[논문]실내모형실험과 수치해석을 통한 지중매설된 GFRP관의 거동 특성

권혁준; 윤명준; 김진현; 이명재; 김홍택

문제 정의

수치해석시 지반강도정수는 토사 및 모래는 문헌자료를 참고하였으며, GFRP관의 경우 기 연구된 실내시험에서 얻은 결과를 적용하여 수행하였다. 또한 매설관에 대하여 해석단계별 지반거동 평가 및 상재하중 증가에 따른 관변형률 및 부등침하량 결과를 분석하여 평가하고자 하였다. 다음 표 3~4에 해석 조건 및 지반강도정수를 나타내었다.
본 연구에서 3차원 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS 프로그램을 이용하였으며, 수치해석을 통해 흄관 및 GFRP관의 상재하중 증가에 따른 관변형률 및 부등 침하량을 평가하고자 하였다. 또한 수치해석에 적용된 GFRP관의 강도정수는 기 연구된 실내시험 결과를 적용하여 흄관 및 GFRP관의 안정성을 비교 분석하기 위해 모형실험과 동일한 조건으로 수행하여 수치해석과 모형실험 결과를 비교분석하였다.
본 연구에서는 지중매설관인 흄관 및 GFRP관에 대하여 일반적인 현장조건을 고려하여 실내모형실험을 수행하기 위하여 3차원 유한요소해석을 통한 예비해석을 검토하였다. 그 결과 토조 벽면 강성에 영향을 받지 않는 크기로 상사율(1/10)을 적용이 가능한 것으로 평가되었다.
본 연구에서는 지중매설관인 흄관 및 GFRP관에 대한 안정성 평가를 위해 실내모형실험 수행 시 예비수치해석을 통한 영향범위를 분석하여 상사율을 결정하였다. 아울러 실내모형실험 결과 매설관의 관변형률을 중점적으로 분석하였으며, 수치해석은 모형실험과 동일한 조건으로 상재하중에 따른 흄관 및 GFRP관의 변형 및 부등침하 관계를 비교분석하고, 모형실험 결과와 비교하여 GFRP관의 적용성을 평가하였다.
본 연구에서는 현실적으로 실물의 현장재하시험을 수행하여야 하나 현장여건과 과다비용의 문제점이 발생하므로 대표지반을 최대한 모사하여 흄관 및 GFRP관의 상사율을 적용한 실내모형실험을 수행하여 거동 특성을 분석하여 안정성을 평가하였다.
본 연구에서는 흄관 및 GFRP관의 지중매설시 상재하중 증가에 따른 모형실험과 수치해석을 수행하여 거동 특성을 분석하였다. 본 모형실험에서 부등침하량을 측정하여야 하나 실험장비의 제약 및 장치 적용이 난해하여 관변형률만을 측정하여 평가하였다.

제안 방법

수치해석은 관변형률과 부등침하량 결과를 분석하여 안정성을 평가하였다. 따라서 동일한 조건에서의 모형실험 결과와 수치해석 결과의 관변형률을 비교 분석하여 보다 나은 신뢰성을 비교 분석하였다.
또한 모형실험관 동일한 조건으로 3차원 수치해석을 수행하여 신뢰성을 확보 할 수 있는 흄관과 비교하여 GFRP관의 적용성을 평가하였다.
본 연구에서는 흄관 및 GFRP관에 Strain gauge를 부착하여 하중에 따른 변형률을 측정하였다. 매설관의 최대하중의 변형률로 각 측점의 변형률을 나누어 정규화를 통해 동일한 하중 조건에서 비교 분석하였으며, 지중매설시 하중에 따른 변형률에 대한 안정성 확보 여부를 평가하였다. 그림 5 (a)∼(d)는 상부에 부착한 Strain gauge 결과이며, (e)는 측면에 부착한 결과이다.
흄관 및 GFRP관에 모형실험은 예비해석을 통해 확인한 상사율(1/10)을 고려하여 모형실험을 수행하였으며, 원지반토인 풍화토는 진동 다짐기를 사용하여 조성하였다. 모형실험시 연직재하는 변형률 제어 방식으로 1mm/min 속도로 재하하였으며, 매설관의 크기에 맞게 재하판을 설치후 수행하였다. 하중-변형률 측정값은 Data logger를 통해 자동 측정되며, 다음 그림 4에 모형실험 전경을 나타내었다.
본 연구에서는 흄관 및 GFRP관의 지중매설시 상재하중 증가에 따른 모형실험과 수치해석을 수행하여 거동 특성을 분석하였다. 본 모형실험에서 부등침하량을 측정하여야 하나 실험장비의 제약 및 장치 적용이 난해하여 관변형률만을 측정하여 평가하였다. 수치해석은 관변형률과 부등침하량 결과를 분석하여 안정성을 평가하였다.
본 연구에서는 흄관 및 GFRP관에 Strain gauge를 부착하여 하중에 따른 변형률을 측정하였다. 매설관의 최대하중의 변형률로 각 측점의 변형률을 나누어 정규화를 통해 동일한 하중 조건에서 비교 분석하였으며, 지중매설시 하중에 따른 변형률에 대한 안정성 확보 여부를 평가하였다.
수치해석시 지반강도정수는 토사 및 모래는 문헌자료를 참고하였으며, GFRP관의 경우 기 연구된 실내시험에서 얻은 결과를 적용하여 수행하였다. 또한 매설관에 대하여 해석단계별 지반거동 평가 및 상재하중 증가에 따른 관변형률 및 부등침하량 결과를 분석하여 평가하고자 하였다.
본 모형실험에서 부등침하량을 측정하여야 하나 실험장비의 제약 및 장치 적용이 난해하여 관변형률만을 측정하여 평가하였다. 수치해석은 관변형률과 부등침하량 결과를 분석하여 안정성을 평가하였다. 따라서 동일한 조건에서의 모형실험 결과와 수치해석 결과의 관변형률을 비교 분석하여 보다 나은 신뢰성을 비교 분석하였다.
본 연구에서는 지중매설관인 흄관 및 GFRP관에 대한 안정성 평가를 위해 실내모형실험 수행 시 예비수치해석을 통한 영향범위를 분석하여 상사율을 결정하였다. 아울러 실내모형실험 결과 매설관의 관변형률을 중점적으로 분석하였으며, 수치해석은 모형실험과 동일한 조건으로 상재하중에 따른 흄관 및 GFRP관의 변형 및 부등침하 관계를 비교분석하고, 모형실험 결과와 비교하여 GFRP관의 적용성을 평가하였다.
흄관 및 GFRP관에 모형실험은 예비해석을 통해 확인한 상사율(1/10)을 고려하여 모형실험을 수행하였으며, 원지반토인 풍화토는 진동 다짐기를 사용하여 조성하였다. 모형실험시 연직재하는 변형률 제어 방식으로 1mm/min 속도로 재하하였으며, 매설관의 크기에 맞게 재하판을 설치후 수행하였다.
흄관 및 GFRP관은 상재하중에 따른 관변형률을 측정하기 위하여 관상부 4개, 관측면부에 1개의 Strain gauge를 부착하였으며, 관매설시 터파기는 1: 0.5, 관기초 지반은 모래기초 180°인 조건으로 모형실험을 수행하였다.

데이터처리

본 연구에서 3차원 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GTS 프로그램을 이용하였으며, 수치해석을 통해 흄관 및 GFRP관의 상재하중 증가에 따른 관변형률 및 부등 침하량을 평가하고자 하였다. 또한 수치해석에 적용된 GFRP관의 강도정수는 기 연구된 실내시험 결과를 적용하여 흄관 및 GFRP관의 안정성을 비교 분석하기 위해 모형실험과 동일한 조건으로 수행하여 수치해석과 모형실험 결과를 비교분석하였다. 우선 흄관 및 GFRP관의 지중매설시 상재하중은 모형실험의 재하판의 넓이를 고려한 응력으로 재하였으며, 시공단계를 고려하여 상재하중은 15~300kPa까지 증가시켜 수행하였다.
흄관 및 GFRP관에 대하여 상재하중 증가에 따른 모형실험시 Strain gauge 측정 위치와 동일한 지점에서의 최대값을 관변형률 및 부등침하량 관계를 분석하였으며, 그 결과 그림 7~8과 같이 나타내었다.

성능/효과

1) 상사법칙을 고려한 예비해석 결과, 모형토조의 크기를 고려한 상사율 1/10 적용 시 영향범위 이내로 적정한 것으로 확인하였다.
2) 모형실험 결과, 상재하중 증가에 따른 GFRP관은 흄관에 비해 관변형률이 8~19% 정도 크게 나타난 것으로 분석되었으나, 허용기준 이내로 안정성을 확보하는 것으로 평가되었다. 또한 관변형률의 차이는 관종에 따른 강성에 의한 차이에서 발생한 것으로 판단된다.
3) 수치해석 결과, 흄관의 경우 상재하중에 따른 관 변형률 및 부등침하 관계는 부등침하의 영향을 많이 받는 것으로 나타났으며, GFRP관의 경우 부등침하량보다는 관변형률이 더 많이 영향을 받는 것으로 수치해석 결과 확인하였다.
4) 모형실험 결과 및 수치해석 결과를 종합해보면, 상재하중 증가에 따른 흄관 및 GFRP관은 관변형률, 부등침하량 모두 허용기준 이내로 안정성을 확보하는 것으로 평가되었다. 아울러 GFRP관이 흄관에 비해 강성이 작기 때문에 관변형률 및 부등침하량이 다소 크게 발생한 것으로 분석되었다.
5) 모형실험과 수치해석 신뢰성 검증 결과, 동일한 측정 위치에서의 관변형률은 일부구간에서는 20%이내로 차이를 보이는 것으로 분석되었으나, 전반적으로 모형실험과 수치해석과의 신뢰성은 어느 정도 확보되는 것으로 확인하였다.
본 연구에서는 지중매설관인 흄관 및 GFRP관에 대하여 일반적인 현장조건을 고려하여 실내모형실험을 수행하기 위하여 3차원 유한요소해석을 통한 예비해석을 검토하였다. 그 결과 토조 벽면 강성에 영향을 받지 않는 크기로 상사율(1/10)을 적용이 가능한 것으로 평가되었다.
그림 8의 상재하중-부등침하량 해석 결과를 살펴보면, 흄관 및 GFRP관의 경우 모형실험과 동일한 지점에서 최대값을 보이는 것으로 나타났으며, 전체적으로 상재하중이 증가에 따라 부등침하도 증가하였으며, GFRP관과 흄관이 비슷한 경향을 보이는 것을 수치해석결과 확인하였다. 모두 허용기준(10mm) 이내로 안정성을 확보하는 것으로 확인하였다.
5kN일 때 관변형률은 흄관이 약 8% 정도로 GFRP관에 비해 작게 나타난 것으로 확인하였다. 아울러 전체적으로 흄관이 GFRP관에 비해 관변형률이 약 8~19% 정도 적게 나타났으며, 이는 강성에 차이 때문인 것으로 생각된다.
그림 7의 상재하중-관변형률 해석 결과를 살펴보면, 흄관 및 GFRP관의 경우 모형실험과 동일한지점인 Strain gauge 3 위치에서 최대값을 보이는 것으로 나타났으며, 전체적으로 상재하중이 증가에 따라 관변형률도 증가하였다. 아울러, GFRP관이 흄관에 비해 관변형률이 2배정도 크게 나타나는 것으로 평가되었으며, 수치해석결과 흄관 및 GFRP관 모두 허용기준(강성관 4%, 연성관 5%) 이내로 안정성을 확보하는 것으로 확인하였다.

후속연구

6) 향후, 복합재를 활용한 매설관에 대하여 현장실물 재하실험을 통하여 수치해석, 모형실험과의 안정성 평가에 대한 연구가 진행될 것이다. 또한 다양한 영향인자를 고려한 모형실험과 수치해석이 수행되어 안정성을 확보할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.
6) 향후, 복합재를 활용한 매설관에 대하여 현장실물 재하실험을 통하여 수치해석, 모형실험과의 안정성 평가에 대한 연구가 진행될 것이다. 또한 다양한 영향인자를 고려한 모형실험과 수치해석이 수행되어 안정성을 확보할 수 있는 연구가 진행되어야 할 것으로 사료된다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	GFRP관의 장점은?	GFRP(Glass-fiber Reinforced Plastic)관은 기존의 매설관에 비해 변형복원 능력, 무게의 경량화 등의 우수한 재료적 성질로 인하여 지중에 매설할 경우 하부 지반의 지지력 부족으로 인한 침하율이 감소되고 또한 재료의 파괴 위험성이 감소시킬 수 있는 다양한 장점을 보유하고 있다. 최근 연약지반층이 존재하는 열악한 토질조건에 택지개발 현장이 늘어나고 있으므로 기존 관로의 대체품으로 GFRP관에 대한 연구가 요구 되고 있는 실정이다.
	다짐이 불량한 연성관은 어떤 문제를 발생하는가?	연성관은 관체에 작용하는 모든 하중을 주변의 지반에 전달하여 하중을 지지하게 되므로, 관에 작용하는 하중이 관의 강성을 초과할 경우, 그 압력을 주변지반으로 전달하여 관과 지반이 같이 하중을 지지하며, 하중이 사라지면 관의 형상은 원상을 회복하게 된다. 다짐이 불량할 경우에는 관에 작용하는 하중을 주변의 지반에 전달할 수 없어 소성변형을 초래하게 된다(Young 와 Trott, 1984).
	기존 관로의 대체품으로 GFRP관에 대한 연구가 요구되는 이유는?	GFRP(Glass-fiber Reinforced Plastic)관은 기존의 매설관에 비해 변형복원 능력, 무게의 경량화 등의 우수한 재료적 성질로 인하여 지중에 매설할 경우 하부 지반의 지지력 부족으로 인한 침하율이 감소되고 또한 재료의 파괴 위험성이 감소시킬 수 있는 다양한 장점을 보유하고 있다. 최근 연약지반층이 존재하는 열악한 토질조건에 택지개발 현장이 늘어나고 있으므로 기존 관로의 대체품으로 GFRP관에 대한 연구가 요구 되고 있는 실정이다. 일반적으로 적용되고 있는 유리섬유복합관(GFRP)을 지중에 매설하는 경우에 토압 및 상재하중 등의 외력에 충분히 안전하게 설계되어야 한다.

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