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문제 정의
- 충분히 안전하도록 설계되어야 한다. 따라서 유리섬유 복합관을 상수도관으로 사용할 경우 토압 및 상재하중 등에 대한설계가 가능하도록 구조적 거동특성에 대한 조사가 필요하벼, 이 연구에서는 이론 및 유한요소해석을 통해 거동을 예측하고 실험적 연구결과와 비교하여 예측결과의 타당성을 검증하였다.
- 있다. 유리섬유복합관의 관경에 따라 구조 및 역학적 성질 변화에 차이를 보이는데, 이 연구에서는 현재 가장 광범위하게 사용되고 있는 1, 200mm의 복합관에 대한 득 성을 조사하였다. 유리섬유복합관은 Fig.
- 하다. 이 여구에서는 유리섬유복항관의 외압 및 내압에 대한 인, 전성을 관련 규격을 참고하이 다음과 깉이 검토하였다.
- 이 연구에서는 유리섬유복합관을 구성하는 각 재료들에 대한 구조적 거동을 예측하기 위해 역학적 성질을 결정하였고, 관 전체의 유한요소해석과 원강성시험을 통하여 구조적 거동특성을 분석하고 안전성을 평가하여 적절성 여부를 판단하였다. 또한 유리섬유복합관의 접합부 안전성을 검토하기 위해 널링시험, 수밀시험 등을 수행하여 유리섬유복합관의 구조적 안전성 확보 및 설계, 시공을 위한 기초자료를 제안하였다.
- 이 연구에서는 유리섬유복합관의 구조적 거동 특성, 안전성 및 수밀성능에 대해 실험과 유한요소해석으로 조사하였다. 유리섬유 복합관은 기존 설계파괴변형률 기준인 변형률 3%, 5% 이내에서는 선형탄성거동을 하였으며, 기존 설계기준 파괴변형률은 원강성시험의 파괴시 변형률 (22%)에 비해 매우 낮은 값을 나타내고 있기 때문에 안전성을 확보하고 있다는 것을 확인할 수 있었다.
제안 방법
- 4(a) 에 나타낸 바와 같이 UTM에 시편을 설치하고 5 mmlmin 속도로 변위제어방식으로 인장히중을 재하하였다. 파괴 형태는 Fig- 4(b) 에 나티내었으며, 길이방향 및 원주방향에 대한 GFRP의 탄성계수는 측정된 응력-변형률 관계로부터 구했으며 각각 21.
- 접합부 각변형 수밀시험은 현장시공시 휩배관을 통한 곡선형 관을 부설할 때 적용하도록 관련 규정에서 권장하고 있으나 유리섬유복합관 접합부에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 직전 구간 접합부에 임의의 각변형이 발생하도록 하여 수밀시험을하였다. 각변형 수밀시험은 접합부 수밀시험과 유사하게 접합부를 수압시험기 중앙에 위치시킨 후 접합부 부근에서 유리섬유복합 관의 길이방향에 대한 직각방향으로 편심하중을 재하하여 접합부에서 1의 변형각을 발생시킨 후 수압을 가하였다. 수압은 사용압력의 1.
- 괴시허 시편은 원상싱시험.까 유사하게 유리신 유복함 관을 일성길이로 절단하이 제작하였으며, KS M 3370[10]에서 세안하고 있는 방법에 1다라 내압파괴시험을 하있다. 시험은 (주)한국화이바 함양공장에 선치되어 있는 내압고} 괴시나타낸 바와 같이 상하무험시름 시-용하였으벼.
- 일반적으로 하수도관은 중력식이므로 수압 및 수밀에 대한 시험이 필요치 않다. 따라서 상수도관 S.type에 대해서만 수압을 검토하였다.
- 판단하였다. 또한 유리섬유복합관의 접합부 안전성을 검토하기 위해 널링시험, 수밀시험 등을 수행하여 유리섬유복합관의 구조적 안전성 확보 및 설계, 시공을 위한 기초자료를 제안하였다.
- 유한요소해석 모델은 내외부 GFRP외- 내층 모르타르로 구성된 짓과 동일하게 3층으로 모델링하였으며, 역학적 성질은 적층 판 이론으로 추정한 값을 적용하였다. 또한, 경계조건은 하중과 평행한 방향에서 관의 하부를 고정지점으로 하였으며 하중을 증가시켜가면서 구조적 거동을 조사하였다.
- 7과 같이 원강성시험기를사용하&I 50 mm/min 속도로 하중을 가하였다. 또한, 관의 변형상태를 조사하기 위해 상하부 변위 및 변형률을 측정하였다
- 유리섬유복합 관의 경우 접합부의 수밀성 및 연약지반 등의 영향으로 발생된국부적 손상에 대해서는 핸드레이업 방법을 사용하고 있으며, 이 연구에서는 핸드레이업 방법으로 보강한 경우에 대한 안전성을 다음과 같이 검토하였다.
- 유리섬유복합관을 매설할 경우 지반조건 및 시공자의 숙련도 등에 따라 접합부에서 각변형이 발생할 수 있으며, 이에 따른 수밀성능을 조사하기 위해 접합부 각변형 수밀시험을 하였다. 접합부 각변형 수밀시험은 현장시공시 휩배관을 통한 곡선형 관을 부설할 때 적용하도록 관련 규정에서 권장하고 있으나 유리섬유복합관 접합부에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 직전 구간 접합부에 임의의 각변형이 발생하도록 하여 수밀시험을하였다.
- 유리섬유복합관의 수압시험 시편은 완성된 제품의 일부를 절단하여 제작하였으며, 시험은 Fig. 11과 같이 수압시험기에관을 설치한 후 양난부에서 유리섬유복한관의 1종의 시용압긱 인 1.6 MPa의 1.5배연 2.4 MPa로 15분 동안 유지하여 시험하였다. 수압시험결과 15분 후에도 누수가 빈-생하지 않아 난련기준(KS M 3370[10])을 만족하는 싯으코 나타났다.
- 6에 나타내었다. 유한요소해석 모델은 내외부 GFRP외- 내층 모르타르로 구성된 짓과 동일하게 3층으로 모델링하였으며, 역학적 성질은 적층 판 이론으로 추정한 값을 적용하였다. 또한, 경계조건은 하중과 평행한 방향에서 관의 하부를 고정지점으로 하였으며 하중을 증가시켜가면서 구조적 거동을 조사하였다.
- 하였다. 접합부 각변형 수밀시험은 현장시공시 휩배관을 통한 곡선형 관을 부설할 때 적용하도록 관련 규정에서 권장하고 있으나 유리섬유복합관 접합부에 대한 신뢰성을 확보하기 위해 직전 구간 접합부에 임의의 각변형이 발생하도록 하여 수밀시험을하였다. 각변형 수밀시험은 접합부 수밀시험과 유사하게 접합부를 수압시험기 중앙에 위치시킨 후 접합부 부근에서 유리섬유복합 관의 길이방향에 대한 직각방향으로 편심하중을 재하하여 접합부에서 1의 변형각을 발생시킨 후 수압을 가하였다.
- 핸드레이업으로 보강한 유리섬유복합관의 구조적 거동을 조사하기 위해 원강성시험을 하였다 원강성시험은 앞에서 설명한 방법과 동일하게 9 mm로 핸드레이업 보강된 1개의 시편에 대해 수행하였으며, 시험결과는 Table 7에 나타내었다. 원강성시험 결과 유리섬유복합관이 파괴될 때까지 핸드 레이업 보강 부위에는 어떠한 손상도 관측되지 않았다.
대상 데이터
- 모델링에 사용된 요소는 SBHQ6 (Stretching and bending hybrid quadrilateral)요소로써 각 절점당 6개의 자유도를 가지고 있으며, 절점 3에서의 자유도를 Fig. 6에 나타내었다. 유한요소해석 모델은 내외부 GFRP외- 내층 모르타르로 구성된 짓과 동일하게 3층으로 모델링하였으며, 역학적 성질은 적층 판 이론으로 추정한 값을 적용하였다.
- 까 유사하게 유리신 유복함 관을 일성길이로 절단하이 제작하였으며, KS M 3370[10]에서 세안하고 있는 방법에 1다라 내압파괴시험을 하있다. 시험은 (주)한국화이바 함양공장에 선치되어 있는 내압고} 괴시나타낸 바와 같이 상하무험시름 시-용하였으벼. Fig.
- 이러힌' 폴리머 모르타르의 역학적 성질을 추정하기 위한 실험법은 아직 규정된 바가 없기 때문에 이 연구에서는 콘크리트의 압축강도시험 공시체와 유사한 방법 (KS F 2405RI) 으로 실험하였다. 실험에 사용된 폴리머 모르타르는 실제 GFRP관 제작에 사용되는 구성성분과 동일한 것으로 제조공정에서 시료를 채취하여 원형공시체 형태로 제작하였다. 실험결과 폴리머 모르타르 공시체의 파괴형태틀 Fig.
- 원강성 측정을 위한 시험체는 #1, 200mm 유리섬유복합관 1본에서 30 cm의 길이로 상수도관 (S-type)과 하수도관 (G-type) 각각 총 3개씩의 시험편을 채취하였으며, Fig. 7과 같이 원강성시험기를사용하&I 50 mm/min 속도로 하중을 가하였다. 또한, 관의 변형상태를 조사하기 위해 상하부 변위 및 변형률을 측정하였다
이론/모형
- 있다. 또한 3층 구조 단면의 휩강성(EI)를 결정하기 위해 적층 판 이론을 적용하였으며, 이때, 탄성계수 (E)는 23.52 GPa 이었다, (이둥, 2007[4]).
- 유리섬유복합관의 구조적 거동을 조사하기 위한 실험적 연구는 ISO-9969 (Thennoplastics pipes-determination of ring stiffness[8])에서 제안하고 있는 원강성시험을 통해 수행되었다.
- 유리섬유복합관의 구조적 거동특성의 분석을 위해 GTSTRUDL [7]를 사용하여 유한요소해석(Finite clement analysis, FEA)을하였다. 모델링에 사용된 요소는 SBHQ6 (Stretching and bending hybrid quadrilateral)요소로써 각 절점당 6개의 자유도를 가지고 있으며, 절점 3에서의 자유도를 Fig.
- 유리섬유복합관의 내압에 대한 안전성은 Table 4에 나타낸 KS M 3370[10]을 적용하여 직접 수압시험을 통해 확인하였다. 일반적으로 하수도관은 중력식이므로 수압 및 수밀에 대한 시험이 필요치 않다.
- 이러힌' 폴리머 모르타르의 역학적 성질을 추정하기 위한 실험법은 아직 규정된 바가 없기 때문에 이 연구에서는 콘크리트의 압축강도시험 공시체와 유사한 방법 (KS F 2405RI) 으로 실험하였다. 실험에 사용된 폴리머 모르타르는 실제 GFRP관 제작에 사용되는 구성성분과 동일한 것으로 제조공정에서 시료를 채취하여 원형공시체 형태로 제작하였다.
- 접합부에 대한 수밀성능을 조사하기 위해 Fig. 14에 나타낸 바와 같이 접합부를 수압시험장치 중앙에 위치하도록 설치한 후 관련 규정 (KS M 3370[10])을 적용하여 수압시험을 하였다. 관련 규정에서 제안하고 있는 수압은 Table 5에 나타내었으며, 사용압력을 15분 동안 유지시킨 후 누수를 확인한 결과접합부의 누수는 발생하지 않아 우수한 수밀성능 요구 조건을 만족하고 있는 것으로 평가되었다.
성능/효과
- 9, 10에 나타내었으며, Figs. 9, 10에서 유리섬유복합관은 설계 파괴변형률 기준 (3%, 까지 선형에 가까운 거동을 보였다.
- 9, 10에 나타낸 유리섬유복합관의 하중에 따른 변위를 비교하면 하중재하 초기단계에서는 유사한 값을 나타내고 있으나 하중이 증가하면 거동의 차이가 발생하였으며, 이는 해석에서 재료 및 기하 비선형성을 고려하지 않았기 때문인 것으로 판단된다. 그러나 상하수도관은 관체 변형률 (Deformation raio) 3%를 기준 (한국상하수도협회, 2005[이)으로 설계되므로 이 구간까지는 해석결과와 실험결과가 일치하는 경향을 나타내고 있음을 확인하였다. 또한, 유리섬유복합관의 크리프 변형 (creep deformation)과 같은 장기거동을 고려하여 5% 변형으로 최근 한국수자원공사에서 설계기준을 제안한 바 있으며, 이 기준의 응력 범위에서는 선형탄성거동을 하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 그러나 상하수도관은 관체 변형률 (Deformation raio) 3%를 기준 (한국상하수도협회, 2005[이)으로 설계되므로 이 구간까지는 해석결과와 실험결과가 일치하는 경향을 나타내고 있음을 확인하였다. 또한, 유리섬유복합관의 크리프 변형 (creep deformation)과 같은 장기거동을 고려하여 5% 변형으로 최근 한국수자원공사에서 설계기준을 제안한 바 있으며, 이 기준의 응력 범위에서는 선형탄성거동을 하고 있음을 확인할 수 있었다.
- 또한, 핸드레이업 보강방법을 적용한 유리섬유복합관의 구조성능은 보강두께에 따라 원강성이 증가하여 국부적인 손상에 대해 매우 효율적이었으며, 유리섬유복합관에 대한 수밀성능은 관련 규정을 모두 만족하는 것으로 평가되어 우수한 수밀성을 확보하고 있는 것으로 나타났다. 그러나 핸드레이업보강부 및 접합부의 경우 부착력에 의해 핸드레이업층과 기존 GFRP층이 수압에 저항하고 있기 때문에 핸드레이업 보강 작업과 관련하여 현장상황을 고려한 작업자의 숙련된 정밀시공능력이 또한 요구된다고 할 수 있다.
- 4 MPa로 15분 동안 유지하여 시험하였다. 수압시험결과 15분 후에도 누수가 빈-생하지 않아 난련기준(KS M 3370[10])을 만족하는 싯으코 나타났다.
- 각변형 수밀시험은 접합부 수밀시험과 유사하게 접합부를 수압시험기 중앙에 위치시킨 후 접합부 부근에서 유리섬유복합 관의 길이방향에 대한 직각방향으로 편심하중을 재하하여 접합부에서 1의 변형각을 발생시킨 후 수압을 가하였다. 수압은 사용압력의 1.5배인 2.4 MPa, 사용압력의 2.0배인 3.2 MPa의 수압을 각각 15분, 24시간 유지한 결과 누수가 발생하지 않아 접합부는 관련 규정 (KS M 3370[10])을 만족하였으며, 수밀성능 요구조건을 만족하고 있는 것으로 평가되었다.
- 시험결과 모든 시편에서 Fig. 8과 같이 상하부 내측면에서 GFRP의 전형적인 인장파괴 형태를 보였으며, 폴리머 모르타르 층은 시편이 파괴될 때 끼지 균열을 육안으로 관찰할 수 없었으나 GFRP가 파괴되면서 동시에 파괴되는 현상을 보였다.
- 시험결과 유리섬유복합관의 최종파괴는 지름의 약 22% 변형에서 발생하는 것으로 확인되어 외력에 대해서 충분히 안전한 것으로 확인된다. 시험결과와 이론적 거동 예측으로부터 유리섬유 복합관에 3%, 5%의 변위가 발생할 때의 하중을 비교하여 Table 2에 나타내었으며, 이론적, 실험적 결과의 차가 미소함을 알 수 있다.
- 시험규격 (KS M 3370[10])을 착고하여 Table 4에 나타낸 바와 같은 관종에 대해서 피'기강도가 시용압력의 L3배 이상이 될 경우 합격으로 규정하고 있는데, (pl, 200 mm 관 (Type 1 관)에 대한 시험결과 파괴강도가 약 4.83 MPa로 측정되었으며, 사용압력인 1.6 MPa (Table 5 Type 1 참조)보다 3.02배 큰 것으로 조사되었으므로 내압에 대해서도 충분히 안전하다는 것을 확인할 수 있었다.
- 실험에 사용된 폴리머 모르타르는 실제 GFRP관 제작에 사용되는 구성성분과 동일한 것으로 제조공정에서 시료를 채취하여 원형공시체 형태로 제작하였다. 실험결과 폴리머 모르타르 공시체의 파괴형태틀 Fig. 5에서 보여주고 있으며, 콘크리트 공시체와 비교할 때 비교적 큰, 연성을 가지고 있으나 최종 폴리머 모르타르의 파괴강도는 약 95.6 MPa (보통 고강도콘크리트 강도의 2배 이상)로 측정되었으며 탄성계수는 측정된 응력-변형률 관계로부터 할선탄성계수 (Secant modulus of elasticity)를 구했으며, 10.6 GPa (보통 고강도콘크리트 탄성계수의 약 1/2.5) 로 추정되었다.
- 유리섬유 복합관은 기존 설계파괴변형률 기준인 변형률 3%, 5% 이내에서는 선형탄성거동을 하였으며, 기존 설계기준 파괴변형률은 원강성시험의 파괴시 변형률 (22%)에 비해 매우 낮은 값을 나타내고 있기 때문에 안전성을 확보하고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 다양한 단면치수에 대한 변수를 사용한 실험적 연구를 통해 유리섬유복합관의 구조적 신뢰성, 안전성을 확보한다면 보다 효율적인 단면설계가 가능할 것으로 판단된다.
후속연구
- 유리섬유 복합관은 기존 설계파괴변형률 기준인 변형률 3%, 5% 이내에서는 선형탄성거동을 하였으며, 기존 설계기준 파괴변형률은 원강성시험의 파괴시 변형률 (22%)에 비해 매우 낮은 값을 나타내고 있기 때문에 안전성을 확보하고 있다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 다양한 단면치수에 대한 변수를 사용한 실험적 연구를 통해 유리섬유복합관의 구조적 신뢰성, 안전성을 확보한다면 보다 효율적인 단면설계가 가능할 것으로 판단된다.
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