2.3 현장실험을 통한 수직도 확보기술 성능 검증
2.3.2 설계 및 구조안정성 검토
가. 상부 와이어 배치에 따른 수직도 변화
본 절에서는 수직도 보정을 위한 리프팅시스템의 프레임과 크레인간의 연결 시 사용되 는 와이어의 배치에 따른 수직도 변화를 평가하였다. 범용구조해석프로그램인 ABAQUS 6.12를 사용하였으며, 효율적인 수직도 제어를 위해서는 원형강관 상부에 120°간격으로 세 기의 실린더가 필요하다고 판단되었으며, 이의 설치를 위한 삼각형의 프레임을 적용하 였다. 프레임은 아래 그림에 나타낸 것과 같은 I단면의 빔으로 구성되며, 삼각형의 각 꼭짓 점에서 대변의 중심부까지 브레이스를 배치하였다. 배치된 상부 와이어의 배치에 따라 원 형강관의 변위 변화를 예측하고자 하였으며, 아래 그림과 같이 상부의 한 지점에서 프레임 꼭짓점에 각각의 와이어를 배치한 경우와 삼각프레임의 무게중심점에 와이어를 배치하는
경우를 모델링하여 비교해석을 수행하였다. 경계조건은 와이어 상부가 병진방향으로는 모 두 고정된 것으로 가정하였으며, 원형강관이 관입 시 경사를 이루며 관입되는 경우를 모사 하기 위하여 원형강관 하부에 편심하중을 재하하였다.
I빔 단면
삼각프레임 평면도
그림 2.34 리프팅케이블 배치에 따른 원형강관 거동검토 수치해석 모델링
해석 결과, 아래 그림과 같이 크레인과 프레임이 3개의 와이어로 연결되는 경우가 하나 의 와이어로 연결되는 경우에 비해 최대수직 변위가 15% 정도로 나타났으며, 아래 결과에 서 볼 수 있듯이 동일한 하중에 대하여 두 모델의 변화각인 와 ′도 수직도 측면에서 많은 차이를 보였다. 상부와이어를 1개 지점에 연결하는 경우, 하나의 대용량 와이어만을 사용하여, 경제성 측면에서 유리할 수 있으나, 이 경우에는 안전성확보가 어렵고, 수직도 제어에 불리하여 방사형으로 와이어를 배치하여야 할 것으로 판단된다.
그림 2.35 와이어의 개수에 따른 수직도 변화 예측을 위한 수치해석 결과
나. 와이어와 원형강관이 이루는 각도 변화에 따른 구조안전성 평가
유압 엑츄에이터가 프레임에 배치되어 엑츄에이터의 변위를 제어하여 수직도를 보정하 는 리프팅시스템은 여건에 따라 프레임을 적용하지 않고 크레인과 원형강관을 연결하는 와이어 사이에 엑츄에이터를 직접 연결하여 사용이 가능하다. 이때에 와이어와 원형강관 사이의 연결각도에 따른 원형강관의 구조안전성을 평가하였다. 범용구조해석프로그램인 ABAQUS 6.12를 사용하였으며, 4개의 와이어를 사용하여 수직도를 제어하는 시스템을 모사 하였다. 와이어와 원형강관사이의 연결각도가 각각 50°, 60°, 75°, 90°가 되는 경우를 고려하였으며, 연결각이 90°인 경우는 리프팅시스템의 프레임을 사용하는 것으로 생각할 수 있다. 아래 그림과 같이 4가지 case에 대하여 모델을 만들고 경계조건은 와이어 최상부 가 병진방향에 대하여 고정되어 있는 것으로 가정하고 각각의 case에 대하여 동일한 하중 을 원형강관 하부에 재하하였다.
Case01: ϴ = 50° Case02: ϴ = 60° Case02: ϴ = 75° Case04: ϴ = 90°
그림 2.36 연결 와이어의 각도에 따른 리프팅시스템 모델
Case01 Case02 Case03 Case04
연결
각도 50° 60° 75° 90°
연결부
수직력
·sin(50°)=0.77
·sin(60°)=0.87
·sin(75°)=0.97
·sin(90°)=
연결부수평력
·sin(50°)=0.64
·sin(60°)=0.50
·sin(75°)=0.26
·sin(90°)=0
= 장력표 2.9 원형강관과 와이어의 연결각도에 따른 연결부의 수직력과 수평력
각각의 case별 원형강관과 와이어의 연결부에 작용하는 수평력은 연결각도가 감소할수 록 증가하며, 그에 따라 연결부에서 발생하는 응력이 증가한다. 이러한 응력의 증가는 원 형강관의 변형을 유발할 수 있으며, 이를 해결하기 위해서는 원형강관의 두께를 증가시켜 야한다.
원형강관 변형의 발생을 피하기 위해 필요한 최소각도는 원형강관의 두께에 따라 변화 하지만 연결각도가 늘어나면 요구되는 와이어의 길이가 길어진다. 와이어의 길이가 증가하 면 제어가 어렵고 시스템의 효율성이 떨어진다. 따라서 연결각도와 원형강관의 두께에 대 한 제한 범위를 선정하여 범위 내에서 두 인자를 조절할 필요가 있다. 하지만 리프팅시스 템의 프레임을 사용하는 경우 수평력 발생 방지가 가능하며, 원형강관과 프레임을 연결하 는 와이어의 길이도 감소할 수 있어 프레임을 사용하는 것이 효과적일 것으로 판단된다.
아래에는 4가지 case에 대한 수치해석 결과를 나타내었다. 위에서 언급한 바와 같이 연 결부의 각도가 감소함에 따라 수평력이 증가하여 수평발생응력이 증가하는 것을 확인할 수 있다.
그림 2.37 연결 와이어의 각도에 따른 수치해석 결과
다. 현장실험에서의 리프팅시스템 적용 방안 검토 1) 프레임 유무에 따른 리프팅시스템 구성안
대형 원형강관의 수직도 제어를 위한 리프팅시스템을 아래 그림 구성안 2와 같이 대각 선의 길이가 원형강관의 직경과 동일한 사각 프레임에 4기의 엑츄에이터를 배치하여 구성 하였다. 그러나 본 현장실험용 원형강관은 직경이 5m로 프레임을 적용하지 않고 크레인과 리프팅케이블을 이용하여 원형강관 설치가 가능하다. 따라서 아래 그림 구성안 1과 같이 4 기의 실린더를 와이어에 직접 연결하여 배치하는 리프팅시스템을 구성하였다. 앞서 언급한 바와 같이 리프팅케이블의 길이는 원형강관과 와이어간의 연결부에서 발생하는 수평력의 감소를 위해서 10 m 길이의 와이어를 사용하여 연결각이 75.5°가 되도록 하였다.
리프팅시스템 구성안 1 리프팅시스템 구성안 2 표 2.10 리프팅시스템 구성안
2) 리프팅시스템의 와이어 연결부 구성안
크레인과 원형강관 사이에 수직도 보정 시스템을 적용하기 위하여 사용 가능한 연결방 법에는 여러 가지가 있을 수 있다. 와이어와 시스템간의 연결 시에는 연결부에서 발생 가 능한 응력집중현상을 해결해야하며, 이는 연결방법에 사용되는 부재와 시스템이 연결되는 부분의 단면적을 조절하여 해결이 가능하다. 앞에서도 언급했던 시스템의 프레임과 와이어 의 연결부에 lifting lug 또는 pad eye와 같은 인양고리형태의 부재를 사용 가능하며, 이와 연결되는 와이어 말단 부는 다양한 와이어 슬링 중에서 작업 환경에 따라 사용이 용이한 방법을 선택하여 사용 가능하다.
본 현장실험의 경우 리프팅시스템의 상부 프레임을 사용하지 않고 크레인에서 유압 엑 츄에이터를 직접 연결하고, 엑츄에이터 하부에 원형강관을 연결하여 실험이 진행되었다.
이때에 사용되는 연결방법을 아래와 같은 두 가지 안으로 제안하였다. 인양물과 와이어 또 는 슬링벨트를 결속, 와이어와 크레인 후크를 결속하는데 사용하는 줄걸이 결속도구인 샤 클(Shackle)을 주로 사용하였다. 작용하는 하중에 따라 샤클의 종류를 선택하여 사용가능하 며, 샤클과 샤클 사이에는 슬링벨트를 사용하거나 장력계를 설치하고 상하 회전이 자유로 운 스위벨(Swivel)을 배치하여 부재들의 꼬임을 방지한다. 1안과 2안은 엑츄에이터를 기점 으로 사용되는 연결 부재가 상하 대칭이며, 2안의 경우 현장실험 시 스위벨이 최상부에 위 치하고 있어 하부의 장력계 및 엑츄에이터에 사용되는 출력라인 및 전력라인들의 꼬임현 상이 발생하기도 하였다. 추후 현장 적용 시에는 스위벨과 외부 데이터출력 및 전력공급 라인과의 위치선택을 적절하게 선택할 필요가 있다.
그림 2.38 와이어 연결방법(안)
라. 리프팅케이블 개별 길이제어 시스템 설계 및 제작 1) 유압 엑츄에이터 시스템
현장실험용 원형강관은 전체 중량이 약 50ton 정도로 설계되었고 인양 및 거치용 리프 팅케이블은 네 줄이 연결되는 것으로 계획되어 각 케이블당 하중은 25톤 정도로 설계된 것으로 확인하였다. 본 실험에서의 원형강관은 직경이 5m, 중량도 50톤 정도로 상대적으로 크지 않았기 때문에 가이드프레임을 별도로 적용하지 않았다. 이에 리프팅케이블의 길이조 절을 위해 실린더 타입의 유압 엑츄에이터 장착은 케이블에 바로 연결시키는 방식으로 적 용하였으며, 케이블의 설계하중과 동일하게 하중조건을 25ton 규격으로 설계하였다. 엑츄 에이터의 스트로크는 45cm로 설계하였다. 엑츄에이터 양 끝단에는 와이어 및 원형강관 러 그에 연결할 수 있도록 핀 타입으로 설계하였다. 엑츄에이터 구동을 위해 펌프는 2HP을 적용하였고, 펌프에는 sol valve를 설치하여 유압을 조절하여 피스톤 전/후진 작동속도를 조절할 수 있도록 하였다. 본 현장실험에서의 피스톤 조절속도는 1cm/sec로 설정하였다.
유압 엑츄에이터와 펌프는 호스로 연결하였고, 10,000psi의 규격에 유압이 고르게 전달될 수 있도록 복동타입(엑츄에이터에 호스 2개)으로 적용하였다.
유압 엑츄에이터 피스톤의 전진 및 후진이 버튼식으로 작동하도록 컨트롤러와 패널을 설계하였다. 4개의 엑츄에이터가 하나의 펌프에 연결하도록 되어 있으며, 각 개별 엑츄에
이터가 독립적으로 작동할 수 있도록 설계하였다. 경우에 따라서는 2~4개 엑츄에이터를 동 시에 조절하는 것도 가능하도록 설계ㆍ제작하였다. 유압 엑츄에이터 구동을 위하여 발전기 (5kW)를 구성하여 다음 그림과 같이 유압 엑츄에이터 및 구동시스템을 완성하였다.
(a) 유압 엑츄에이터
(b) 유압펌프
그림 2.39 리프팅케이블 길이조절용 유압 엑츄에이터 및 펌프시스템 설계도면