KR20220069131A - 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문은, 상류측의 물을 담수하기 위한 게이트 모듈; 상기 게이트가 회전 가능하도록 하여 상기 게이트의 기립의 정도를 조절하는 동력 모듈; 및 상기 게이트 모듈이 사이에 위치하도록 하며, 상기 동력 모듈이 위치하는 소정의 공간을 제공하는 프레임 모듈;을 포함하며, 상기 게이트 모듈은, 내부가 스틸로 제조되고, 외부가 상기 스틸의 외부면에 GFRP(유리섬유강화플라스틱)의 적층에 의해 제조되어, 기립의 정도 조절시 필요한 상기 동력 모듈의 동력을 저감시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

Description

전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문{Turnover type floodgate}

본 발명은 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문에 대한 것으로, 저전력으로 기립과 전도 구현이 가능하도록 하는 전도식 관개수로용 수문에 관한 것이다.

일반적으로 수문을 설치함에 있어 저비용으로 운영하기 위해서는 전기적인 장치를 갖추고 있어야 하며, 전력 비용을 최소화하기 위해서는 가정용 전력 또는 태양열을 이용하는 방법이 가장 대표적이다.

기존의 수문은 교류전기를 사용하고 있는데 보통 단상과 삼상 전력으로 구분하며, 단상의 경우에는 기존의 수문 구조로서는 인양할 수 있는 크기가 한정되어 있어 삼상 전원을 사용하여 작동하기 위해서는 초기 전기인입 비용이나 지속적인 유지관리비용이 소요되는 실정이다.

농업용 수로에서 사용되는 수문은 그 기능에 따라 제수문, 방수문, 분수문, 배수갑문 등으로 나누어 지고, 동력 사용 여부에 따라 수동식 수문과 전동식 수문으로 구분되며 또한, 작동방식 및 수압에 대한 영향에 따라 롤러 게이트, 힌지 게이트, 레디얼 게이트 등으로 분류되고 있다.

이러한 기존의 전동식 수문은 모두 고중량의 철재를 사용하고 부식 방지를 위하여 도장을 피복함여 제작되고 있는데, 고중량의 수문을 작동하기 위해서는 전력이 과다하게 소요되어 전기인입이 어려운 산지 하천이나 소규모 농업용 수로에서는 설치 및 운영이 어려운 단점이 있다.

따라서, 전기인입이 어려운 산지 하천이나 소규모 농업용 수로 등에 설치 및 운영이 가능하도록 하는 수문에 대한 연구가 시급한 실정이다.

본 발명의 목적은 게이트의 재질을 스틸과 GFRP를 혼용하는 하이브리드 형태로 제조하여 게이트를 경량화시키고, 구조를 기존의 인양식이 아닌 전도식 구조(오뚜기 혹은 부채꼴 구조)로 개선하여 게이트의 작동을 위한 전력을 감소시켜 단상 전원의 사용이 가능하도록 하는 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문은, 상류측의 물을 담수하기 위한 게이트 모듈; 상기 게이트 모듈이 회전 가능하도록 하여 상기 게이트 모듈의 기립의 정도를 조절하는 동력 모듈; 및 상기 게이트 모듈이 사이에 위치하도록 하며, 상기 동력 모듈이 위치하는 소정의 공간을 제공하는 프레임 모듈;을 포함하며, 상기 게이트 모듈은, 내부가 스틸로 제조되고, 외부가 상기 스틸의 외부면에 GFRP(유리섬유강화플라스틱)의 적층에 의해 제조되어, 기립의 정도 조절시 필요한 상기 동력 모듈의 동력을 저감시키는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문의 상기 게이트 모듈은, 상기 스틸에 상기 GFRP가 적층되기 전 지수고무가 삽입되어 제조 후 상기 프레임 모듈 사이로 상류측의 물이 통과되는 것을 방지하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문의 상기 지수고무는, 방수 및 복원성이 우수한 EPDM 재질로 제조되는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문에 의하면, 경량화를 구현하여 게이트의 작동을 위한 전력을 감소시켜 일반적인 단상 전원의 사용이 가능하고 전기인입이 어려운 지역에서도 태양열과 같은 대체 에너지를 이용한 저전력 운영이 가능한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문에 대한 사진으로 기립된 상태에 대한 사진.
도 2는 본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문에 대한 사진으로 전도된 상태에 대한 사진.
도 3은 본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문에 제공되는 게이트 모듈에 대한 사진.
도 4는 본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문에 제공되는 프레임 모듈 및 동력 모듈에 대한 사진.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에서 다른 구성요소를 추가, 변경, 삭제 등을 통하여, 퇴보적인 다른 발명이나 본 발명 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본원 발명 사상 범위 내에 포함된다고 할 것이다.

또한, 각 실시예의 도면에 나타나는 동일한 사상의 범위 내의 기능이 동일한 구성요소는 동일한 참조부호를 사용하여 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문에 대한 사진으로 기립된 상태에 대한 사진이며, 도 2는 본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문에 대한 사진으로 전도된 상태에 대한 사진이다.

또한, 도 3은 본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문에 제공되는 게이트 모듈에 대한 사진이며, 도 4는 본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문에 제공되는 프레임 모듈 및 동력 모듈에 대한 사진이다.

도 1 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문(100)은 상류측의 물을 담수하기 위한 게이트 모듈(), 상기 게이트 모듈()이 회전 가능하도록 하여 상기 게이트 모듈()의 기립의 정도를 조절하는 동력 모듈() 및 상기 게이트 모듈()이 사이에 위치하도록 하며, 상기 동력 모듈()이 위치하는 소정의 공간을 제공하는 프레임 모듈()을 포함할 수 있다.

여기서, 상기 게이트 모듈()은 내부가 스틸로 제조되고, 외부가 상기 스틸의 외부면에 GFRP(유리섬유강화플라스틱)의 적층에 의해 제조되어, 기립의 정도 조절시 필요한 상기 동력 모듈()의 동력을 저감시킬 수 있다.

상기 게이트 모듈()은 상기 스틸에 상기 GFRP가 적층되기 전 지수고무가 삽입되어 제조 후 상기 프레임 모듈() 사이로 상류측의 물이 통과되는 것을 방지할 수 있다.

상기 지수고무는 방수 및 복원성이 우수한 EPDM 재질로 제조될 수 있다.

GFRP소재는 강화섬유와 수지를 통해 제작되며 다음과 같은 특징을 가지고 있어 수문 외부 소재로 적합할 것으로 나타나며 우수한 내구성으로 장기적으로 사용이 가능 할 것으로 나타난다.

GFRP 재료 중 강화섬유는 섬유길이 방향으로 고강도, 고강성을 발휘하는 강화재의 역할을 하며, 강화섬유의 적층을 통해 구조부재의 방향별 요구 강도 특성 발현. 콘크리트 구조물의 배근설계와 유사하다. 강화섬유의 종류로는 유리섬유(Glass fiber), 탄소섬유(Carbon fiber), 아라미드섬유(Aramid fiber) 등이 있으며, 강화섬유의 형태에 따라 로빙(Roving), 매트(Mat), 패브릭(Fabric), 단섬유(Chopped Strand), 프리프레그(Prepreg)로 구분할 수 있다.

GFRP 재료 중 수지는 성형시 구성 재료를 일체화 시키는 작용을 하여 내부식, 내화학 특성을 보유하고 있어 외부 유해환경에 대한 내구성을 증대시킴. 플라스틱 수지의 분류는 열경화성(Thermosetting)수지와 열가소성(Thermoplastic)수지로 분류하며, 건설 분야에 사용하는 복합소재에는 주로 열경화성 수지를 사용한다.

수지의 성분에 따라 불포화 폴리에스터 수지, 비닐에스터 수지, 에폭시 수지, 페놀수지 등으로 구분할 수 있다.

GFRP 소재의 특징은 다음과 같다.

① 내부식성 : 복합소재에 사용되는 수지재료는 화학물질, 산, 해수에 대한 저항성이 있는 특성을 가지므로, 강재를 사용하는 구조물에 비해 내부식성이 우수하다.

GFRP 소재의 내부식 특성은 유지관리비와 생애주기비용(Life cycle cost) 부분에 있어서 매우 유리하게 작용하게 되며, 해수, 화학물질 등 부식 환경에 있는 강재 구조물이나 콘크리트 구조물을 대체하는 경우에 매우 효율적으로 이용될 수 있다.

② 경량성 : 기존 강재나 콘크리트는 과도한 사하중에 의해 문제가 발생할 수 있으나 GFRP 소재는 큰 하중지지력 뿐만 아니라 경량특성을 가지므로 매우 효과적인 건설재료가 될 수 있다.

구조용 강재의 경우 단위중량이 7,850 kgf/㎥이나 GFRP 소재의 경우 약 2,000 kgf/㎥로 강재에 비해 매우 작은 단위중량을 가지고 있다.

③ 인장강도 : GFRP 소재는 강재보다 훨씬 큰 인장강도를 보유하고 있어 높은 인장강도를 요구하는 구조물에 매우 효과적으로 사용될 수 있으며, 일반적으로 파괴시 까지 선형적인 응력-변형률 거동을 보이고, 요구되는 성능에 따라 강화섬유의 방향을 적절히 배치하여 방향별로 기계적 특성을 구현할 수 있다.

④ 비강도, 비강성 : 항복강도를 밀도로 나눈 값으로 정의되는 비강도는 강도와 중량에 의한 재료들의 특성비교에 흔히 사용되고, GFRP 소재의 경우, 고강도 및 저밀도 특성으로 강재의 약 5-15배에 달하는 비강도를 가지고 있다.

탄성계수를 밀도로 나눈 값인 비강성에 있어서도 매우 우수하여 진동의 영향이 큰 구조물의 경우 저진동 특성을 가지고 있다.

⑤ 피로특성 : GFRP 소재는 1000만회 반복하중 후에서도 초기 강도의 대부분을 유지하는 우수한 피로저항 특성을 보인다.

⑥ 전자기(magnetic)특성 : GFRP 소재는 고분자 수지와 강화섬유로 구성되므로 자력(magnetic force)에 대한 저항성을 가진다.

따라서 복합소재는 자기부상 열차의 차체 및 선로 구조물, 자기공명 촬영기(MRI) 기초 등에 효과적으로 사용될 수 있다.

⑦ 전기절연특성 : 유리섬유, 아라미드섬유를 사용하는 GFRP 소재는 전기절연 특성을 보유하고 있어 감전의 위험을 방지해야하는 발전소 등의 케이블 트레이, 점검통로와 같은 전도체와 가깝게 노출된 구조물에 복합소재를 사용하고 있다.

GFRP 소재는 국/내외 토목 및 건축 분야에 다수 사용되는 소재로서 보강근, 대구경 파이프, 바닥판, 돌핀에 시공되는 파일, 고층건물 옥탑의 통신시설 구조물 및 복합소제 난간 등 다용도로 적용 되고 있으며 활용 사례는 다음과 같아 본 수문 기술에 적합한 것으로 판단된다.

① GFRP 소재 파이프 : 내부식 특성으로 내구성 증진 및 환경오명 문제 해결 등으로 석유산업체 및 수자원 분야에서 부식환경에 있는 해상, 육상의 송유, 송수관으로 대량 사용된다.

사우디아라비아의 쥬베일-리야드간(500km)에 담수용 송수관, 아프리카 보츠와나 송수관, 화학 플랜트에 화학물질 수송 파이프, 저장 및 프로세싱 탱크 등에 대량으로 사용하고 있다.

② GFRP 소재 보강근 : 철근대용으로 콘크리트에 사용하며 1980년대에 다시 내자기특성을 이용하는 분야(자기공명 촬영기 기초 등)와 화학물질 침투, 완전한 염해방지 등 특별히 내부식이 요구되는 구조에 사용되기 시작하였고 최근에는 콘크리트 교량 바닥판 철근대체용으로도 사용하고 있다.

③ GFRP 소재 지반보강재 : 기존 강재의 부식문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 경량성과 훌륭한 인장강도 특성을 보유한 GFRP 지반보강재를 개발하여 사용하고 있음. 일본, 유럽 및 북미, 이탈리아 등에서 GFRP 록볼트 공법, GFRP 막장 수평보강 공법, GFRP보강 그라우팅 공법 등 기존 강재 지반보강재를 대체하여 사용하고 있다.

④ 노후 콘크리트 구조물 보수, 보강 : 노후 콘크리트 구조물의 강판접착 보수, 보강법 및 교각의 강재 쉘 구속보강법을 대체하여 1980년부터 콘크리트 구조물의 보수, 보강용으로 복합소재가 널리 이용되기 시작하였으며, 재료비의 절감, 경량특성으로 인한 공사비 절감 및 시공의 용이성, 무제한의 재료길이, 내부식성으로 인해 전세계적으로 노후 콘크리트 구조물의 보수, 보강 및 내진보강에 사용하고 있다.

⑤ GFRP 소재 교량 : 내부식, 고내구성 특성으로 교량수명 연장, 생애주기비용 감소, 유지관리비 절감, 빈번한 교체 불필요 및 경량특성으로 사하중 경감, 하부구조 건설비용의 절감, 노후교량 성능개선시 하부보강 없이 내하력 증진 가능, 내진성능 향상 등의 장점으로 복합소재 교량 바닥판은 세계적으로 널리 사용하고 있다.

⑥ GFRP 소재 파일 : 강재 파일의 경우 부식방지를 위한 방식공사 필요하고 공용 중에도 방식 유지관리비 지출이 많으며, 콘크리트 파일의 경우 염해로 콘크리트 열화 및 철근 부식이 발생하고 내구성과 유지관리에 많은 문제가 발생하고 있음. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 해외에서는 항만구조물의 지지파일 및 팬더파일로 널리 사용하고 있다.

⑦ GFRP 소재 난간/사다리/그레이팅 : 화학 플랜트, 수처리 플랜트 등 고부식 환경의 구조물에 적합하며 기존의 강재/알루미늄의 부식문제를 해결하기 위해 적용하여 사용하고 있다.

최적의 관개수로용 수문에 선정된 저동력 수문의 안전성 검토를 위해 구조계산을 실시하였다. 저동력 수문의 구조계산을 위해 수문에 걸리는 수압을 계산하여 아래와 같이 안전성을 확인하였다.

관개수로용 수문에 걸리는 힘(수압)을 계산하는 방법으로서 수문이 중력방향인 수직으로 서 있는 경우를 우선 상정하여 계산하였다. 우선 수압이 저동력 수문에 걸리는 형태를 두 가지로 나눌 수 있다.

한가지는 수문 상부의 수문비 부분에 걸리는 수압으로서 수문 게이트 전도에 관여하며, 또 하나는 부채꼴 원형단면에 걸리는 수압이다. 이 수압은 궁극적으로 모두 수문비나 부채꼴 원형단면의 무게중심에 걸리는 것으로서 동력원의 발생 역할을 한다.

저동력 수문 게이트의 힌지를 기준으로 상부(수문비측)에 걸리는 수압은 전도력으로, 하부(부채꼴 원형단면)에 걸리는 수압은 복원력으로 작용을 한다. 여기서 수압이 걸리는 상부 면적은

(1)

따라서 힌지부 상부에 작용하는 수압은

(2)

여기서, ω : 물의 비중량(g/㎤)이다.

또한 힌지부 상부에 작용하는 수압에 의한 토오크는

(3)

다음으로는 부채꼴 원형단면에 작용하는 수압으로서, 이는 상부에 걸리는 수압의 역수압이다. 따라서 수압이 작용하는 힌지 하부의 면적은 다음과 같다.

(4)

따라서 힌지부 하부에 작용하는 수압은

(5)

또한 힌지부 하부에 작용하는 토오크는 다음과 같다.

(6)

따라서 수문비에 걸리는 수순 수압은

(7)

수문비에 걸리는 순수 수압의 토오크는

(8)

다음은 실제로 저동력 수문이 수압에 의해 기울어졌을 때 게이트가 받는 수압을 계산한다. 일정한 편심을 가지고 수문 게이트가 기울어지면 이에 따라 수문비에는 전도력이 가해지며 빗금 치지 않은 부분에는 복원력이 작용을 한다. 우선 수압에 의해 전도게이트가 10°기울었다고 가정하면, 수문비에 걸리는 수압은 다음과 같다.

(9)

그리고 수압이 수문비에 작용하는 토오크는 수문비가 기울어진 수문비의 무게중심까지의 중력방향 수직거리에 발생함으로,

(10)

여기서 cos10°는 수문비 무게중심까지의 중력방향 수직거리이다.

다음으로, 역수압 발생에 대해서 알아보면 우선 힌지기준 하부는 수로바닥에서 힌지까지의 높이가 일정하므로 수직상태와 동일하다고 할 수 있다. 따라서 복원력으로 작용하는 부채꼴 부분을 제외한 부채꼴의 중심을 구하는 것이 역발생 수압을 구하는 계산방법이다.

따라서 무게중심거리는 아래 식(11)을 이용하면,

(11)

여기서 부채꼴 원호의 수평거리 C는 C=2c 이므로 삼각형의 밑변 c는

(12)

따라서 하부의 부채꼴 원형단면에 작용하는 역수압은

(13)

역수압 토오크는 식(14)과 같다.

(14)

위와 같이 관개수로용 저동력 수문의 구조계산을 통해 안전성이 확보된 수문을 설계 하였다.

상기에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 사상과 범위 내에서 다양하게 변경 또는 변형할 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자에게 명백한 것이며, 따라서 이와 같은 변경 또는 변형은 첨부된 특허청구범위에 속함을 밝혀둔다.

100: 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문
110: 게이트 모듈
120: 동력 모듈
130: 프레임 모듈

Claims (3)

1. 상류측의 물을 담수하기 위한 게이트 모듈;
   상기 게이트 모듈이 회전 가능하도록 하여 상기 게이트 모듈의 기립의 정도를 조절하는 동력 모듈; 및
   상기 게이트 모듈이 사이에 위치하도록 하며, 상기 동력 모듈이 위치하는 소정의 공간을 제공하는 프레임 모듈;을 포함하며,
   상기 게이트 모듈은,
   내부가 스틸로 제조되고, 외부가 상기 스틸의 외부면에 GFRP(유리섬유강화플라스틱)의 적층에 의해 제조되어, 기립의 정도 조절시 필요한 상기 동력 모듈의 동력을 저감시키는 것을 특징으로 하는 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 게이트 모듈은,
   상기 스틸에 상기 GFRP가 적층되기 전 지수고무가 삽입되어 제조 후 상기 프레임 모듈 사이로 상류측의 물이 통과되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 지수고무는,
   방수 및 복원성이 우수한 EPDM 재질로 제조되는 것을 특징으로 하는 전도식 운영 형태의 경량의 관개수로용 수문.

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