기존의 강관이나 주철관 그리고 시멘트 관은 시간의 경과에 따르는 노화현상을 피할 수 없으며, 특히 금속관은 부식으로 인한 수질 악화문제가 크고 누수에 따른 부족한 수자원 보존과 활용에 있어 예기치 않은 문제를 발생시켜 왔다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방안으로 지하매설용 유리섬유복합관을 사용하는 것이다. 유리섬유복합관은 충격에 대한 저항성이 우수하고 수명이 50년$\sim$100년 정도로 반영구적이다. 특히 뛰어난 내구성과 시공성이 탁월하여 신소재로 각광받고 있다. 그리고 중량이 가벼워서(강관의 1/4, 시멘트 관의 1/10) 운반 및 설치가 용이하고 공기단축 및 인력절감을 기대할 수 있다. 또한 잦은 관로 보수 및 교체공사에 따른 사회적 경제적 손실을 최소화 할 수 있을 것이다. 이에 본 연구에서는 유리섬유복합관을 이용하여 실내모형실험을 수행하여 관의 응력-변형특성을 평가하였다. 실내모형실험의 경우 관경 200mm와 관경 300mm를 사용하여 하중재하 전과 후의 수직 수평변위 수직 수평토압을 6가지 사례에 대해서 측정하였다. 측정결과 실험값과 이론값 모두 비슷하게 측정되었다. 하지만 현장발생토사를 이용한 유동성 뒤채움재를 사용한 경우, 수직 수평변위는 매우 작게 측정되었고, 토압은 거의 0에 가까운 값으로 계측되었다.
기존의 강관이나 주철관 그리고 시멘트 관은 시간의 경과에 따르는 노화현상을 피할 수 없으며, 특히 금속관은 부식으로 인한 수질 악화문제가 크고 누수에 따른 부족한 수자원 보존과 활용에 있어 예기치 않은 문제를 발생시켜 왔다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방안으로 지하매설용 유리섬유복합관을 사용하는 것이다. 유리섬유복합관은 충격에 대한 저항성이 우수하고 수명이 50년$\sim$100년 정도로 반영구적이다. 특히 뛰어난 내구성과 시공성이 탁월하여 신소재로 각광받고 있다. 그리고 중량이 가벼워서(강관의 1/4, 시멘트 관의 1/10) 운반 및 설치가 용이하고 공기단축 및 인력절감을 기대할 수 있다. 또한 잦은 관로 보수 및 교체공사에 따른 사회적 경제적 손실을 최소화 할 수 있을 것이다. 이에 본 연구에서는 유리섬유복합관을 이용하여 실내모형실험을 수행하여 관의 응력-변형특성을 평가하였다. 실내모형실험의 경우 관경 200mm와 관경 300mm를 사용하여 하중재하 전과 후의 수직 수평변위 수직 수평토압을 6가지 사례에 대해서 측정하였다. 측정결과 실험값과 이론값 모두 비슷하게 측정되었다. 하지만 현장발생토사를 이용한 유동성 뒤채움재를 사용한 경우, 수직 수평변위는 매우 작게 측정되었고, 토압은 거의 0에 가까운 값으로 계측되었다.
An existing Steel pipe, Cast iron pipe and Concrete pipe is can not escaped from aging, specially Metal tube is causing many problems that the quality of water worse is concerned about many rust and mike efficient use of preservation of water. The use of Glassfiber Reinforced Plastic Pipe(GRP PIPE) ...
An existing Steel pipe, Cast iron pipe and Concrete pipe is can not escaped from aging, specially Metal tube is causing many problems that the quality of water worse is concerned about many rust and mike efficient use of preservation of water. The use of Glassfiber Reinforced Plastic Pipe(GRP PIPE) should be one of the possible scheme to get over these problems. The GRP PIPE has an excellent resistance power and the life is lasting from 50 to 100 years roughly. It's to be useful as a result of high durability and a good construction work also it is a light weight therefore can be expected to short the time of construction and man power. In this research, to executed the small-scaled model test, in-situ model test using CLSM of in-situ soil and to evaluated the stress - strain of the pipe also try to estimated how useful is. From the model test in laboratory, the vertical and horizontal deformation of the GRP PIPE measured in six instance using 200mm and 300mm in diameters. The value of experimentation, theory, analysis got the same results of the test, but the vertical and horizontal deformation gauged in small and the earth pressure was almost zero using CLSM of in-situ soil..
An existing Steel pipe, Cast iron pipe and Concrete pipe is can not escaped from aging, specially Metal tube is causing many problems that the quality of water worse is concerned about many rust and mike efficient use of preservation of water. The use of Glassfiber Reinforced Plastic Pipe(GRP PIPE) should be one of the possible scheme to get over these problems. The GRP PIPE has an excellent resistance power and the life is lasting from 50 to 100 years roughly. It's to be useful as a result of high durability and a good construction work also it is a light weight therefore can be expected to short the time of construction and man power. In this research, to executed the small-scaled model test, in-situ model test using CLSM of in-situ soil and to evaluated the stress - strain of the pipe also try to estimated how useful is. From the model test in laboratory, the vertical and horizontal deformation of the GRP PIPE measured in six instance using 200mm and 300mm in diameters. The value of experimentation, theory, analysis got the same results of the test, but the vertical and horizontal deformation gauged in small and the earth pressure was almost zero using CLSM of in-situ soil..
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
그러므로 관의 부식과 파손이 최소화된 보다 효과적인 관로 시스템의 사용은 사회적 , 경제적 측면에서뿐만 아니라 환경 보존적인 면에서도 매우 중요하다고 할 수 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 방안으로 유리섬유복합관을 이용하는 것이다.
본 연구에서는 일반모래, 현장발생토사 그리고 현장발생토사 재활용 유동성채움재 (Controlled Low Strength Materials, CLSM)를 이용한 유리섬유복합관의 거동특성을 평가하기 위해 다음의 4가지에 해당하는 연구를 실시하였다. 이중 뒤채움재의 기본물성평가 및 실내모형챔버 시험결과를 본 논문에서 정리하였고, 현장시험 및 유한요소해석결과를 별도로 정리할 예정이다.
특히, 최근의 대단위 택지개발 현장이 주로 연약지반 등과 같이 토질 조건이 비교적 열악한 지역에서 이루어지는 경우 침하문제 등에 있어서 기존의 관로에 비해 상대적으로 침하에 대한 문제가 작은 것으로 보고되고 있다. 이에 본 논문에서는 유리섬유복합관을 이용한 우수관의 하중에 대한 변형특성 및 침하특성을 평가하고자 한다.
가설 설정
① 연직토압 : 관에 작용하는 연직토압은 관의 폭에 걸쳐 균등하게 분포한다.
① 철에서 발생하는 부식이 없어 수명이 반영구적이다.
② 연직 반력 : 관의 상부에 작용하는 연직토압과 거의 같으며, 기초 폭에 걸쳐 거의 균등하게 분포한다.
② 유리섬유로 내압성능 및 외압성능이 강화되었다.
제안 방법
① 실내모형실험에서는 관경 200mm와 관경 300mm를 사용하여 하중재하 전과 후의 수직변위와 수평 변위를 뒤채움재를 달리한 총 6가지 사례에 대해서 측정하였다. 먼저 관경 200mm를 사용한 사례 1, 2, 3의 경우, 차량하중 재하 후 수직 변위 값이 0.
6.2 계측기 및 계측센서
계측기의 종류는 총 3가지로써 관의 수직 · 수평에 걸리는 토압을 측정하기 위한 토압계, 관의 수직 · 수평 변위를 측정하기 위한 변위계를 사용하였다. 그리고 하중재하를 위하여 로드셀을 이용하였다.
굴착 바닥면이 불균질할 경우 접촉면에 응력집중현상(hard-point effect)이 발생하는데 이를 방지하기 위해 일반모래 82kg을 성토한 후 발 다짐(몸무게 70kg)을 실시하여 높이 15cm를 맞추었다. 수직 및 수평 변위계를 관의 내부에, 수직 및 수평 토압 계를 관의 외부에 부착한 뒤 베딩재 위에 유리섬유 복합관을 설치 하였다.
대규모의 현장실험을 위한 기본 자료획득을 위하여 먼저 실내에서 작은 모형챔버를 이용하여 실험을 수행하였다. 실내 모형 실험에서는 뒤채움재 시공으로 인하여 관에 작용하는 수직 및 수평토압을 결정하였다.
또한, 뒤채움재 타설 과정부터 하중 재하시까지 계즉을 실시하여 시공과정에서 발생하는 변형 특성을 평가하였다. 도로위의 차량하중을 구현한 하중재하실험을 이용하여 재하하중에 의해 발생하는 관의 변형을 결정하고 지표면 변위를 측정하였다.
실내 모형 실험에서는 뒤채움재 시공으로 인하여 관에 작용하는 수직 및 수평토압을 결정하였다. 또한, 뒤채움재 타설 과정부터 하중 재하시까지 계즉을 실시하여 시공과정에서 발생하는 변형 특성을 평가하였다. 도로위의 차량하중을 구현한 하중재하실험을 이용하여 재하하중에 의해 발생하는 관의 변형을 결정하고 지표면 변위를 측정하였다.
라이프라인의 뒤채움재로서 현장발생토사를 이용하기 위하여 기본적인 물성평가시험을 수행하였다. 특히, 뒤채움재료에 대한 기본물성평가시험(입도,비중) 등을 수행하였다.
벽면마찰의 영향을 최소화하여 실험조건을 단순화 시킬 수 있도록 모형토조 표면에 페인트를 이용하여 표면처리를 하였고 실험재료의 이탈을 방지하기 위해 표면안쪽에 아스테이지를 부착하였다.
변위계, 토압계를 TDS-302와 스위치박스에 연결한 다음 중간층을 조성하기 위하여 관의 좌우로 각각 20kg씩 뒤채움재를 성토한 후 몸무게 70kg인 사람을 기준으로 100회 발다짐을 같은 프로세서로 2회 실시하였다.
상부층을 조성하기 위하여 60kg의 뒤채움재를 성토한 후 몸무게 70kg인 사람을 기준으로 100회 발 다짐을 같은 프로세서로 3회 실시하였고, 끝으로 40kg을 성토한 후 같은 조건으로 100회 발 다짐을 실시하였다.
굴착 바닥면이 불균질할 경우 접촉면에 응력집중현상(hard-point effect)이 발생하는데 이를 방지하기 위해 일반모래 82kg을 성토한 후 발 다짐(몸무게 70kg)을 실시하여 높이 15cm를 맞추었다. 수직 및 수평 변위계를 관의 내부에, 수직 및 수평 토압 계를 관의 외부에 부착한 뒤 베딩재 위에 유리섬유 복합관을 설치 하였다.
실내모형실험은 뒤채움재의 종류를 변화시키는 방법과 관의 직경을 변화시키는 방법으로 총 6가지 사례에 대하여 자체 제작된 모형토조 장치를 이용하여 실험을 실시하였다. 실험단면의 조건은 표 5와 같다.
유리섬유복합관의 시공성능개선을 위하여 실내모형실험과 현장시험시공을 병행하여 실시하였으며, 실험에 이용된 실험재료의 지반 및 도로공학적 기본물성치는 다음과 같다.
일반 모래 또는 현장발생토의 경우, 성토직후 하중재하와 하중 제거 과정을 2회 반복 실시하였고 현장 발생 토사 재활용 유동성채움재의 경우, 타설 후 7일 간의 양생 기간을 거친 뒤 하중재하와 하중제거 과정을 2회 반복 실시하였다. 하중재하 과정은 200, 400, 600, 800kgf 식으로 하중을 점진적으로 증가시킨 후 각 단계별로 1분 정도의 안정화를 실시하고, 재하가 가능한 최고치까지 하중을 재하한 뒤 3분 정도의 안정화를 실시하였다.
재하하중에 의한 유리섬유복합관의 변위 및 토압 특성을 평가하기 위해 실내모형실험을 실시하였고, 그 결과로부터 다음과 같은 결론을 도출하였다.
수행하였다. 특히, 뒤채움재료에 대한 기본물성평가시험(입도,비중) 등을 수행하였다.
일반 모래 또는 현장발생토의 경우, 성토직후 하중재하와 하중 제거 과정을 2회 반복 실시하였고 현장 발생 토사 재활용 유동성채움재의 경우, 타설 후 7일 간의 양생 기간을 거친 뒤 하중재하와 하중제거 과정을 2회 반복 실시하였다. 하중재하 과정은 200, 400, 600, 800kgf 식으로 하중을 점진적으로 증가시킨 후 각 단계별로 1분 정도의 안정화를 실시하고, 재하가 가능한 최고치까지 하중을 재하한 뒤 3분 정도의 안정화를 실시하였다. 그리고 하중제거 과정은 안전상의 문제점을 고려하여 하중재하와 같은 방법으로 50% 만큼의 하중을 점차적으로 제거하였다.
대상 데이터
그림 3에 나타난 실내모형실험장치는 가로 140cm, 세로 60cm, 높이 90cm의 강재로 제작되었으며, 관 직경을 변화시켜 실험할 수 있도록 제작되었다. 벽면마찰의 영향을 최소화하여 실험조건을 단순화 시킬 수 있도록 모형토조 표면에 페인트를 이용하여 표면처리를 하였고 실험재료의 이탈을 방지하기 위해 표면안쪽에 아스테이지를 부착하였다.
본 연구에 사용된 유리섬유복합관은 실내모형실험에서는 관경 200mm와 관경 300mm를 사용하였고 이들의 두께는 각각 7.5mm 및 8.0mm 구체적인 사양은 표 4와 같다.
본 연구에 이용된 실험재료는 크게 뒤채움재와 지하매설용 유리섬유복합관으로 구분된다. 유리섬유복합관의 시공성능개선을 위하여 실내모형실험과 현장시험시공을 병행하여 실시하였으며, 실험에 이용된 실험재료의 지반 및 도로공학적 기본물성치는 다음과 같다.
본 연구에서는 자체 제작된 자하매설물용 모형챔버와 길이 90cm의 유리섬유복합관을 사용하였고 모형챔버는 모형토조, 하중재하 장치, 계측기 및 계측 센서로 구성 하였다.
실내모형실험 뒤채움재로 사용한 현장발생토사 재활용 유동성채움재는 현장발생토사(54%)에 플라이애쉬(19.9%), 물(22.8%), 그리고 소량의 시멘트 (3.2%)를 혼합하여 사용하였다. 아래에 나타난 표 3은 뒤채움재의 배합비, 양생일(1일, 7일)에 따른 일축 압축강도, 실험재료의 기본물성치 (C, #)이다.
그리고 하중재하를 위하여 로드셀을 이용하였다. 위의 계측기를 이용한 측정을 위해 정적변형시스템(static data logger)을 사용하였으며, 이는 TDS-302, 스위치 박스로 각각 10개와 50개의 채널로 구성되어있다. 그림 5는 실내모형실험에 사용된 계측센서 및 자동계측 장비의 사진이며, 그림 6은 본 연구에 사용된 계측기의 설치단면을 나타내고 있다.
데이터처리
(2)실내모형실험에서의 수평변위는 Marston 토압 이론 값과 실험값을 비교하였다. 먼저 현장 발생 토사 뒤채움재를 사용한 경우 일반모래 뒤채움재를 사용한 경우에 비해 큰 변위를 보였고, 차량하중 재하 후 현장발생토사 재활용 유동성채움재를 사용한 사례 3의 경우 이론값은 0.
이론/모형
그리고 하중재하를 위하여 로드셀을 이용하였다. 위의 계측기를 이용한 측정을 위해 정적변형시스템(static data logger)을 사용하였으며, 이는 TDS-302, 스위치 박스로 각각 10개와 50개의 채널로 구성되어있다.
그러나 관의 탄성계수는 관과 흙에 상호 복합적으로 하중이 작용하므로 흙의 강성과 관의 강성을 같이 고려해야 한다. 연성관의 수평 변형 량은 Spangler 공식에 의하여 산출된다.
성능/효과
③ 현장발생토사 재활용 유동성채움재를 사용한 사례 3과 6의 경우, 일반모래와 현장발생토사를 사용한 경우보다 수직변위와 수평변위에 있어 매우 작은 값으로 측정되었다. 이것은 현장 발생 토사 재활용 유동성채움재의 특징 중 유동성으로 인한관 아랫부분의 적절한 자기다짐과 7일간의 양생과정을 거치면서 강도가 발현되고 뒤채움재가 일체 거동을 함으로써 초기 허용치 이상의 변형을 일으키지 않은 것에서 비롯된 결과로 판단된다.
④ 실내모형실험에서 차량하중 재하 전 단계에서 측정된 수직 및 수평토압은 약 0.008kgf/cm2와 0.004kgf/cm2로 측정되었고, 차량하중 재하 후수직토압은 0.263~0.334kgf/cm2 로 토압이론값과 실험값이 거의 비슷하게 측정되었다. 단, 현장 발생 토사 재활용 유동성채움재를 사용한 사례 3과 6의 경우에는 수직 및 수평토압이 거의 0에 가까운 값으로 계측되었다.
012kgf/cm2 정도로 계측되었다. 단, 현장발생토사 재활용 유동성채움재의 경우에는 실험값이 0.0008kgf/cm2 로 이론값에 비해 상당히 작은 값을 보였는데, 이것은 유동성채움재(CLSM)의 강도 특성과 관계된 것으로 7일간의 양생과정을 거치면서 강도가 발현되고 뒤채움재가 일체거동을 함으로써 토압 계에 작용하는 하중이 매우 작음을 확인할 수 있었다.
측정하였다. 먼저 관경 200mm를 사용한 사례 1, 2, 3의 경우, 차량하중 재하 후 수직 변위 값이 0.137~2.866mm 정도로 관경 300mm를 사용한 사례 4, 5, 6에 비해 실험값과 유한요소해석 값 모두 1.6~3배 정도의 작은 값을 보였지만 모두 관의 허용오차(관 길이의 1%)를 만족하였다.
실험값을 비교하였다. 먼저 현장 발생 토사 뒤채움재를 사용한 경우 일반모래 뒤채움재를 사용한 경우에 비해 큰 변위를 보였고, 차량하중 재하 후 현장발생토사 재활용 유동성채움재를 사용한 사례 3의 경우 이론값은 0.757mm, 실험값은 0.087mm로 측정되었다. 사례 6의 경우에는 이론값이 0.
표 6은 하중에 따른 관의 수직변위를 차량하중재하 전과 차량하중 재하 후로 구분하여 실험값을 정리하였다. 먼저, 관경 200mm를 사용한 사 례 1, 2, 3의 경우, 차량하중 재하 전 실험값은0.139mm~0.218mm 값을 보였고, 하중 재하 후 수직변위 값은 0.1 ~2.8mm 정도로 관경 300mm를용한 사례 4, 5, 6에 비해서 실험값과 모두 유리섬유 사복합관의 허용오차（관 길이의 1%）를 만족하였고,현장발생토사 재활용 유동성채움재를 사용한 사례 3과 6의 경우, 일반모래와 현장발생토사를 사용한 사례의 경우보다 실험값이 최소 14배에서 최대 37배 정도의 작은 값을 보였다. 이는 현장발생토사 재활용 유동성 채움재의 특징 중 유동성으로 인한 관 아랫부분의 적절한 자기다짐과 7일간의 양생과정을 거쳐 증진된 강도가 가해진 하중아래에서 허용치 이상의 변형을 일으키지 않은 것에서 비롯된 결과로 생각된다.
베딩재로 사용된 일반모래의 기본특성은 최소건조단위중량(γdmin) 1.33t/m3, 최대건조단위중량(γdmin) 1.47t/m3, 조립률 2.88, 균등계수(Cu) 2.37, 곡률 계수(Cg) 0.78, 비중 2.56으로 통일분류법상 입도 분포가 나쁜 모래 또는 자갈질의 모래인 SP 판명되었다.
087mm로 측정되었다. 사례 6의 경우에는 이론값이 0.667mm, 실험값이 0.103mm으로 실험값이 이론값에 비해 작게 측정되었지만, 최대변형량을 고려한다면 실험값과 이론값 모두 1mm 안팎의 변형으로 측정되었다. 차량하중 재하 전 현장 발생 토사 재활용 유동성채움재를 제외한 모든 사례에 대해서 이론값과 실험값이 거의 비슷하게 측정되었고, 차량하중 재하 후 관경 200mm의 경우에는 이론값이 실험값에 비해 2배 정도의 값 차이를 보였다.
실내모형 실험 뒤채움재로 사용된 현장 발생 토사는 한국토지공사 '양산 · 물금지구 택지개발사업 현장에 넓게 분포되어 있는 시료로 기본특성은 현장 자연함수비 14.06%, 조립률 284, 균등계수(Cu) 7.29, 곡률계수(Cg) 1.70, 비중 2.56으로 통일분류법상 입도 분포가 좋은 모래 또는 자갈질의 모래인 SW로 판명되었다.
수평변위는 비슷한 결과 값을 보였지만, 현장발생토사 재활용 유동성 채움재의 경우에는 7배 정도의 작은 변위값을 얻을 수 있었다. 이로써 현장발생토사 재활용 유동성 채움재의 우수성과 유리섬유복합관의 변위양상을 알 수 있었다.
103mm으로 실험값이 이론값에 비해 작게 측정되었지만, 최대변형량을 고려한다면 실험값과 이론값 모두 1mm 안팎의 변형으로 측정되었다. 차량하중 재하 전 현장 발생 토사 재활용 유동성채움재를 제외한 모든 사례에 대해서 이론값과 실험값이 거의 비슷하게 측정되었고, 차량하중 재하 후 관경 200mm의 경우에는 이론값이 실험값에 비해 2배 정도의 값 차이를 보였다.
차량하중 재하 후 이론값은 0.26-0.42kgf/cm2, 실험값은 0.17~0.25kgf/cm2로 이론값에 비해 59-65% 정도로 나타났고, 표 9에서 볼 수 있듯이 현장 발생 토사 재활용 유동성채움재를 사용한 경우에는 수직토압이 거의 0에 가까운 값을 얻을 수 있었다.
현장발생토사 재활용 유동성채움재를 사용한 사례 3과 사례 6의 경우에는 수직토압과 같이 현장 발생 토사 재활용 유동성채움재의 일체거동으로 인해 수평토압이 거의 0에 가까운 값으로 계측되었다.
후속연구
연구를 실시하였다. 이중 뒤채움재의 기본물성평가 및 실내모형챔버 시험결과를 본 논문에서 정리하였고, 현장시험 및 유한요소해석결과를 별도로 정리할 예정이다.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.