[논문]고밀도 폴리에틸렌 파이프의 설치중 구조안정성에 대한 연구

송현배; 김도균; 최한석; 박규식

doi:10.11004/kosacs.2015.6.1.059

고밀도 폴리에틸렌 파이프의 설치중 구조안정성에 대한 연구
A Study of Structural Stability of HDPE Pipe during Installation 원문보기

복합신소재구조학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures, v.6 no.1, 2015년, pp.59 - 66

송현배 (포스코엔지니어링) , 김도균 (PETRONAS 공과대학교) , 최한석 (포항공과대학교) , 박규식 (포스코)

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, structural stability of large diameter high density polyethylene (HDPE) pipe during installation was numerically investigated in order to investigate the effect of concrete collar dimension, water depth and tension (pulling force). From the numerical simulation results, the total stress of HDPE pipe with designed concrete collar was within 2.5%, so the total weight of concrete collar for sinking of HDPE is important rather than concrete collar dimension. Furthermore, the tension area for possible installation is decreased as the air filling rate is increased. Therefore, it is important to calculate the reasonable tension range before actual installation for safe installation of HDPE pipe.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

기존 연구에서는 외경 1,600mm 이하의 소구경HDPE 파이프에 대한 안정성을 고려하였으나, 본 연구에서는 최근 그 사용량이 증가하고 있는 대구경(2,500mm) HDPE 파이프의 설치중 구조안정성 수치해석 기법을 통해 검토하였다. 콘크리트 칼라 형상,설계수심 및 견인력에 구조안정성을 검토하였으며, 이를 통한 연구결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
HDPE 파이프에 대한 기존연구는 주로 1,600mm까지의 소구경에 관한 연구이며, 현재 그 사용량이 증가하고 있는 대구경 HDPE 파이프에 관한 연구는 부족한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 대구경 HDPE 파이프 시공중 콘크리트 칼라형상 (두께, 폭, 간격)에따른 구조 안정성 영향 및 HDPE 파이프 하강시 수심 및 견인력에 따른 구조 안정성 영향을 수치해석 기법을 통해 밝히고자 한다.

제안 방법

HDPE 파이프에 작용하는 하중은 설계수심에 밀접한 관계가 있다. 따라서, 10, 15, 20m의 설계수심에대해 HDPE 파이프의 안정성을 검토하였다. Fig.
콘크리트 칼라의 무게는 파이프내의 공기량에 따라 달라지게 된다. 따라서, 본 연구에서는PipeLife (2002)에서 추천되는 10, 15, 20%의 공기량을 고려하였다.
본 연구에서는 Fig. 7과 같이 사각형의 콘크리트 칼라를 고려하였으며, 콘크리트 칼라의 설계변수는 폭,두께 및 설치간격을 고려하였다. Fig.
본 연구에서는 부유 및 하강 방법에 의한 HDPE 파이프의 설치방법을 고려했으며, 주로 하강조건에 대한 변수연구를 수행하였다. 본 연구에서 고려된 설계데이터는 시공현장의 특성을 반영하여 결정된 것이다.
설계수심 및 견인력과의 관계를 알아보기 위해 Fig. 11과 같이 설계수심 및 콘크리트 칼라 간격에 따른 견인력 범위를 검토하였다. 그림에서 보듯이 공기비율이 10, 15% 일 경우에는 수심 10, 15, 20m 모두 설치가 가능한 견인력 범위를 나타냈으며, 수심이 증가할수록 그 범위는 감소하였다.
이때 PE 재료는 온도와 노출 시간에 따라 물성치가 변하기 때문에 본 연구에서는 PipeLife (2002)에서 제시한 PE100 재료에 대해 20°C, 5시간노출(하강시간)에 대한 파괴응력인 11.7 MPa를 고려하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 수심 18.88m인 지역을 고려하였으며, 상세한 설계조건은 Table 2와 같다.

이론/모형

(Orcina, 2013)을 사용하여 해석을 수행하였다. OrcaFlex는 3차원 비선형 시간영역 해석을 수행할 수 있는 해양분야에 특화된 유한요소해석 소프트웨어이다.
일반적으로 DNV 설계기준이 적용되며, 이때 고련된 DNV 설계기준은 DNV-RP-E305 (DNV, 1988), DNV-RP-C205 (DNV, 2010a), DNV-RP-F109 (DNV, 2010b) 이다. 또한 HDPE 재료 물성치는 ISO 898-1(ISO, 2009)를 고려하였다.
파이프의 최소곡률반경은 Roberts 등(2010)에서 제시한 식 (12)를 사용했으며, 이때 안전율은 1.5를 사용하였다.

성능/효과

(1) 콘크리트 칼라 형상에 따른 구조안정성 검토결과, 설계된 다양한 형상에 대해 응력은 2.5% 이내로 변동되는 것을 확인하였다. 이는 HDPE 파이프의 하강을 위한 콘크리트 칼라는 총 무게가 중요하며, 콘크리트 칼라의 형상 (폭, 두께, 설치간격)은 영향이 작다는 것을 의미한다.
(2) 본 연구에서 고려된 콘크리트 칼라 예제를 통해 공기량이 증가 할수록 설치 가능한 견인력의 범위가 감소했으며, 일정 수심 이상에서는 설치가 불가능하였다. 따라서, HDPE 파이프의 원활한 설치를 위해서는 사전에 소요되는 견인력 범위를 계산해야 한다.
그림에서 보듯이 수심이 증가할수록 HDPE 파이프의 응력은 증가하는 반면 곡률반경은 감소하는 것을 알 수 있다. 또한, 응력에 비해 곡률반경이 수심에 대해 민감한 결과를 보였으며, 수심 20m 일 때 곡률반경은 최소곡률반경보다 작게 되어 설계기준을 만족하지 못하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	HDPE 파이프의 장점은?	1과 같이 HDPE(High Density Polyethylene) 파이프의 사용이 점차 증가하는 추세이다. 이러한 HDPE 파이프는 높은 부식저항성,경량성, 유연성, 제조용이성 등의 장점을 특징으로 하며, 강관에 비해 용이한 사용성, 간단한 설치방법, 상대적으로 긴 파이프 단위길이 등과 같은 특성으로 인해 특히 천해의 취수 설비에 그 사용량이 증가하고 있다.
	HDPE 파이프의 원활한 설치를 위해 사전에 소요되는 견인력 범위를 계산해야 하는 이유는?	(2) 본 연구에서 고려된 콘크리트 칼라 예제를 통해 공기량이 증가 할수록 설치 가능한 견인력의 범위가 감소했으며, 일정 수심 이상에서는 설치가 불가능하였다. 따라서, HDPE 파이프의 원활한 설치를 위해서는 사전에 소요되는 견인력 범위를 계산해야 한다.
	HDPE(High Density Polyethylene) 파이프의 사용이 증가하는 원인은?	전 세계적으로 에너지 수요가 증가와 더불어, 발전소의 해수 취수 설비와 같은 장비들의 대형화가 급속도로 진행되고 있다. 과거에는 이러한 해수 취수 설비로 강관이나 콘크리트 파이프가 많이 사용되었으나 현재는 대구경화 되면서 Fig. 1과 같이 HDPE(High Density Polyethylene) 파이프의 사용이 점차 증가하는 추세이다.

참고문헌 (16)

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원문보기 상세보기
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PPI (2006), Marine Installations, Plastics Pipe Institute (PPI), Irving, TX, USA.
Reiff, F. M. (2002), Small Diameter (HDPE) Submarine Outfalls. CEPIS, Washington, D.C., USA.
Roberts, P. J. W., Salsa, H. J., Reiff, F. M., Libhaber, M., Alejandre L. and Thomson, J. C. (2010), Marine Wastewater Outfalls and Treatment Systems. IWA Publishing, London, UK.
Shin, W. C. (2013), "Introduction of GHANA TAKORADI T2 Project Large HDPE Pipe Sinking Design," POSCO Engineering Technology Magazine, 29(1), pp. 46-57 (in Korean)

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