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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.4 pp.8-13
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.4.008

Design of Debris Barrier with Vertical Screen Gate using GFRP Material

Dongik Kim1, Sangmoon Lee2, Wooyoung Jung3
1Graduate Student, Department of Civil Engineering, Gangneung-Woju National University, Gangneung, Korea
2Ph.D. Student, Department of Civil Engineering, Gangneung-Woju National University, Gangneung, Korea
3Professor, Department of Civil Engineering, Gangneung-Woju National University, Gangneung, Korea

본 논문에 대한 토의를 2019년 2월 28일까지 학회로 보내주시면 2019년 3월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: WooYoung Jung Department of Engineering, Gangneung-Wonju National University, 7 Jukhun-gil, Gangnenung, Korea. Tel: +82-33-640-2421, Fax: +82-33-646-1391, E-mail: woojung@gwnu.ac.kr
November 9, 2018 November 12, 2018 November 13, 2018

Abstract


When rain falls on deserted mountain or valley, the overflow driftwood prevention structure that inhibits the outflow of soil, rock, and timber is shocked and paralyzed, and it takes a lot of time and money to recover. The purpose of this study is to evaluate the safety of driftwood prevention structural materials and to evaluate the feasibility of replacing steel structural materials with GFRP by dividing the material characteristics into steel and GFRP. Using the Abaqus finite element analysis program as a method of evaluation, the safety of steel and GFRP was compared and the possibility of substitution was evaluated. Analysis results of Abaqus Tsai-Hill Failure Criteria showed that GFRP could be replaced with structural material. However, since this study is only a result of numerical analysis, it is necessary to conduct more experimental studies for functionality and economic in future.



GFRP를 활용한 수직형 스크린 게이트 설계

김 동익1, 이 상문2, 정 우영3
1강릉원주대학교 토목공학과 석사과정
2강릉원주대학교 토목공학과 박사과정
3강릉원주대학교 토목공학과 교수

초록


황폐된 산지나 계곡에서 폭우 시 토사, 암석 및 임목 등의 유출을 억제하는 투과형 스크린 구조물이 충격을 받아 기 능이 마비되고, 복구하기에 많은 시간과 유지관리 비용이 든다. 본 연구는 이러한 피해와 문제를 줄이기 위하여 투과형 스크린 방지 구조재의 안전성을 평가하고 시공재료를 강재와 GFRP 복합재료로 나누어 강재 구조재의 GFRP 구조재로 대체 가능 여부 를 평가하고자 한다. 해석적 안전성 평가는 Abaqus 상용프로그램을 이용하여 각 재료에 대한 안전성을 비교, 평가하였고 이를 통하여 GFRP 복합재료의 적용성에 대한 가능여부를 평가하였다. 복합재료 안전성 평가에 있어 Tsai-Hill Failure Criteria를 적용 하였으며 강재에 비하여 충분히 안전하다는 결과를 얻었다. 하지만 본 연구는 수치해석을 통한 결과일 뿐이므로 향후 실험 및 기능성, 경제성에 대한 분석 또한 수행될 필요가 있을 것으로 판단된다.



    1. 서 론

    사방댐은 황폐화된 산지나 계곡에서 유출되는 토사 나 자갈을 저류(貯留) 시키기 위하여 만들어진 구조 물로서 물의 이동을 조절하는 목적으로 강에 설치되 는 일반 콘크리트 댐과는 다른 목적의 구조물이다. Fig. 1(a)와 같은 조물을 투과형 유목 및 토석류 방지 구조물, 즉 사방댐이라 한다.

    Fig. 1에서 보이듯 투과형 사방댐은 고정식으로 만들어져 있어 폭우 시 토사, 암석 및 유목 등이 걸 리게 되면 이로 인해 구조물의 월류 기능이 마비되 거나, 유목방지 구조물이 손상되어 토석 및 유목을 막지 못하고 하류로 흘려보내게 된다. 계곡 하류로 흘러간 토석 및 유목은 하류 부근의 농경지나 인가 에 2차 피해를 발생시킬 수 있다. 이렇게 제 기능을 하지 못하게 된 투과형 사방댐은 해체가 어렵기 때 문에 원상태로 복구하기 위해서는 많은 시간과 비용 이 든다. Fig. 1(b)는 손상되어 제 기능을 하지 못하 는 산악지역 유목방지 구조물을 보여주고 있다.

    최근 홍수 및 산사태가 급증하면서 제 기능을 하 지 못하는 투과형 사방댐 구조물도 늘어나고 있고 이들 구조물에 대한 기능복원을 위한 유지관리 비용 도 점차적으로 증가하고 있다. 본 연구에서는 기존 투과형 유목방지 구조물의 문제점을 분석하고 이들 구조물의 유지관리 비용을 저감하기 위하여 설계 시 고려된 H-Beam 강재 재료를 내 부식성이 강한 GFRP 재료로 대체하여 설치하는 것에 대하여 연구 하였다. 이를 위해 상용 유한 요소해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 투과형 철제 스크린 구조재를 각각의 재료에 따라 설계하고 발생 가능한 토석류 및 유목 등의 설계하중에 의하여 충돌 시 구조물의 안전성을 평가, 비교하여 저 중량 고강도 GFRP 구 조재로 대체 가능 여부를 평가하고자 한다.

    2. 평가 개요 및 방법

    2.1 평가 개요

    2.1.1 하중 산정

    사방댐 내 투과형 스크린 구조물이 수중 위어의 상 태가 되면 상⋅하류의 정수압은 무시하고, 급류 구 간에서의 큰 유속을 고려한 동수압만을 구조물에 반 영한다. 이에 따라 표면 유속을 2.0∼5.0 m/s 로 선정하 고 아래와 같은 식 (1)에 표면 유속을 적용하여 동수압 을 결정하였다. 변수 K 는 단면형상에 따른 저항계수 이며, 검토되는 월류식 유목방지 구조물의 단면이 사각 형이므로 저항계수 K 는 장방형 0.07을 적용하였다.

    P k = K V 2 A 2
    (1)

    여기서, Pk 는 동수압 (KN), K 는 단면형상에 따 른 저항계수 (장방형 : 0.07, 원형 : 0.04) 이다.

    집중 호우로 인한 우수의 흐름에 의해 토사, 토 석, 유목 등이 원지반으로부터 분리되어 이동하는 것을 유송 잡물이라 하며, 이 유송 잡물에는 물보다 가벼운 부유물질과 물보다 무거운 이동물질, 또는 두 가지가 혼합된 형태로 이동하게 된다고 한다. 이 유송 잡물의 충돌로 인해 발생하는 하중은 산악지 도로설계 매뉴얼에서 발췌한 식 (2)를 이용하여 하중 을 결정하였다. 토석류와 관련된 하중은 현장 조건 에 따라 달라지므로, 본 연구의 검토에서는 하중을 2.0 ton 으로 가정하였다.

    P = 0.1 × W υ
    (2)

    여기서, P 는 충돌력 (KN), W 는 유송잡물의 중 량 (KN), υ 는 표면 유속 (m/s)이다.

    2.1.2 설계하중 조건

    투과형 스크린 구조물에 작용하는 설계하중은 충격 하중과 식 (1)에서 계산된 동수압, 식 (2)에서 계산된 유송잡물의 하중을 더해 고려하였고 설계하중은 20KN 으로 계산되었다. 이를 유목방지 구조물 H-Beam 의 하단으로부터 1.2m 높이에 해당하는 지점에 적용하였 다. Fig. 2와 같이 설계 하중을 H-Beam 에 집중하중 으로 가한다.

    2.2 대상구조물 수치해석 모델링

    2.2.1 구조물 유한요소 모델링

    수치해석 시 모델링은 실제 현장에서 사용되고 있는 투과형 스크린 구조물을 대상으로 하였고 Fig. 3와 같이 실제 현장 시공된 사방댐의 설계도면을 통하여 모델링을 수행하였으며 최종 형상은 Fig. 4에서 보이 는 바와 같다. 본 연구에서 고려된 투과형 스크린 구조형 사방댐의 전체 폭은 25m이며 높이는5.8m이 다. 투과형 스크린 구조물의 독립적인 거동분석을 위하여 Fig. 5와 같이 전체 구조물을 4개의 Parts로 나누어 구성하고 적용된 재료 물성치를 입력하였다. 투과형 스크린 구조재의 경우 H-Beam형상으로 설계 되었으며 강재나 GFRP 모두 300×300×10×15 크기로 모델링 하였다. 일반적으로 투과형 스크린 구조물은 댐 형상의 콘크리트 위에 고정 Plate를 설치하고 그 위에 H-beam을 세우고 각 구조물간 Wire로 연결되 어 시공되므로 수치모델 시 각 파트별 접합조건은 Constrains option의 Tie를 사용하여 각각의 파트가 연 결될 수 있도록 고려하였다. 대상구조물의 경계조건 으로는 실제 지반에 매립되어 현장 시공되어 있는 상황을 고려하여 사방댐 하부는 지반과 완전 지지된 고정단으로 가정하였다.

    2.2.2 재료 물성치 및 GFRP 파괴이론

    투과형 스크린 사방댐에 적용된 시공재료로는 본체 의 경우 콘크리트로 정의하였고 하부 고정 plate와 연결 Wire는 실제 사용된 강재의 물성치를 적용하였 다. Table 1은 해석 시 적용된 강재의 물성치로서 사 방댐 시설물에 일반적으로 사용하는 강재는 SS275로 서 실제 상용되고 있는 물성치를 사용하였다. GFRP 의 경우 적용된 물성치는 Table 2와 같으며 등방성 재료인 강재와 달리 이방성 재료의 성질을 같는 GFRP의 특성을 고려하여 강재와는 다른 failure Criteria에 의하여 부재항복 및 파괴에 대한 가능여부 를 평가하였다.

    일반적으로 강재로 적용된 구조부재에 대하여 이 를 GFRP 구조재로 대체 가능한지를 검토하기 위해 서 유송 잡물의 하중이 작용 할 때 부재에서 발생하 는 안전성을 검토해야한다. GFRP의 경우 안전성 평 가 시 이방성 소재에 대해 다양한 failure criteria들이 존재하는데 본 연구에서는 Tsai-Hill 항복 조건식을 이용하여 검토하였다. 본 연구에 적용된 Tsai-Hill 파 괴이론은 아래와 같으며 최종적으로 산정된 적용재 료의 파괴응력은 Table 3과 같다.

    ( G + H ) σ 1 2 + ( F + H ) σ 2 2 + ( F + G ) σ 3 2 2 H σ 1 σ 3 2 G σ 1 σ 3 2 F σ 2 σ 3 + 2 L τ 23 2 + 2 M τ 13 2 + 2 N τ 12 2 = 1
    (3)

    여기서 F, G, H, L, M, N 은 Failure strength parameters 이고 Failure strengths X, Y, Z, S 와 다음과 같은 관계식이 성립한다.

    G + H = 1 X 2 F + H = 1 Y 2 F + G = 1 Z 2
    (4)

    2 F = 1 Y 2 + 1 Z 2 + 1 X 2 2 G = 1 X 2 + 1 Z 2 + 1 Y 2 2 H = 1 X 2 + 1 Y 2 + 1 Z 2 2 N = 1 S 2
    (5)

    식 (3)에서 평면응력 상태에 있는 재료의 섬유방 향의 좌표축을 1, 평면 내의 섬유에 수직한 좌표축 을 2로 취하면 σ 3 = τ 13 = τ 23 = 0 이 되며, 식 (3)을 식 (4), 식 (5)를 이용하여 정리하게 되면 식 (6)으로 정 리 할 수 있다.

    σ 1 2 X 2 σ 1 σ 2 X 2 + σ 2 2 Y 2 + τ 12 2 S 2 = 1
    (6)

    섬유의 방향이 전체 좌표축과 각도를 이루고 배치되어 있는 경우 σ 1 = σ x cos 2 θ , σ 2 = σ x sin 2 θ , τ 12 = σ x sin θ cos θ 이므로 식 (6)을 정리 하면 Tsai- Hill 의 조건식은 식(7)과 같이 정리된다.

    cos 4 θ X 2 + ( 1 S 2 1 X 2 ) cos 2 θ sin 2 θ + sin 2 θ Y 2 = 1 σ x 2
    (7)

    3. 해석 결과 비교

    3.1 투과형 강재 스크린 구조재 거동 평가

    강재를 투과형 스크린 구조재로 사용하였을 때 도출 된 해석결과이다. Fig. 6는 충격 설계하중 작용 시 투과형 강재 스크린을 통하여 전달된 하중에 대하여 사방댐 콘크리트 본체에서 발생한 응력분포도를 나 타낸다. 콘크리트 본체와 고정 Plate 사이에서 큰 응 력집중이 발생하는 것이 보여지며 발생한 응력값은 Table 4와 같다. Fig. 7은 외부충격 발생 시 투과형 스크린 구조재에서 발생한 응력분포도로서 발생된 응력값은 Table 5와 같으며 발생된 최댓값이 허용응 력 내에 있다는 것을 알 수 있다. 이때 SS275의 항 복응력은 275 MPa이며 안전계수 고려 시 165 MPa 이다.

    3.2 GFRP 투과형 스크린 구조재 거동 평가

    투과형 스크린 구조재로 GFRP 복합재료를 적용한 해석 결과는 아래와 같다. Fig. 8은 외부충격에 의한 GFRP 구조재 내 응력발생 시 Tsai-Hill Failure Criteria에 의한 파괴지수에 대한 분포도로서 Plate 와 투과형 H-Beam 구조재가 접하는 부분과 압축에 비 해 인장을 받는 부분에서 파괴지수 값이 상대적으로 크게 나타남을 볼 수 있다. Tsai-Hill 파괴기준에서는 지수값이 1.0을 파괴 한계점으로 규정하는데 본 해 석 결과 설계기준 대비 외부충격에 대하여 1.0을 넘 어가는 부분은 발생하지 않음을 알 수 있었다. Table 6에서 보이듯 해석에서 발생한 Tsai-Hill Failure Criteria 파괴지수의 최댓값이 0.28이므로 GFRP 구조 재를 대체하여 사용했을 때 매우 안전하게 지지됨을 알 수 있었다.

    4. 결 론

    본 연구에서는 사방댐 내 투과형 스크린 구조물로 일반적으로 사용되는 H-Beam 형상의 구조재에 대 하여 기존의 강재에서 저 중량 고강도 GFRP 복합 재료로 대체 시 구조적 안전성 평가에 대하여 상용 유한요소해석 프로그램인 Abaqus를 이용하여 검토 하였다.

    해석 결과 설계기준에 의한 외부충격 시 투과형 강재 스크린 구조재의 경우, 허용 휨 인장 및 허용 압축 응력 모두 설계기준에 적합하게 시공, 설치된 것으로 나타났으며 GFRP로 대체된 투과형 스크린 구조재의 경우, 해석결과에서 보이듯 최대 Tsai-Hill 파괴지수 값이 0.28로서 파괴지수 한계값인 1.0에 비 하여 매우 작게 발생하는 것으로 나타났다. 본 연구 에서는 수치해석에 앞서 기존 설계하중의 문제점을 보완하여 토석류에 의한 충격하중을 부가적으로 고 려한 설계하중을 제시하여 안전성평가를 수행하였으 며 이들 개선 설계하중 작용 시 투과형 스크린 구조 재로 GFRP재료를 적용하여도 구조적인 측면에서 안 전성에 큰 문제점이 발생하지 않음을 알 수 있었다.

    향후 사방댐의 경우 산악지역 내 설치되는 구조 물로 접근이 어렵고 강재에서 발생되는 부식 등으로 인한 유지관리 문제점을 고려할 때 내부식성과 강성 이 큰 GFRP재료로 대체하는 방안도 향후 기능성, 경제성 등의 애로사항이 없는 한 좋은 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 국토교통부 플랜트연구사업의 연구비지원 (18IFIP-B128598-02)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

    KOSACS-9-8_F1.gif
    overflow driftwood prevention structural
    KOSACS-9-8_F2.gif
    Applied Load to the H-beam
    KOSACS-9-8_F3.gif
    Design configuration of the proposed structure
    KOSACS-9-8_F4.gif
    FE model of the proposed structure
    KOSACS-9-8_F5.gif
    FE model of each component in the structure
    KOSACS-9-8_F6.gif
    Maximum stress of the concrete body
    KOSACS-9-8_F7.gif
    Maximum stress of the vertical steel screen
    KOSACS-9-8_F8.gif
    Failure Contour of the vertical GFRP screen

    Table

    Mechanical properties of steel
    Mechanical properties of GFRP composite
    Failure stress of GFRP Screen
    Result of maximum stress occurred at the concrete body
    Result of maximum stress occurred at the vertical steel screen
    Numerical Results of the vertical GFRP screen

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