프알피덮개{Steel pipe structuring FRP cover for preventing from leaking bad smell out of the cesspool}

도1a는 FRP단일재질의 원형 덮개의 전체 입체도.

도1b는 FRP단일재질의 원형 덮개의 각 장의 반삼각 원뿔형 골격형상의 입체도.

도2a는 FRP단일재질의 터널형 덮개의 전체 입체도.

도2b는 FRP단일재질의 터널형 덮개의 각 장의 외부 돌출 사각형 골격형상의 입체도.

도3a는 철구조 원형 FRP덮개의 전체 입체도.

도3b는 철구조 원형 FRP덮개의 각 장의 열팽창방향이 표시된 입체도.

도3c는 도3b에서 선A-A의 단면도.

도4a는 철구조 터널형 FRP덮개의 전체 입체도.

도4b는 철구조 터널형 FRP덮개의 각 장의 열팽창방향이 표시된 입체도.

도4c 도4b에서 선B-B의 단면도.

도5a는 덮개판의 목형.

도5b는 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판의 목형.

도5c는 덮개판의 형틀.

도5d는 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판의 형틀.

도5e는 FRP덮개판.

도5f는 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판.

도5g는 FRP판과 철재 사각파이프를 조립한 것.

도5h는 FRP덮개판을 가조립한 것.

도5i는 FRP덮개판을 셋트앙카에 고정한 것.

도6a는 철구조 원형 FRP판의 설치시(열팽창 전)의 단면도.

도6b는 철구조 원형 FRP판의 운전중(열팽창 후)의 단면도.

도7a는 철구조 터널형 FRP판의 설치시(열팽창 전)의 단면도.

도7b는 철구조 터널형 FRP판의 운전중(열팽창 후)의 단면도.

도8은 FRP덮개의 열팽창방향을 나타낸 것.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명*

1 : FRP덮개판 2 : 철재 사각파이프

3 : FRP판 연결플랜지 4 : 볼트

5 : 고무가스켓 6 : 셋트앙카볼트

7 : 덮개판 목형 7' : 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판 목형

8 : 덮개판 형틀 8' : 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판 형틀

9 : 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판

10 : 콘크리트/철판벽체 11 : 열팽창량의 차이 흡수용 간격

본 고안은 하/폐수조의 악취누출방지용 철구조 FRP덮개에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하/폐수조에서 발생하는 악취 및 휘발성 유기화합물이 외부로 누출되어 환경오염을 일으키는 것을 방지하기 위하여 하/폐수조에 설치하는 악취누출방지용 철구조 FRP덮개에 관한 것이다.

지금까지는 하/폐수조에서 발생하는 악취 및 휘발성 유기화합물이 외부로 누출되어 환경오염을 일으키는 것을 방지하기 위하여 덮개를 설치할 때에 일반적으로 유리섬유강화플라스틱(FRP)의 단일재질만을 사용하여 덮개를 제작하였다. 이렇게 단일재질의 FRP만 사용하게 되니까 하/폐수조의 넓이가 넓어 대형의 덮개를 필요로 하는 경우에는 그 구조의 안전성을 확보하기 위하여 덮개를 원형으로 하는 경우 덮개지붕을 다수의 반삼각 원뿔형 골격형상(도1a, 도1b)으로 만들어야 하고, 또 덮개를 터널형으로 하는 경우 덮개지붕을 다수의 외부돌출 사각형 골격형상(도2a, 도2b)으로 만들어야 하므로 자연히 그 구조가 복잡하게 될 뿐만 아니라 덮개자체의 두께도 구조의 강도를 고려하여 상당히 두껍게 제작하여야 하였다.

따라서 FRP단일재질로 하/폐수조의 덮개를 제작하는 방법은 구조적인 안전성 문제뿐만 아니라 복잡한 구조의 골격을 만들어야 하므로 목형, 형틀 및 FRP판 제작 과정에 장기간이 소요되며 아울러 과다한 자재의 소요로 인하여 상당한 제작비가 발생하였다.

이와 같이 FRP단일재질로만 덮개를 만드는 경우에 그 형상이 복잡하고 두께도 두껍게 하여야 하므로, 덮개의 안전성 확보와 제작기간 단축 및 제작비용 절감을 위하여 상대적으로 강도가 큰 스틸파이프(탄소강의 인장강도:46.4kg/㎟, FRP의 인장상도:12kg/㎟)를 사용하여 하/폐수조의 덮개골격을 만들고 그 위에 형상이 간단하며 두께가 얇은 FRP판을 씌워서 하/페수조의 모양(원형 또는 터널형)에 따라 덮개를 만드는 방법을 생각해볼 수 있다. 이와 같은 방법으로 덮개를 만드는 경우에 하/폐수조에서 발생하는 부식성 가스로부터 스틸파이프의 부식을 방지하기 위하여 스틸파이프의 외주면 전체를 FRP판으로 감싸서 부식성 가스를 완전히 차단시켜야 한다. 그러나 이 경우에는 태양열과 폐수에서 발생하는 증기열에 의하여 덮개가 열팽창할 수 있으며 열팽창이 일어나는 경우 스틸파이프와 FRP재질의 접촉부에 열팽창량(탄소강의 선팽창계수:1.2cm/cm℃ ×0.00001, FRP재질의 선팽창계수:2.3cm/cm℃ ×0.00001)의 차이로 인하여 FRP판에 균열이 발생할 수 있으며, 균열이 발생하는 경우 이 틈으로 하/폐수에서 발생하는 부식성 가스가 침투하여 스틸파이프를 부식시킬 수 있다.

따라서 본 고안은 열팽창량 차이로 인한 FRP판의 균열 및 스틸파이프의 부식이라는 문제점과 또 구조가 간단하고 FRP판의 두께도 얇게 해야 하는 문제점을 동 시에 해결하기 위하여 스틸파이프의 외주면을 FRP판으로 감싸고 스틸파이프와 FRP재질의 접촉 부위에 열팽창량 차이를 흡수하기 위한 일정한 간격을 만들어 열팽창량 차이를 흡수하게 함으로서 FRP판의 균열 및 변형을 방지할 수 있었다.

이때 열팽창량 차이를 흡수할 수 있는 흡수용 간격은 덮개의 크기, 모양 및 태양열에 의한 복사열과 하/폐수에서 발생하는 증기열의 운전온도에 따라 결정하여야 한다.

또한, 본 고안에서는 FRP판 구조를 받드는 스틸파이프는 FRP덮개 제작시에 목형 및 형틀의 분리가 용이하고 FRP판의 제작이 용이하도록 철재 사각파이프를 사용한다.

따라서 본 고안은 이와 같은 점을 감안하여 이루어진 것으로, 철재 사각파이프를 덮개 구조의 골격으로 사용함으로써 FRP덮개판의 형상을 간단하게 하면서도 그 두께를 얇게 할 수 있었으며, 동시에 철재 사각파이프의 전체 외주면을 FRP판으로 감싸면서 철재 사각파이프와 FRP판 사이에 일정한 간격을 만들어 줌으로써 태양열 및 하/폐수에서 발생하는 증기열에 의한 열팽창량의 차이로 인하여 발생할 수 있는 FRP판의 균열 또는 파손이나 이로 인하여 철재 사각파이프가 부식되는 것을 방지하도록 하였다.

이하 본 고안을 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명하기로 한다.

도1a는 종래의 FRP단일재질로 된 원형덮개의 전체 입체도를 나타낸 것이고, 도1b는 이 덮개의 각 장의 반삼각 원뿔형 골격형상의 입체도를 나타낸 것이며, 도2a는 종래의 FRP단일재질로 된 터널형 덮개의 전체 입체도를 나타낸 것이고, 도2b는 이 덮개의 각 장의 외부 돌출 사각형 골격형상의 입체도를 나타낸 것이다. 이들 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이 종래 FRP단일재질로만 덮개를 만드는 경우에 원형의 경우 덮개의 각 장을 반삼각 원뿔형 골격형상(도1a)으로 하여야 하고, 터널형의 경우 외부돌출 사각형 골격형상(도2b)으로 하여야 하므로 그 골격형상을 복잡한 구조로 하여야 할 뿐만 아니라 두께도 두껍게 제작하여야 하였다.

이에 비하여 본 고안에 따라 제작된 철구조 FRP덮개를 살펴보면 도3a는 철구조 원형 FRP덮개의 전체 입체도를 나타낸 것이고,도3b는 이 덮개의 각 장의 열팽창 방향이 표시된 입체도를 나타낸 것이고, 도3c는 도3b에서 선 A-A의 단면을 나타낸 것이며, 도4a는 철구조 터널형 FRP덮개의 전체 입체도를 나타낸 것이고, 도4b는 이 덮개의 각 장의 열팽창 방향이 표시된 입체도를 나타낸 것이고, 도4c는 도4b에서 선 B-B의 단면을 나타낸 것이다. 이들 도면으로부터 알 수 있는 바와 같이 FRP덮개를 철구조로 한 경우에 종래의 FRP단일재질로 한 경우보다 두께를 얇게 할 수 있고 또 그 골격형상도 간단하게 할 수 있었다. 종래에는 FRP덮개판의 두께를 8mm로 하였으나 본 고안에서는 이 두께를 4mm로 하여도 구조적 안전성에 아무런 문제가 없었으며, 이러한 사실은 이하에서 설명하는 본 고안의 실시예를 통하여서도 확인할 수 있었다.

본 고안에 따라 철재 사각파이프를 사용하여 FRP판 구조를 받드는 골격을 만들고 그 위에 FRP판을 씌워서 원형 또는 터널형의 하/폐수조의 덮개를 만드는 경우 철재 사각파이프와 FRP재질의 접촉부위에 태양열에 의한 복사열과 하/폐수에서 발생되는 증기열에 의한 열팽창으로 인하여 생기는 철재 사각파이프와 FRP재질의 열팽창량 차이를 흡수할 수 있도록 일정한 간격을 만들어 주어 FRP판이 균열되는 것을 방지하고, 나아가 철재 사각파이프가 부식되는 것을 방지하는데, 이때 열팽창량 차이를 흡수할 수 있는 흡수용 간격은 덮개의 크기, 모양 및 태양열에 의한 복사열과 하/폐수에서 발생되는 증기열의 운전온도에 따라 결정하여야 하며, 각각의 계산 방법은 다음과 같다. 본 고안에서는 열팽창량 차이를 흡수할 수 있는 흡수용 간격을 대기온도에 의한 열팽창과 하/폐수조의 증기열이 거의 없을 때(설치장소가 실내이고 증기열이 상온일 때)를 최저치로 하여 이때의 간격을 2mm로 하였고, 실재 현장에서 적용가능한 하/폐수조의 증기열의 최고온도를 70℃(이 경우 대기온도는 증기열의 최고온도보다 낮으므로 무시한다)로 보고, 덮개의 길이도 최대 38m를 기준으로 하여 이때의 간격을 30mm로 하였다. 단, 실제의 적용예가 흔하지는 않으나 증기의 온도가 FRP수지의 열적 변형이 일어나기 시작하는 101℃까지는 덮개의 크기를 구조적 안전성이 확보되는 범위내에서 38m 이상으로도 설계가 가능하며 이때 간격의 크기는 같은 방법으로 계산이 가능하다.

1. 열팽창량 차이 흡수용 간격 계산법

철재 사각파이프와 FRP판 사이에 발생하는 열팽창량 차이를 흡수할 수 있는 흡수용 간격을 계산하기 위해서는 원형 또는 터널형의 덮개모양, 태양열에 의한 복사열과 폐수에서 발생하는 증기열의 운전온도에 따라 먼저 실험결과로 얻은 표3에서 운전온도에 해당하는 FRP판온도와 철재 사각파이프의 온도를 찾고, 표1 및 표2 에서 해당하는 온도에서 재료의 선팽창량을 찾아 덮개의 길이(m)를 곱하여 길이방향으로 팽창하는 열팽창량을 구하고, 컴퓨터(CAD)로 작도하거나 삼각함수 계산법으로 덮개의 높이방향으로 팽창하는 실제의 열팽창량 차이 흡수용 간격을 계산하며, 열팽창량 차이 흡수용 간격(선팽창량)이 계산되면 목형 제작시에 목형의 크기를 그 치수만큼 크게 제작한다.

표1 : 탄소강의 선팽창량(단위:mm/m) : ANSI B31.3 자료

표2 : FRP(RF1001기준)의 선팽창량(단위:mm/m) 크레이그밸리코리아(수지제조회사, 서울시 영등포구 여의도동 23-5 한화증권빌딩 20층)자료

표3 : FRP판 및 철재 사각파이프의 운전온도(FRP판의 두께는 5mm를 기준으로 함)

2. FRP 덮개의 열팽창방향을 분석해본 결과는 다음과 같다

FRP덮개는 덮개의 양끝 부분을 세트앙카볼트(Anchor Point)로 고정하여 설치하므로 덮개의 길이방향으로 발생하는 열팽창이 도8의 열팽창방향 표시와 같이 덮개의 높이방향으로 나타나므로, 결국 덮개 길이방향의 열팽창량과 열팽창량 차이 흡수용 간격은 각각 다음 식1 및 식2와 같게 된다. 따라서 덮개의 길이방향으로 발생하는 열팽창량에 따른 높이의 변화량, 즉 열팽창량 차이 흡수용 간격은 컴퓨터(CAD)로 작도하여 산출하거나 삼각함수 계산법으로 계산한다.

덮개 길이방향의 열팽창량(mm) = L' - L ⇒ 식1

열팽창량 차이 흡수용 간격(mm) = H' - H ⇒ 식2

3. FRP판 덮개의 모양별 제작예

이하에서는 하/폐수조 덮개의 열팽창량 차이 흡수용 간격의 계산을 실시예를 통하여 설명하도록 한다.

본 고안에서는 실제 현장에서 사용되고 있는 덮개의 모양에 따라 원형(직경:15m, 덮개의 길이:16.5m)과 터널형(폭:8m, 길이:10m, 덮개길이:9.3m)의 두 가지로 선정하고 운전온도는 최대 40℃의 대기온도만 고려하였다.

실시예 1 : 철구조 원형 FRP 덮개( CONE TYPE )

가. 열팽창량 차이 흡수용 간격계산

ㄱ). 운전온도가 40℃ 일 때 FRP판의 온도는 53℃, 철재 사각파이프의 온도는 34℃(표3 참조)

ㄴ) FRP판의 덮개길이방향 열팽창량 : FRP판 53℃일 때(55℃ 기준)의 선팽창량 0.78mm/m × 덮개길이 16.5m = 12.9mm(표2 참조)

ㄷ) 철재 사각파이프의 덮개길이방향 열팽창량 : 철재 사각파이프의 온도가 34℃ 일 때(35℃ 기준) 선팽창량 0.17mm/m × 덮개길이 16.5m == 2.8mm(표1 참조)

ㄹ) FRP판의 높이방향 열팽창량 : 12mm(삼각함수 계산법으로 계산하거나 컴퓨터 CAD로 작도하여 산출, 본 고안에서는 모두 삼각함수 계산법으로 계산하였으며 이하 동일함)

ㅁ) 철재 사각파이프의 높이방향 열팽창량 : 2.5mm(삼각함수 계산법으로 계산하거나 컴퓨터 CAD로 작도하여 산출)

ㅂ) 열팽창량 차이 흡수용 간격 : 12mm-2.5mm = 9.5mm(FRP판과 철재 사각파이프가 같은 방향으로 팽창하므로 상기 두수치의 차이만큼의 간격이 필요함)

ㅅ) 이 철재 사각파이프를 감싸는 원형 FRP판의 단면도는 도6a 및 도6b와 같으며, 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판을 제작할 때에 목형 및 형틀의 탈착을 용이하게 하기 위하여 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판은 역사다리꼴의 형태, 바람직하 게는 윗면이 아랫면보다 2∼8mm 정도 넓게 제작한다.

나. 이와 같은 방법으로 제작한 철구조 원형 FRP덮개에 대한 구조검토 및 구조해석을 수행하여 안전성에 대한 검토를 한 결과는 다음과 같으며, 구조 및 안전성에 대하여 아무런 문제가 없는 것으로 나타났다.

철구조 원형 FRP 덮개의 구조검토서

1. 설계 개요

본 구조검토서는 FRP(RF-1001)의 기계적 성질을 참고로 하여 구조 해석 및 구조검토를 수행하였다. FRP판 덮개의 두께 4mm에 대하여 안전성에 대해서도 검토하였다.

2. 설계 조건

FRP의 물성치는 RF-1001을 사용하였고, 하중조건은 자중과 적설하중을 사용하였으며 적설하중은 대한건축학회 건축물 하중기준 및 해설에 따른다. 눈의 단위 중량은 "압축된 눈 또는 다량의 물을 포함한 눈"의 것을 사용하였으며, 적설두께는 30cm를 사용하였다. 설계시 작용하중은 자중과 적설하중의 조합하중으로 하중증가계수는 1.25를 사용하였다. 그리고 사람의 활하중의 경우는 하중증가계수 1.8을 주어 해석하였다.

(1) 재료의 기계적 성질

- FRP의 기계적 성질

- STEEL의 기계적 성질

3. 하중 조합 및 경계조건

3.1 경계조건

< Boundary Condition of Overall Model>

3.2 하중

(1) 적설하중

SW = P X Zs = 1.0 X 30 cm = 30kgf /㎡

여기서, SW : 적설하중 (30kgf /㎡)

P : 눈의 평균단위중량 (kgf /㎡) / 1cm

Zs : 설계적설깊이 (cm)

눈의 단위중량은 지방 및 계절 등에 따라 다르나, 본 검토에서는 적설깊이

30 cm를 기준으로 계산하였다.

(2) 활하중

FRP의 한 블록당 300kg (사람 3 ∼ 4명)이 올라가는 것으로 하여 한 블록에

35kgf /㎡을 가하였다.

(3) 하중 조합

< Snow Loading Diagram>

< Live Loading Diagram>

4. 해석 결과

4.1 Load Combination 1

(1) 응력 검토

< Von-Mises Stress of Overall Model>

< Von-Mises Stress of Top Steel>

< Von-Mises Stress of FRP Cover >

< Von-Mises Stress of FRP Cover >

(2) 처짐 검토

< Deflections of Overall Model>

< Deflections of FRP Cover>

4.2 Load Combination 2

(1) 응력 검토

< Von-Mises Stress of Overall Model >

< Von-Mises Stress of Top Steel>

< Von-Mises Stress of FRP Cover >

< Von-Mises Stress of BEAM MEMBER >

(2) 처짐 검토

< Deflection of Overall Model >

< Deflection of FRP Cover >

5. 결 과

(1) 응력 검토

LCOMB 2 경우에 FRP 와 STEEL 부재 모두 응력이 최대로 나타났다.

- FRP 인 경우

최대응력 = 40.298 kgf/c㎡

FRP의 허용응력 = 0.5 X Fy = 0.5 X 1230 = 615 kgf/c㎡ ⇒ O.K.

- STEEL 인 경우

최대응력 = 246.876 kgf/c㎡

STEEL의 허용응력 = 0.5 X Fy = 0.5 X 2400 = 1200 kgf/c㎡ ⇒ O.K.

(2) 처짐 검토

LCOMB 2 경우에 최대 처짐량이 발생하였다.

- 최대 처짐량 = 0.6577 cm

허용 처짐량 = 1470 / 300 = 4.90 cm ⇒ O.K.

실시예 2 : 철구조 터널형 FRP 덮개( TUNNEL TYPE )

가. 열팽창량 차이 흡수용 간격계산

ㄱ) 운전온도 40℃ 일때 FRP판온도 53℃, 철재 사각파이프 온도 34℃(표3 참조)

ㄴ) FRP판의 덮개 길이방향 열팽창량 : FRP판이 53℃ 일때(55℃ 기준) 선팽 창량 0.78mm/m ×덮개길이 9.3m = 7.3mm(표2 참조)

ㄷ) 철재 사각파이프의 덮개 길이방향 열팽창량 : 철재 사각파이프가 34℃ 일때(35℃ 기준) 선팽창량 0.17mm/m ×덮개길이 9.3m = 1.6mm(표1 참조)

ㄹ) FRP판의 높이방향 열팽창량 : 6mm(삼각함수 계산법으로 계산하거나 컴퓨터 CAD로 작도하여 산출)

ㅁ) 철재 사각파이프의 높이방향 열팽창량 : 1.5mm(삼각함수 계산법으로 계산하거나 컴퓨터 CAD로 작도하여 산출)

ㅂ) 열팽창량 차이 흡수용 간격 : 6.0mm - 1.5mm = 4.5mm(FRP판과 철재 사각파이프가 같은 방향으로 팽창하므로 상기 두수치의 차이만큼의 간격이 필요함)

ㅅ) 이 철재 사각파이프를 감싸는 터널형 FRP판의 단면도는 도7a 및 도7b와 같으며, 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판을 제작할 때에 목형 및 형틀의 탈착을 용이하게 하기 위하여 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판은 역사다리꼴의 형태, 바람직하게는 윗면이 아랫면보다 2∼8mm 정도 넓게 제작한다.

나. 이와 같은 방법으로 제작한 철구조 터널형 FRP덮개에 대한 구조검토 및 구조해석을 수행하여 안전성에 대한 검토를 한 결과는 다음과 같으며, 구조 및 안전성에 대하여 아무런 문제가 없는 것으로 나타났다.

철구조 터널형 FRP 덮개의 구조검토서

1. 설계 개요

본 구조검토서는 FRP(RF-1001)의 기계적 성질을 참고로 하여 구조 해석 및 구조검토를 수행하였다. FRP덮개판의 두께 4mm에 대하여 안전성에 대해서도 검토하였다.

2. 설계 조건

FRP의 물성치는 RF-1001을 사용하였고, 하중조건은 자중과 적설하중을 사용하였으며 적설하중은 대한건축학회 건축물 하중기준 및 해설에 따른다. 눈의 단위 중량은 “압축된 눈 또는 다량의 물을 포함한 눈” 의 것을 사용하였으며, 적설두께는 30 cm를 사용하였다. 설계시 작용하중은 자중과 적설하중의 조합하중으로 하중증가계수는 1.25를 사용하였다. 그리고 사람의 활하중의 경우는 하중증가계수 1.8을 주어 해석하였다.

(1) 재료의 기계적 성질

- FRP의 기계적 성질

- STEEL의 기계적 성질

3. 하중 조합 및 경계조건

3.1 경계조건

< Boundary Condition of Overall Model>

3.2 하중

(1) 적설하중

SW = P X Zs = 1.0 X 30 cm = 30kgf /㎡

여기서, SW : 적설하중 (30kgf /㎡ )

P : 눈의 평균단위중량 (kgf /㎡ ) / 1cm

Zs : 설계적설깊이 (cm)

눈의 단위중량은 지방 및 계절 등에 따라 다르나, 본 검토에서는 적설깊이 30 cm를 기준으로 계산하였다.

(2) 활하중

FRP의 한 블록당 300kg (사람 3 ∼ 4명)이 올라가는 것으로 하여 한 블록에 35kgf /㎡을 가하였다.

(3) 하중 조합

< Snow Loading Diagram>

< Live Loading Diagram>

4. 해석 결과

4.1 Load Combination 1

(1) 응력 검토

< Von-Mises Stress of Overall Model>

< Von-Mises Stress of Max. Part>

< Von-Mises Stress of FRP Cover >

(2) 처짐 검토

< Deflections of Overall Model>

< Deflections of FRP Cover>

4.2 Load Combination 2

(1) 응력 검토

< Von-Mises Stress of Overall Model >

< Von-Mises Stress of Max. Part>

< Von-Mises Stress of FRP Cover >

(2) 처짐 검토

< Deflection of Overall Model >

< Deflection of FRP Cover >

5. 결 과

(1) 응력 검토

LCOMB 2 경우에 FRP 와 STEEL 부재 모두 응력이 최대로 나타났다.

- FRP 인 경우

최대응력 = 16.533 kgf/c㎡

FRP의 허용응력 = 0.5 X Fy = 0.5 X 1230 = 615 kgf/c㎡ ⇒ O.K.

- STEEL 인 경우

최대응력 = 168.955 kgf/c㎡

STEEL의 허용응력 = 0.5 X Fy = 0.5 X 2400 = 1200 kgf/c㎡ ⇒ O.K.

(2) 처짐 검토

LCOMB 2 경우에 최대 처짐량이 발생하였다.

- 최대 처짐량 = 0.332 cm

허용 처짐량 = 800 / 300 = 2.67 cm ⇒ O.K.

한편, 본 고안에 따른 철구조 FRP덮개판의 제작 및 설치과정은 다음과 같다.

먼저 도5a의 덮개판 목형(7)과 도5b의 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판의 목형(7')을 제작한 뒤 도5c의 덮개판 형틀(8)과 도5d의 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판의 형틀(8')을 제작하고 형틀의 외부면에 박리제를 얇게 도포하여 건조한 뒤 겔코트를 균일하게 도포하고 경화하여 수지, 유리섬유 및 경화제로 적층하여 도5e의 FRP덮개판(1)을 제작한다.이렇게 제작된 FRP덮개판(1) 후면에 벤딩된 철재 사각파이프(2)를 놓고 도5f의 철재 사각파이프를 감싸는 FRP판(9)을 덮은 다음 양끝을 3mm정도의 두께로 적층하여 FRP덮개판(1)과 철재 사각파이프(2)를 조립하여 도5g의 FRP덮개판(1)을 만들고 이 FRP덮개판(1)을 도5h와 같이 가조립하여 FRP판 연결플랜지(3)에 고무 가스켓(5)을 넣고 구멍을 가공하여 볼트(4)로 연결하여 FRP덮개판(1)을 조립한다. 조립된 FRP덮개판(1)은 도5i와 같이 하/폐수조 벽체상부에 있는 콘크리트/철판벽체(10)에 셋트 앙카볼트(6)로 고정하여 설치한다.

설치가 완성된 철구조 FRP덮개는 FRP판 단면도(도6a, 도6b, 도7a, 도7b) 에 나타나 있는 바와 같이 원형의 경우 열팽창전(도6a)에는 철재 사각파이프의 아랫면에 열팽창량 차이를 흡수할 수 있는 공간이 마련되어 있어서 열팽창으로 인하여 FRP판이 윗방향(높이방향)으로 팽창하더라도 FRP판이 철재 사각파이프를 기준으로 흡수용 간격만큼만 윗방향(높이방향)으로 움직일 수 있게 된다(도6b). 따라서 철재와 FRP재질의 열팽창량의 차이는 흡수용 간격으로 자연적으로 흡수되어 철재 사각파이프가 FRP판에 아무런 손상을 주지 않게 되므로 열팽창으로 인하여 FRP판에 균열이 생기는 일이 없게 되어 결국 철재가 부식하거나 FRP판이 변형 또는 파손되는 일이 없게 된다. 다시 말해 열팽창 전에는 흡수용 간격이 철재 사각파이프의 하단에 위치하나 열팽창되면서 철재 사각파이프를 기준으로 FRP판이 서서히 높이방향으로 팽창하면서 열팽창 후에는 흡수용 간격이 철재 사각파이프의 상단에 위치하게 되므로 열팽창이 일어나도 아무런 문제가 발생하지 않게 된다.

이러한 현상은 터널형의 FRP판 단면도(도7a, 도7b)를 보아도 마찬가지 결과임을 알 수 있다.

하/폐수조에서 발생되는 악취를 방지하기 위하여 FRP 단일재질로 덮개를 제작하는 종래의 기술에 비하여, 본 고안에 따라 철재 사각파이프를 이용하여 구조를 보강하고 얇은 FRP판을 사용하여 덮개를 제작하는 경우에 강도가 큰 철재 사각파이프를 사용하여 구조를 받드는 골격을 만들기 때문에 구조물의 안전성을 확보할 수 있는 장점이 있을 뿐만 아니라 FRP판은 구조의 안전성에 영향을 미치지 않으므로 그 형상을 간단하게 할 수 있고 두께도 얇게 할 수 있어서 목형, 형틀 및 FRP덮개판을 제작할 때에 제작기간의 단축 및 소요자재의 절감으로 제작비용을 상당히 절감할 수 있는 장점이 있다.

본 고안에서는 철재 사각파이프를 이용하여 구조를 보강한 경우, 종래의 FRP 단일 재질만 사용한 경우에 비하여 제작기간과 소요비용의 절감효과를 알아보기 위하여 상기 실시예와 같이 덮개의 모양을 원형과 터널형으로 나누고 FRP단일재질만 사용하는 경우(종래의 방법)와 철재 사각파이프를 사용하는 경우(본 고안의 방법)를 동일한 구조적 강도를 가지도록 설계하여 제작기간과 소요비용을 동일한 조건으로 산출하여 보았으며, 그 결과 아래의 표에 나타난 바와 같이 상당한 제작기간의 단축 및 제작비용의 절감효과가 있었다.

절감효과분석표

표4(원형 덮개)

표5(터널형 덮개)

표6(철구조 원형 FRP덮개의 제작/조립 공사비, 직경:15m, 높이:3m, FRP판 두께:4㎜)

표7(FRP단일재질 원형 덮개의 제작/조립 공사비, 직경:15m, 높이:3m, FRP판 두께:8mm)

표8(철구조 터널형 FRP덮개의 제작/조립 공사비, 폭:8m, 길이:10m, 높이:2m, FRP판 두께:4mm)

표9(FRP단일재질 터널형 덮개의 제작/조립 공사비, 폭:8m, 길이:10m, 높이:2m, FRP판 두께:8㎜)

표10(덮개 모양별 절감효과)

Claims (6)

1. 하/폐수조의 악취 누출방지용 FRP덮개에 있어서, 강도가 큰 철재 사각파이프(2)를 사용하여 FRP덮개판(1)을 받드는 구조의 골격을 원형 또는 터널형으로 만들고 그 위에 FRP덮개판을 씌워서 제작하는 것을 특징으로 하는 하/폐수조의 악취 누출방지용 FRP덮개.
2. 제1항에 있어서, 상기 철재 사각파이프(2)는 전 외주면이 FRP판(9)으로 감싸져 부식이 방지되는 것을 특징으로 하는 하/폐수조의 악취 누출방지용 FRP덮개.
3. 제1항에 있어서, 상기 철재 사각파이프(2)와 FRP재질의 하부 접촉부에 열팽창량의 차이를 흡수할 수 있는 간격(11)이 마련되어 운전중 철재와 FRP재질의 열팽창량 차이가 발생하여도 자연적으로 흡수되게 하여 FRP판에 균열이 발생하는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 하/폐수조의 악취 누출방지용 FRP덮개.
4. 제3항에 있어서, 상기 간격(11)은 2∼30mm의 범위내인 것을 특징으로 하는 하/폐수조의 악취누출방지용 FRP덮개.
5. 제1항에 있어서, 철재 사각파이프(2)를 감싸는 FRP판(9)은 역사다리꼴의 형태로 하여 철재 사각파이프(2)를 감싸는 FRP판(9)의 제작시 목형 및 형틀의 탈착을 용이하게 할 수 있는 것을 특징으로 하는 하/폐수조의 악취누출방지용 FRP덮개.
6. 제5항에 있어서, 상기 FRP판(9)은 윗면이 아랫면보다 2∼8mm 넓은 것을 특징으로 하는 하/폐수조의 악취누출방지용 FRP덮개.

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