The industrialization and urbanization forced to increase the density of pipelines such as water supply, sewers, and gas pipelines. The materials used for the existing pipe lines are mostly composed of concretes and steels, but it is true that the development for more durable and efficient materials...
The industrialization and urbanization forced to increase the density of pipelines such as water supply, sewers, and gas pipelines. The materials used for the existing pipe lines are mostly composed of concretes and steels, but it is true that the development for more durable and efficient materials has been continued performed to produce long lasting pipe lines. Recently, underground pipes serve in diverse applications such as sewer lines, drain lines, water mains, gas lines, telephone and electrical conduits, culverts, oil lines, etc. In this paper, we present the result of investigation pertaining to the structural behavior of unplasticized polyvinyl chloride (PVC-U) flexible pipes buried underground. In the investigation of structural behavior such as a ring deflection, pipe stiffness, 4-point bending test, experimental and analytical studies are conducted. In addition, pipe stiffness is determined by the parallel plate loading tests and the finite element analysis. The difference between test and analysis is about 8% although there are significant variations in the mechanical properties of the pipe material. In addition, it was found by the 4-point bending test there is no problem in the connection between the pipes by coupler.
The industrialization and urbanization forced to increase the density of pipelines such as water supply, sewers, and gas pipelines. The materials used for the existing pipe lines are mostly composed of concretes and steels, but it is true that the development for more durable and efficient materials has been continued performed to produce long lasting pipe lines. Recently, underground pipes serve in diverse applications such as sewer lines, drain lines, water mains, gas lines, telephone and electrical conduits, culverts, oil lines, etc. In this paper, we present the result of investigation pertaining to the structural behavior of unplasticized polyvinyl chloride (PVC-U) flexible pipes buried underground. In the investigation of structural behavior such as a ring deflection, pipe stiffness, 4-point bending test, experimental and analytical studies are conducted. In addition, pipe stiffness is determined by the parallel plate loading tests and the finite element analysis. The difference between test and analysis is about 8% although there are significant variations in the mechanical properties of the pipe material. In addition, it was found by the 4-point bending test there is no problem in the connection between the pipes by coupler.
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문제 정의
이 연구에서는 지중매설 연성관의 거동을 예측하기 위해 연성관으로 분류되는 경질폴리염화비닐관의 역학적 성질을 조사하고, 관련 설계방법을 조사하여 국내에서 적용하고 있는 연성관의 관변형 5%이내의 기준에 적정한지의 여부를 유한요소해석과 설계기준을 통해 조사하였다.
지중매설 경질폴리염화비닐관의 구조적 거동을 예측하기 위해서 경질폴리염화비닐관을 구성하고 있는 재료의 역학적 성질을 조사하였다. 경질폴리염화비닐관의 역학적 성질은 KS M ISO 6259-1 (열가소성 플라스틱 관의 인장성 측정방법)에서 제시하고 있는 방법으로 인장시험을 수행하여 조사하였다.
제안 방법
(a)와 같이 부착하여 만능재료시험기(Universal Testing Machine, UTM)를 사용하여 5±0.5 mm/min의 속도로 하중을 재하하였다.
경질폴리염화비닐관의 편평시험 결과를 검증하기 위해서 실험조건과 동일하게 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석에 사용한 프로그램은 범용구조해석 프로그램인 ANSYS Workbench Ver.
이 연구는 상수도관으로 주로 사용되는 경질폴리염화비닐관 재료의 역학적 성질, 국내외 문헌을 통해 관 설계방법을 조사하였으며, 휨실험을 수행하여 관 연결부 이탈여부도 확인하였다. 또한, 지중매설한 상태의 관의 구조적 거동을 유한요소해석을 통해 예측하였다.
11을 사용하였으며, 재료의 물성치와 시편의 제원은 Table 2와 Table 3의 값을 적용하였다. 유한요소해석 모델의 경계조건은 관 최하단부를 고정지점으로 하고 관의 최상단 부분에서 하중을 원의 중심방향으로 재하되도록 하였다. Fig.
유한요소해석에 적용한 모래의 기초는 Table 6의 항목 중 중간다짐(E′=2.75MPa)으로 적용하였으며, 상수관으로 널리 사용되는 관경 300mm인 경질폴리염화비닐관을 AutoCad로 모델링을 하여 ANSYS로 불러들였으며, 재료의 역학적 성질은 Table 2를 적용하였다.
연성관으로 분류되는 경질폴리염화비닐관은 기존의 강성관과 달리 지반과 상호작용하여 외부하중에 대해 저항하기 때문에 지중매설 상태에서 관에 미치는 영향을 검토하여야 한다(Research Report, 2014). 이 연구는 상수도관으로 주로 사용되는 경질폴리염화비닐관 재료의 역학적 성질, 국내외 문헌을 통해 관 설계방법을 조사하였으며, 휨실험을 수행하여 관 연결부 이탈여부도 확인하였다. 또한, 지중매설한 상태의 관의 구조적 거동을 유한요소해석을 통해 예측하였다.
지중매설 경질폴리염화비닐관의 구조적 거동을 파악하기 위해 유한요소해석을 수행하여 지중매설 연성관의 관변형을 예측하였다. 유한요소해석에 사용한 프로그램은 범용구조해석 프로그램인 ANSYS Workbench Ver.
대상 데이터
경질폴리염화비닐관의 역학적 성질은 KS M ISO 6259-1 (열가소성 플라스틱 관의 인장성 측정방법)에서 제시하고 있는 방법으로 인장시험을 수행하여 조사하였다. 인장강도시험 시편은 직관과 연결부 부분을 각각 관 길이방향으로 절단하여 Fig. 1과 같이 채취하였으며, 인장시편의 제원은 Table 1에 나타내었다.
휨 시험의 시편은 직관(A-1∼A-5), 3중 연결부(B-1∼ B-5), 6중 연결부(C-1∼C-5)를 각각 5개씩 준비하였으며, Fig. 10(a)와 같이 상부 하중재하점 사이의 간격을 20cm로 하여 하중을 재하시켰고, 시편 중앙부분에는 wire gage, 시편의 양쪽부분에는 LVDT를 설치하여 변위를 측정하였다.
데이터처리
지중매설 경질폴리염화비닐관의 구조적 거동을 파악하기 위해 유한요소해석을 수행하여 지중매설 연성관의 관변형을 예측하였다. 유한요소해석에 사용한 프로그램은 범용구조해석 프로그램인 ANSYS Workbench Ver. 11을 사용하여 구조해석을 하였으며, 재료의 물성치는 실험을 통해 구한 값(Table 2)을 적용하였다. 경계조건은 해석모델의 하부의 면을 고정단으로 하였으며 하중은 모래기초 상단에 재하하였다.
경질폴리염화비닐관의 편평시험 결과를 검증하기 위해서 실험조건과 동일하게 유한요소해석을 수행하였다. 유한요소해석에 사용한 프로그램은 범용구조해석 프로그램인 ANSYS Workbench Ver. 11을 사용하였으며, 재료의 물성치와 시편의 제원은 Table 2와 Table 3의 값을 적용하였다. 유한요소해석 모델의 경계조건은 관 최하단부를 고정지점으로 하고 관의 최상단 부분에서 하중을 원의 중심방향으로 재하되도록 하였다.
이론/모형
지중매설 경질폴리염화비닐관의 구조적 거동을 예측하기 위해서 경질폴리염화비닐관을 구성하고 있는 재료의 역학적 성질을 조사하였다. 경질폴리염화비닐관의 역학적 성질은 KS M ISO 6259-1 (열가소성 플라스틱 관의 인장성 측정방법)에서 제시하고 있는 방법으로 인장시험을 수행하여 조사하였다. 인장강도시험 시편은 직관과 연결부 부분을 각각 관 길이방향으로 절단하여 Fig.
경질폴리염화비닐관의 휨강도를 조사하기 위해 KS M ISO 178을 참고하여 4점 휨시험을 수행하였다. 하중은 변위제어방식으로 5mm/min의 속도로 재하하였다.
성능/효과
관의 휨강도를 조사하기 위해 휨강도 시험을 수행한 결과, 직관에서는 관경의 약 20%, 연결부에서는 관경의 약 30% 까지 선형거동을 보였으며, 연결부에서는 소켓이 이탈되는 현상은 발생하지 않았다.
3의 B구간에서 시험규정에 따라 응력-변형률 관계가 선형을 나타내는 탄성한계 (500μ∼2,500μ)에서 결정하였다. 또한, KS M 3401에서 요구하고 있는 PVC 항복 인장강도인 45MPa보다 큰 값으로 직관과 연결부에서 각각 59.81MPa, 67.49MPa임을 확인하였다.
유한요소해석결과 관변형 5%일 때의 관의 변형과 응력분포 형태는 실제 시험때 관측된 거동과 유사하게 나타났으며, 관변형 5%에 해당하는 하중은 편평시험 결과보다 약 10.4% 크게 나타났다. 5% 관변형이 발생한 유한요소해석 결과 형상은 Fig.
49MPa이 발생하였다. 이 값은 KS M 3401에서 제시하고 있는 항복인장강도 45MPa이상의 강도를 갖고 있음을 확인하였다.
지중매설 경질폴리염화비닐관의 구조적 거동을 파악하기 위해 관 재료의 역학적 성질을 파악하기 위해 인장강도시험과 편평시험을 수행한 결과 직관의 탄성계수는 4.30GPa, 연결부의 탄성계수는 3.52GPa이며, 항복인장강도는 직관부에서 59.81MPa, 연결부에서는 67.49MPa이 발생하였다. 이 값은 KS M 3401에서 제시하고 있는 항복인장강도 45MPa이상의 강도를 갖고 있음을 확인하였다.
30kN이 발생하였다. 편평시험 결과와 유한요소해석을 수행한 결과를 비교한 결과 약 10.4%의 차이를 보였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
대부분의 관로들이 노후화되면서 겪는 문제점은?
국내 상하수도관의 대부분은 철근콘크리트관, 주철관, 콘크리트관 등 강성관을 사용하였으나 대부분의 관로들이 노후화되면서 부식, 수밀성의 미확보, 지속적인 유지관리 미비 등의 문제점이 제기되고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 최근에는 합성수지 재질로 구성된 상하수도관의 연구가 활발히 진행되고 있다(Research Report, 2014).
국내에서 연성관 적용의 한계점은?
연성관은 제품의 품질과 시공에 대한 신뢰성이 동시에 확보되었을 경우 구조적인 안전성을 기대할 수 있다. 그러나, 국내에서는 기술선진국들에 비해 제품 생산 및 시공 기술 등에 대한 연구가 부족하여 현장 적용성에 한계를 드러내고 있는 실정이다. 연성관으로 분류되는 경질폴리염화비닐관은 기존의 강성관과 달리 지반과 상호작용하여 외부하중에 대해 저항하기 때문에 지중매설 상태에서 관에 미치는 영향을 검토하여야 한다(Research Report, 2014).
합성수지 재질의 상하수도관은 어떻게 분류되는가?
합성수지 재질의 상하수도관은 지중에 매설할 경우지반과 유기적으로 거동하는 연성관으로 분류된다. 연성관은 제품의 품질과 시공에 대한 신뢰성이 동시에 확보되었을 경우 구조적인 안전성을 기대할 수 있다.
참고문헌 (15)
ANSYS (2008), Release 11.0, Documentation for ANSYS, Pennsylvania.
ASTM D 2412 (2011), Standard Test Method for Determination of External Loading Characteristics of Plastic Pipe by Parallel-Plate Loading, American Society for Testing and Materials.
Chun et al., (2010), Geotechnical Engineering (Theory and Practice), Third edition, Construction Industry Research Institute, Gumibook.
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