Structural Stability Estimation of Non-slip Steel Grating

미끄럼 방지용 금속 그레이팅의 구조적 안정성 평가

Abstract

In this study, In order to prevent the safety accidents caused by the sliding, to develop the non-slip grating, the stability judgment based on the span length of the grating and the gap of the bearing bar is performed. The structural analysis of Grating was carried out in accordance with the provisions set out in Grating's load-bearing test conditions. As the span length increases, the deflection increases and the stress and span length tend to be proportional to each other. It was shown that the larger the span, the linear increase in stress and exponential increase in deformation of grating. The maximum stress of grating was approximately 58.2 MPa, indicating a very stable safety rate of about 4.3 compared to the yield strength of the grating material. Based on these results, it will be able to be utilized as the basic data for determining the optimal dimensions of non-slip grading by performing optimal designs in the future.

1. 서론

일반적으로 그레이팅은 옥외 배수구 등에 쓰이는 격자 모양의 철재 구조물이며, 차량 등의 하중에도 견딜 수 있는 안정성을 가지고 있어야 한다. 최근 이러한 그레이팅은 플랜트 분야에도 널리 활용되고 있으며 용도에 따라 비교적 큰 하중에도 견딜 수 있는 강도를 요구하고 있다. 이 연구에서는 미끄럼에 의한 안전사고를 예방하기 위하여 미 끄럼 방지 기능을 갖는 그레이팅 개발을 위하여 그레이팅의 스팬 길이와 베어링 바(bearing bar) 사이 간격에 의한 안정성 판단을 수행하고자 한다. 기존 제품은 대부분 일체형으로 주물에 의하여 제작되어 왔으나, 근래에 구조용강에 의한 스틸 제품의 그레이팅이 사용되고 있다. 이 스틸 그 레이팅은 배수 능력이 우수하고 강한 충격에도 견 딜 수 있는 내구성, 저렴한 가격 및 청소가 용이하다는 장점이 있어 기존 주물 제품을 대체하였다 [1]. 그러나 현재 사용 중인 스틸 그레이팅의 가장 큰 문제점은 베어링 바의 배치 구조로 인해 토사와 오물로 인한 배수기능의 저하 및 경사설치 시 미끄럼에 의한 안전사고를 유발할 수 있다는 것이다.

그레이팅 본체와 프레임임을 분리시킨 구조에 대한 연구를 통하여 그레이팅 본체는 탈착이 가능한 구조로 개선한 연구가 수행되었으며[2], 세로형 스틸 그레이팅의 응력과 변형에 관한 연구도 진행 되었다[3]. Kim 등[4]은 다구찌 기법과 솔리드웍스를 이용하여 그레이팅의 강성적 측면과 배수 성능적 측면에서 스틸 그레이팅의 설계 파라미터를 동시적으로 최적화시키는 방안에 대하여 연구하기도 하였다. 최근 미끄럼 방지용 금속 그레이팅의 구조해석을 위한 기초설계 및 해석 방법을 제시한 연구도 진행되고 있다.

이 연구의 목적은 Fig. 1에 도시한 바와 같이 미끄럼 방지용 그레이팅을 개발하기 위하여 설계 단계에서 설계 압력에 대한 그레이팅의 안정성을 판단하기 위함이다. 특히 그레이팅 스팬 길이와 베어링 바 간격의 영향에 대하여 구조해석을 수행하여 최적의 그레이팅 설계치수를 확보하고자 한다.

Fig. 1 Non-slip grating

2. 해석모델 및 해석조건

Fig. 2는 앞서 설명한 미끄럼 방지용 그레이팅의 설계도면을 나타낸 것으로, 2 mm 두께의 판재를 성형하여 베어링 바를 제작하고 이를 5 mm 두께의 엔드플레이트(end plate)에 용접하여 완성한다. 이 모델은 그레이팅의 형상을 비롯하여 배수율과 무게 등 여러 파라미터를 변경하여 얻어진 최종 모델이다.

Fig. 2 Analysis model(2D) of grating

구조해석에서는 Fig. 2에 표시된 베어링 바 사이의 간격(gap)을 3 mm, 8 mm, 그리고 15 mm 에 대하여 각각 해석을 수행하였으며, 간격이 3 mm인 경우 베어링 바의 수는 19개, 8mm 간격인 경우 18개, 그리고 15 mm 간격에서는 16 개가 사용되어 진다. 베어링 바 하나의 폭(width)은 50 mm이며 간격에 따라 그레이팅의 전체 폭은 각각 1,004 mm, 1,036 mm, 그리고 1,025 mm 로 결정되어지며 베어링 바의 높이는 38 mm로 동일하다. 또 동일한 폭에 대하여 스팬이 600 mm에서 2,700 mm까지 15개 스팬에 대하여 해석을 수행하였으며, 이 스팬의 크기는 일반적으로 그레이팅 제조업체에서 많이 사용되는 규격이다.

Table 1은 해석모델인 그레이팅의 재질인 SS400에 대한 기계적 물성치를 도시하였다.

Table 1. Material property

Fig. 3은 스틸 그레이팅의 내하중성 시험방법 및 조건을 나타낸 것으로 일반적으로 균일하중과 과부하 하중에 대하여 2가지 방법의 시험조건을 제시하고 있다.[5] 특히 상부 가압판의 두께는 50 mm 이상이며, 시험 받침대는 50 mm * 50 mm 의 치수 규격을 사용하도록 되어 있다. 따라서 구조해석 수행에 있어 위의 내하중성 시험방법에 근거하여 가압판 및 받침대를 별도로 모델링하고 해석을 수행하였다.

Fig. 3 Method of test and analysis

3. 구조해석 및 결과

그레이팅의 구조해석은 설계압력인 3kPa의 균일 하중조건에 대하여 Fig. 3(a)의 Light load type을 바탕으로 그레이팅 베어링 바의 간격과 스팬 크기에 따른 해석을 수행하였다.

그레이팅의 구조해석을 수행하기 전에 그레이팅의 내하중성 시험조건에서 제시한 가압판에 대한 해석을 먼저 수행하여 가압판의 변형이 그레이팅의 변형에 영향을 미치지 않는지를 판단하였다. 가압판에 대한 변형해석 결과 최대 변형이 약 0.0006 mm로 가압판의 변형이 그레이팅의 변형에 영향을 주지 않는다는 것을 확인하였다.

Fig. 4는 구조해석을 위한 그레이팅의 3D 모델링 유한요소 모델을 도시한 것이다. 3D 모델링의 경우 앞서 설명한 가압판 및 받침대가 모두 모델링 되어 있으며, 유한요소 모델은 편의상 그레이팅 부분만의 요소분할 모습만 도시하였다. 경우의 수(스팬, gap)에 따라 노드 및 요소수는 모두 일정하지 않지만, 가압판 및 받침대는 요소 크기를 10 mm, 그리고 그레이팅은 5 mm로 요소분할하여 해석을 수행하였다.

Fig. 4 Analysis model of grating

Fig. 5는 구조해석을 위한 경계조건을 도시한 것으로 가압판 상부에 설계압력인 3 kPa을 적용하였으며, 받침대 하부를 완전고정 조건을 부여하여 해석을 수행하였다. 이후 본문에서는 해석을 수행하는 경우 가압판 및 받침대의 해석결과가 모두 나타나지만, 관심 대상인 그레이팅의 해석 결과만을 표현하였다.

Fig. 5 Boundary conditions for analysis

Fig. 6에서 Fig. 8은 베어링 바의 높이가 38mm로 일정하고 스팬이 600인 경우 베어링 바 사이의 간격에 따른 구조해석 결과를 도시한 것이다. 최대 응력은 그레이팅의 스팬 및 간격과 관계없이 Fig. 6에서와 같이 받침대와 그레이팅이 접촉하는 부분에서 발생한다는 것을 알 수 있다. 최 대 변형은 그레이팅의 스팬 및 간격과 무관하게 그레이팅 엔드 플레이트의 바깥쪽 중앙 부분에서 발생한다.

Fig. 6 Analysis result(gap 8mm, 600span)

Fig. 7 Analysis result(gap 15mm, 600span)

Fig. 8 Analysis result(gap 3 mm, 600span)

Table 2는 전체 스팬 및 간격에 따른 구조해석 결과를 도시하였다. 여기서 S는 응력(MPa), D는 변형(mm), 그리고 wt(kg)는 질량을 나타낸다. 해석 결과 그레이팅 스팬의 길이가 길어질수록 응력은 더 커지며, 베어링 바 사이의 간격이 클수록 응력이 증가한다.

Table 2. Analysis result of grating

전체 해석 결과 최대 응력은 gap 15 mm, 스팬 2,700 mm인 경우 약 58.2 MPa로 그레이팅 재질의 항복강도와 비교하여 안전율이 약 4.3 정도로 매우 안정하다는 것을 알 수 있다.

그레이팅 스팬 길이와 변형(처짐)은 서로 비례적인 경향을 보이며, 베어링 바의 간격이 클수록 변형은 더 커진다는 것을 알 수 있다. 변형 해석 결과 최대 변형은 gap 15 mm, 스팬 2,700의 경우 약 0.36 mm로 그레이팅의 허용 처짐(5.4 mm)와 비교하여 매우 안정하다고 할 수 있다. 여기서 그레이팅의 허용 처짐은 그레이팅 길이를 500으로 나눈 값을 의미한다.

Fig. 9는 그레이팅의 해석 결과를 그래프로 도시한 것으로 응력의 경우 스팬이 1.2 m까지는 거의 응력 변화가 없으며, 전반적으로 스팬과 응력은 선형적으로 증가하는 경향을 보인다. 변형의 경우 스팬이 1.5 m까지는 간격에 관계없이 거의 유사한 값을 가지며, 이후 지수함수적으로 증가한다는 것을 알 수 있다.

Fig. 9 Analysis result of grating according to span

4. 결론

이 연구에서는 미끄럼 방지용 그레이팅을 개발하기 위하여 설계압력을 적용한 경우 그레이팅의 스팬과 베어링 바 간격에 의한 그레이팅의 안정성을 판단하였다.

그레이팅의 스팬과 응력 및 변형은 서로 비례적인 경향을 보이며, 응력의 경우 선형적으로 증가하고 변형의 경우 지수함수적으로 증가됨을 알 수 있었다. 베어링 바의 간격이 증가할수록 그레이팅의 응력 및 변형은 커지며, 최대 응력은 약 58.2 MPa로 그레이팅 재질의 항복강도와 비교하여 약 4.3의 안전율로 매우 안정함을 알 수 있었다. 베어링 바의 간격이 3 mm와 15 mm의 경우 스팬 2,100 mm에서 최대 40 % 이상의 응력증가 를 보였다.

이 연구 결과를 바탕으로 향후 최적설계를 수행하여 미끄럼 방지용 그레이팅의 최적치수 결정을 위한 기초 데이터로 활용될 수 있을 것이라 판 단된다.