[재료역학]천장크레인 거더부 설계보고서

소개글

[재료역학]천장크레인 거더부 설계보고서에 대한 보고서 자료입니다.

목차

Ⅰ. 설계 목표 설정
1. 과제선정 배경
2. 설계 목표
3. 추진 일정 및 업무 분담

Ⅱ. 설계
1. 설계사양 결정
1-1. 천장크레인의 종류 결정
1-2. 거더의 길이
1-3. 거더의 재질 선정
1-4. 거더의 형상 결정
1-5. 거더부에 작용하는 하중과 자중
1-6. 거더부의 최대 처짐량
1-7. 안전율의 산정
2. 모델링
3. 천장크레인 거더부의 내부력 해석
3-1. 지지점의 반력 산정
3-2. 보의 전단력 선도와 모멘트 선도
3-3. 굽힘 모멘트에 의한 보의 최대굽힘응력
3-4. 굽힘 모멘트에 의한 보의 최대전단응력
3-5. 전단력에 의한 최대전단응력
3-6. 보의 최대 처짐각
3-7. 보의 최대 처짐량
3-8. 보에 저장되는 변형에너지

Ⅲ. 거더부의 안전성 평가
1. 거더부의 강성도 평가
2. 거더부의 강도 평가

Ⅳ. 결론

Ⅴ. 참고 문헌

본문내용

음과 같다.
전단력의 최대값은 그림 3의 A점과 B점에서 발생하며 그 크기는 각 지점의 반력과 같으며 그림 7의 전단력 선도에도 나타나있다. 도심 바깥쪽 부분에 대한 단면 1차 모멘트는 아래와 같이 계산할 수 있다.
결론적으로 보의 최대전단응력응 다음과 같이 계산된다.
3-5. 전단력에 의한 최대전단응력
전단력에 의해서 최대전단응력은 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.
그림 7의 전단력 선도에 의하면 전단력의 최대값은 아래와 같이 나온다.
따라서 전단력에 의한 최대전단응력은 다음과 같다.
3-6. 보의 최대 처짐각
보의 처짐각 또한 중첩법에 의거하여 구할 수 있다. 먼저 그림 9의 분포하중이 작용할 때의 처짐각과 처짐량식을 유도해 보자.
그림 9
그림 10
다음으로 그림 10과 같이 집중하중이 작용할 때의 처짐각과 처짐량식 또한 위와 동일한 방법으로 2개의 구간에 각각 2개의 처짐미분방적식을 세워 4개의 처짐미분방정식과 2개의 경계조건(x=0 일때 v=0, x=L 일때 v=0)과 2개의 연속조건(x=L/2에서 보의 두 구간에 대한 기울기는 같다, x=L/2에서 보의 두 구간에 대한 처짐은 같다.)으로 식을 유도하면 아래와 같은 식이 나온다.
이제 그림 3의 모델링한 보의 최대처짐각을 중첩법에 의거하여 구하면 아래와 같다.
단, 재료(SS400)의 세로탄성계수 E=205GPa이다.
3-7. 보의 최대 처짐량
보의 최대 처짐량은 3-6에서 유도한 최대처짐량 공식을 중첩법을 이용하여 계산하면 다음과 같이 나온다.
3-8. 보에 저장되는 변형에너지
보에 저장 되는 변형에너지는 다음과 같이 구할 수 있다.
그림 8에 나오는 모멘트 선도의 방정식은 중첩법을 이용해서 3-2에서 구했으며 아래와 같다.
위의 모멘트 방정식을 이용해서 그림3의 보에 저장되는 변형에너지를 구하면 다음과 같다.
Ⅲ. 거더부의 안전성 평가
1. 거더부의 강성도 평가
이번 싱글거더형 호이스트식 천장크레인의 거더부를 설계하면서 강성도 설계부분에서 2번의 실패를 하였다. 실패의 원인은 중앙의 집중하중과 Span의 길이에 비해서 거더부의 단면2차모멘트값이 작아서 처짐량이 터무니 없이 크게 나왔다. 2번의 실패를 통해서 강성도 평가에 알맞은 I빔의 단면2차모멘트 값을 실험적으로 찾을 수 있었다. 1-6의 설계 사양의 결정에서 강성도 평가에 필요한 처짐량을 Span의 1/800으로 설정하였고, 최종설계에서 나온 최대 처짐량의 값은 3-7에 의해서 아래와 같이 구하였고,
이 결과는 다음과 같이 나타난다.
따라서 설계한 천장크레인은 강성도 면에서 안전하다고 판단할 수 있다.
2. 거더부의 강도 평가
거더부의 강도를 평가하기 위해서는 굽힘과 비틀림이 동시에 작용하는 조합응력을 고려해야 한다. 여기서 굽힘모멘트에 의한 굽힘응력과 비틀림모멘트에 의한 비틀림응력의 조합응력은 Rankine의 최대주응력선과 Guest의 최대전단응력선에 의해서 각 각
으로 나타난다.
3-3과 3-5에서 굽힘모멘트에 의한 최대굽힘응력과 전단력에 의한 비틀림응력을 다음과 같이 구하였고 이를 통해 조합응력을 알아보면 아래와 같다.
1-7에서 산정한 안전율 4를 적용하여 허용응력과 허용전단응력을 구하고 설계한 값과 비교하여 안전성을 검토한다.
여기서 S는 안전율, 는 항복강도, 는 허용응력을 나타낸다.
가 된다.
거더의 재료인 SS400의 항복강도는 한국산업표준 KS D 3503 일반 구조용 압연강재에 명시되어 있고, 그 크기는 235N/mm2이다. 각 각의 허용응력을 계산하게 되면
으로 나오고, 위에서 구한 최대굽힘응력()은 53.494MPa이고, 최대전단응력()은 26.773MPa로 각 각의 허용응력 안에 들어가기 때문에 설계한 천장크레인의 거더는 강도면에서 안전하다고 판단할 수 있다.
표2. 기계적 성질(KS D 3503)
Ⅳ. 결론
산업현장에서 실용적으로 쓰이는 천장크레인을 개략적으로 설계하였다. 크레인 거더의 자중과 거기에 호이스트 및 하물에 의한 집중하중을 고려하여, 이에 합당한 허용응력, 항복응력, 안전계수 등을 고려하여 평가하고 설계치를 산정하여 치수 및 재료를 결정하였다. 설계에 들어간 가정은 첫째, 천장크레인의 거더를 단순보로 해석하고 크레인 거더의 자중을 균일 분포하중으로 고려하였다. 비록 천장크레인에 여러 가지 장치가 있어서. 각각 위치에 다라 자중이 서로 다르게 작용하지만, 단순한 재료역학적 해석을 위해서 균일 분포하중으로 해석을 하였다. 둘째, 보에 작용되는 호이스트를 포함한 물체의 걸리는 힘은 중앙점으로 고려한다. 크레인의 이동 및 물체의 이송 등으로 이동하중으로 보를 해석하여야 하나, 설계상에 필요한 지식의 부족과 자료의 부족으로 인해 보에 작용하는 하중을 중앙점 집중하중으로 고려하여 설계하였다. 기둥의 자중까지 고려한다면 위의 이론 공식보다는 수치해석적 기법을 사용하여 푸는 것이 보다 정확하고 정밀한 설계가 되겠지만, 이번 과제에서 주어진 목적에 맞게 우리는 직접우리가 재료를 산정하고 이에 합당한 치수등을 고려하였다. 향후 설계 과제로는 프로그램을 이용한 본 모델의 시뮬레이션으로 복잡한 풍향의 영향까지 고려한 보다 고차원적인 응력 해석 및 기구학적 해석을 하여 조금 더 현실적인 천장크레인이 다양한 작업 조건에서 사용될 수 있고 가격 경쟁력까지 갖추도록 설계하는 것이 되겠다.
Ⅴ. 참고 문헌
1) 문덕홍 외 5명, “재료역학 Mechanics of Materials”, 두양사, pp. 1~608, 2010년
2) 한국산업표준 KS D 3502 열간압연 형강의 모양, 치수 및 무게와 그 허용차
3) 한국산업표준 KS B 6228 천장크레인
4) 한국산업표준 KS B 6843 호이스트식 크레인
5) 한국산업표준 KS D 3503 일반 구조용 압연강재
6) http://www.shinwonsteel.co.kr/ 신원스틸(주)
7) http://www.ajhc.co.kr/ 아주산업기계(주)
8) http://blog.naver.com/kyh950326/80002640496 크레인의 종류 및 용도
9) 70271 운반하역기계설비일반 시방
10)70272 천정크레인 시방
11) 산업안전보건법 크레인 제작기준 · 안전기준 및 검사기준

키워드

거더부설계,   거더부설계보고서,   재료역학