[논문]지중 가스 수송 강관의 차량 이동 속도에 따른 응력 분포 특성

원종화; 김문겸; 유한규; 김미승

지중 가스 수송 강관의 차량 이동 속도에 따른 응력 분포 특성
Stress Distribution of Buried Gas Transportation Pipeline According to Vehicle Load Velocity 원문보기

한국가스학회지 = Journal of the Korean institute of gas, v.12 no.1, 2008년, pp.7 - 12

원종화 (연세대학교 토목공학과) , 김문겸 (연세대학교 토목공학과) , 유한규 (한양대학교 토목공학과) , 김미승 (연세대학교 토목공학과)

초록
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주기적으로 진동이 발생하는 도로 하부에 매설되어 있는 가스 배관의 안정성을 검토하고 동특성을 분석하기 위하여 도로 설계 기준 및 가스공사 배관관리 규정에 의거, 현재 매설 실정을 타당하게 모사할 수 있는 유한요소모델을 구성하였으며, DB-24 하중의 진행속도에 따른 배관 발생 응력분포를 검토하였다. 매설 심도 1.5 m, 차량 이동 속도 $40{\sim}160\;km/h$에 대하여 해석을 실시하였으며, 그 결과, 80 km/h를 정점으로 응력의 증가 추세가 감소로 돌아서는 것을 확인할 수 있었다. DB-24하중에 의하여 최대 약 10 MPa의 응력이 증가 하였으나 설계압력에서 API 5L Gr. X65 매설 배관은 차량의 진동에 대하여 충분한 안정성을 확보하고 있는 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to estimate the integrity and identify the dynamic characteristics of buried gas pipelines subjected to vehicle loads, FE analysis is performed based on the 'Highway and Local Road Design Criteria' and the 'KOGAS Guideline for Pipeline Management'. The FE model describes the current burial condition of Korea properly, and the DB-24 load model is adopted for this research. This study considers a varying velocity in the range of $40{\sim}160\;km/h$ and $P_i=8$ MPa(internal pressure) with depth cover, Z=1.5 m. Maximum stress occurs at v=80 km/h and decreases after v=80 km/h. The maximum induced stress by DB-24 loads is about 10 MPa. Under the design pressure, however, the analysis results show that API 5L Gr. X65 pipelines have sufficient integrity to withstand the vibration of vehicle loads.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 DB-24 하중의 매설 배관 상부 진행 속도에 따른 배관의 동적 거동을 검토하기 위하여 시간이력해석을 통하여 배관의 변위와 발생 응력을 검토, 거동을 분석하였다.
도심지에 설치되어진 도시가스 배관은 상부에 도로가 통과할 경우, 시공 후 매설배관 상부에 사용기간 동안 지속적으로 차량이 운행하게 되며 이러한 동적하중이 매설배관에 미치는 영향은 차량하중의 동적 특성과 배관이 매설된 지반의 진동특성에 의해 크게 변화하게 된다. 이에 주기적인 진동에 노출되어 있는 도로 하부 매설배관에 대하여 차량하중에 대한 정량적인 하중 증감에 대한 수치해석을 실시하여 매설배관의 건전성을 평가하고자 한다. 표준화된 차량 및 열차하중과 매설지반 조건을 제시하기 위해 도로 관련 법규, 차량하중 특성 및 주변 지형 및 속도 등으로 인해 발생할 수 있는 하중인자에 대해 검토하였으며, 이를 바탕으로 수치해석을 수행하여 매설관로의 응력상태를 검토하고 안정성을 평가하였다.

제안 방법

박선준의 ‘차량하중의 이상화에 관한 연구’에서 해석결과와 실험결과를 비교한 결과, 삼각파 형태로 차량 주행하중을 이상화하는 경우에 보다 높은 신뢰도를 얻을 수 있었다는 연구 결과를 토대로 하여[2] 본 연구의 차량하중은 차량의 각 바퀴가 절점을 지나가는 짧은 시간동안 선형으로 가감되는 삼각파 하중 형태를 선택하며 Fig. 3과 같이 각 바퀴에 재하되는 정적 축하중을 정점으로 하는 삼각형 형태의 하중으로 모형화하기로 한다.
5로 나뉜다. 본 연구에서는 배관에 가장 불리한 조건을 적용하기 위하여 주요 도시의 고속도로와 국도 등의 설계에 사용되는 DB-24 하중을 사용하며, 배관의 축방향 응력에 대한 효과를 고려하기 위하여 배관 진행 방향의 수직 방향으로 차량하중을 배치하였다. DB-24 하중의 각 축에 해당하는 하중 및 유한 요소 해석 모델 상의 하중 재하 모형은 Fig.
주행하중에 의하여 발생하는 파동의 해석 모델 표면에서의 감쇠를 위하여 점탄성경계로 구속조건을 정의 하였다. 우선 고유진동수 해석을 위해서 Surface Spring 으로 탄성경계를 구성하고 Spring 상수는 도로교설계기준(하부 구조편)[5]의 지반반력계수에 따라 산정하였다.
차량 이동 속도에 따른 지중 매설 배관의 거동을 검토하기 위하여 차량 이동 속도를 40~160 km/h로 변화 시키며 그 영향을 고찰하였으며, 그 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
차량속도에 따른 응력의 영향을 알아보기 위하여, 차량의 속도를 40, 60, 80, 100, 120, 150, 그리고 160 km/ h로 변화시키면서 배관의 응력을 관찰하였다. 차량하중을 정하중으로 재하하였을 경우와 비교하여 각 차량속도에 대한 해석결과, 차량의 속도가 40 km/h에서 80 km/h까지 증가할 때 각 응력은 증가하며, 80 km/h부터 다시 응력이 감소하였다.
이에 주기적인 진동에 노출되어 있는 도로 하부 매설배관에 대하여 차량하중에 대한 정량적인 하중 증감에 대한 수치해석을 실시하여 매설배관의 건전성을 평가하고자 한다. 표준화된 차량 및 열차하중과 매설지반 조건을 제시하기 위해 도로 관련 법규, 차량하중 특성 및 주변 지형 및 속도 등으로 인해 발생할 수 있는 하중인자에 대해 검토하였으며, 이를 바탕으로 수치해석을 수행하여 매설관로의 응력상태를 검토하고 안정성을 평가하였다. 수치해석은 지반 전용 유한요소 해석프로그램인 Midas GTS ver.
해석에 사용한 DB-24하중은 설계를 위한 하중으로서 실제 차량 모델이 존재하지 않기 때문에, 해석결과의 검증을 위하여 API(America Petroleum Institute)의 매설 가스배관 설계 시 고려되는 교통하중의 산정방법을 사용하였으며, 그 중 적용가능한 원주방향 응력에 대한 이동하중에 의하여 증가하는 응력을 검토하였다[9]. API는 RP 1002에서 원주방향 응력의 증분에 대하여 다음 식 (7)을 제안하고 있으며 각 계수에 대한 값은 실험값에 의하여 그래프로 제안하고 있다.

대상 데이터

도로교 설계기준[7]이 제안한 표준 도로단면을 고려한 해석 도로 모델은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 맨 아래층부터 2m의 풍화토, 3.1 m의 잔류토, 0.4 m의 노상, 0.2 m의 보조기층, 0.15 m의 기층과 0.15 m의 표층으로 구성되어 있다. 한국가스공사 가스 배관 매설기준[3]과 도로 설계 기준을 비교하였을 때 Fig.
본 연구를 위한 대상 해석 배관은 한국가스공사 주사용배관인 API 5L X65, D = 0.762 m (30 inch), 두께 t = 17.5 mm 배관을 사용하였으며 사용 압력은 설계 압력인 8 MPa이다[3,4]. 배관 매설지반을 정의하기위하여 건설교통부 제정 도로설계기준에서 도로 포장의 표준단면을 차용하였다[5].
도로교 설계기준[7]에서는 자동차 하중으로 표준트럭하중과 차선하중, 보도하중 등을 활하중으로 사용하고 있다. 본 연구에서는 도로교 시방서의 표준트럭 하중인 DB 하중을 사용하였다. 이때 도로교 설계기준에 따르면 DB 하중은 한 개의 교량에 대해 차량진행방향과 동일한 방향으로 한 대를 원칙으로 하고, 차량진행 방향의 수직방향으로는 재하 가능한 대수를 재하하되, 설계부재에 최대응력이 발생도록 배치하는 것으로 규정하고 있다.

이론/모형

주행하중에 의하여 발생하는 파동의 해석 모델 표면에서의 감쇠를 위하여 점탄성경계로 구속조건을 정의 하였다. 우선 고유진동수 해석을 위해서 Surface Spring 으로 탄성경계를 구성하고 Spring 상수는 도로교설계기준(하부 구조편)[5]의 지반반력계수에 따라 산정하였다. 연직지반 반력계수 및 수평지반 반력계수는 식 (3) 및 식 (4)를 사용하여 산정하였다.
지반과 같은 무한한 매질을 모델링할 경우, 정해석에서는 일반적으로 지반 내 공동크기(매설배관의 직경)의 5배 정도의 지반 경계와 구조물 사이 거리를 확보하는 것이 합당하고, 시뮬레이션 과정에 일반적이나, 동해석에서는 일반적인 지반경계를 선정할 경우 파가 반사되는 효과가 생기기 때문에 큰 오차가 유발될 수 있다. 이를 방지하기 위해 본 해석에서는 1972년 Lysmer와 Wass[8]가 제안한 점성경계(viscous boundary)를 적용하고, 점성경계를 정의하기 위하여 해당 지반 물성 값에 대한 x, y, z 방향에 대하여 Damper 값을 산정하여 입력하였으며, Damper 값을 산정하는 식은 P파에 대하여식 (5), S파에 대하여 식 (6)을 사용하였다.

성능/효과

2) 시속 80 km/h를 정점으로 이동 하중에 의하여 발생하는 하중은 소폭으로 증가하다가 감소하는 경향을 보이며 이는 표면파의 감쇄효과에서 기인하는 것으로 판단된다.
3) 40~160 km/h의 차량 이동 속도에 대하여 80 km/ h에서 가장 큰 응력 증가폭을 보였다. hoop 및 axial stress 공히 약 10 MPa이 증가하였으나, API 5L Gr.
DB-24하중이 설계를 위한 가상의 차량하중임을 고려 하였을 때 일반적인 도로의 설계 속도인 80~100 km/h 에서 배관에 발생하는 응력은 가장 크게 분포하는 것으로 확인할 수 있다. 그러나 차량 하중으로 인하여 발생하게 되는 응력, Δσ는 약 5~10 MPa의 분포를 보임으로서 배관의 최대 operation pressure인 설계압력을 고려한 경우에도 충분한 안정성을 확보하고 있음을 확인할 수 있다.
그러나 차량 하중으로 인하여 발생하게 되는 응력, Δσ는 약 5~10 MPa의 분포를 보임으로서 배관의 최대 operation pressure인 설계압력을 고려한 경우에도 충분한 안정성을 확보하고 있음을 확인할 수 있다.
차량속도에 따른 응력의 영향을 알아보기 위하여, 차량의 속도를 40, 60, 80, 100, 120, 150, 그리고 160 km/ h로 변화시키면서 배관의 응력을 관찰하였다. 차량하중을 정하중으로 재하하였을 경우와 비교하여 각 차량속도에 대한 해석결과, 차량의 속도가 40 km/h에서 80 km/h까지 증가할 때 각 응력은 증가하며, 80 km/h부터 다시 응력이 감소하였다. 차량의 이동속도에 따른 배관의 응력을 Table 2에 요약하였으며, 차량의 이동속도에 따른 각 응력의 분포 추이를 Fig.

후속연구

28 MPa로서 가장 근접한 동적 증폭계수를 보이는 시속 80 km/h에서의 Δσh의 값과 매우 유사한 값을 보이는 것으로 판단할 때에 해석결과는 실제와 유사한 거동을 모사함을알 수 있다. 이후 보다 정확한 거동의 분석을 위하여 실제 차량을 모델로 하는 실증 실험 및 해석이 이루어져야 할 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	도시가스는 우리나라 에너지 소비량의 얼마를 차지하고 있는가?	2007년 현재, 도시가스는 우리나라 에너지 소비량의약 8%를 차지하고 있다. 짧은 역사에 비추어 볼 때 상당히 가파른 성장을 보이고 있으며, 수도권 및 대도시를 떠나 국토전반으로 서비스가 확대되고 있는 실정이다.
	도심지에 설치되어진 도시가스 배관은 어떠현 영향을 받는가?	짧은 역사에 비추어 볼 때 상당히 가파른 성장을 보이고 있으며, 수도권 및 대도시를 떠나 국토전반으로 서비스가 확대되고 있는 실정이다. 도심지에 설치되어진 도시가스 배관은 상부에 도로가 통과할 경우, 시공 후 매설배관 상부에 사용기간 동안 지속적으로 차량이 운행하게 되며 이러한 동적하중이 매설배관에 미치는 영향은 차량하중의 동적 특성과 배관이 매설된 지반의 진동특성에 의해 크게 변화하게 된다. 이에 주기적인 진동에 노출되어 있는 도로 하부 매설배관에 대하여 차량하중에 대한 정량적인 하중 증감에 대한 수치해석을 실시하여 매설배관의 건전성을 평가하고자 한다.
	차량 이동 속도에 따른 지중 매설 배관의 거동을 검토하기 위하여 차량 이동 속도를 40~160 km/h로 변화 시키며 그 영향을 고찰한 결과는 어떠한가?	1) 내압 8 MPa, 매설심도 1.5 m에 대하여 API 5L Gr. X65 매설 배관은 hoop stress 기준 약 220 MPa, 67 MPa의 axial stress가 발생하였으며 본 연구에서 이는 reference stress 값으로 사용되었다. 2) 시속 80 km/h를 정점으로 이동 하중에 의하여 발생하는 하중은 소폭으로 증가하다가 감소하는 경향을 보이며 이는 표면파의 감쇄효과에서 기인하는 것으로 판단된다. 3) 40~160 km/h의 차량 이동 속도에 대하여 80 km/ h에서 가장 큰 응력 증가폭을 보였다. hoop 및 axial stress 공히 약 10 MPa이 증가하였으나, API 5L Gr. X65 매설 배관은 충분한 안정성을 갖는 것으로 확인하였다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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