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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.7 No.4 pp.48-55
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2016.7.4.048

Internal Pressure Capacity of GFRP Water Supply Pipe Buried Underground

Jae-Hoon Seo1 , Jong-Ho Yoo2 , Yong-Seok Won3, Soon-Jong Yoon4
1Graduate research assistant, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea
2Graduate research assistant, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea
3Graduate research assistant, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea
4Professor, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea
Corresponding author: Yoon, Soon-Jong, Department of Civil Engineering, Hongik University, 72-1 Sangsu-dong, Mapo-gu, Seoul 172-732, Korea. +82-2-400-2208, +82-2-400-2268, kosacs@hanmail.net
October 6, 2016 November 9, 2016 November 16, 2016

Abstract

In general, polyethylene (PE), polyvinyl chloride (PVC), and ductile cast iron pipes are widely used in the water supply pipeline system. However, they have some disadvantages such as reduced durability due to material degradation, defects in connections, breakage of pipelines, and difficulties in continuous maintenance. To mitigate such problems, recently, research on durable and outstanding corrosion resistant glass fiber reinforced polymer plastic (GFRP) pipe is being actively conducted. GFRP is classified into the flexible pipe and when soil pressure and live load act on buried GFRP pipe, the load acting on the pipe is transferred to the surrounding soil. So, it should review the structural behavior and interaction between buried pipe and its surrounding soil because pipe will support the load with the surrounding soil together at the same time. To apply GFRP pipe for the water supply pipeline system, the structural reliability of GFRP water supply pipe buried underground should be investigated by examining the mechanical properties of GFRP pipe as well as the soundness of the pipe under buried state. The field test of buried pipe is conducted and the results are analyzed and discussed.


지중매설 상수도용 GFRP관의 내압성능

서 재훈1 , 유 종호2 , 원 용석3, 윤 순종4
1홍익대학교 토목공학과 석사과정
2홍익대학교 토목공학과 석사과정
3홍익대학교 토목공학과 박사과정
4홍익대학교 토목공학과 교수

초록


    Hongik University

    1.서 론

    일반적으로 상수관은 폴리에틸렌(PE), 폴리염화비닐 (PVC), 덕타일 주철관 등이 널리 사용되었다. 그러나 대부분의 관로들이 노후화되어 내구성이 저하되고 연 결부의 결함, 관로의 파손, 지속적인 유지관리의 미비 등으로 인해 여러 가지 문제가 발생하고 있다. 이러 한 문제점을 해결하기 위해 최근 내구성 및 내부식성 등이 뛰어난 유리섬유복합(GFRP 또는 GRP)관에 대 한 연구 및 현장적용이 활발히 이루어지고 있다.

    연성관으로 분류되는 GFRP관을 지중에 매설할 경우 강성관과 달리 연성관은 지반과 상호작용하여 외부하 중에 대해 저항하기 때문에 지중매설 연성관의 설계 에 앞서 구조적 거동과 지중매설 연성관과 지반과의 상호작용 등을 검토해야한다 (Kim et al., 2013). 이 연구에서는 GFRP관을 상수관으로 사용하기 위해 내 경이 각각 700mm, 1200mm인 GFRP관에 대해 현장 매설실험을 통한 지중매설 GFRP관의 내압성능을 조 사, 분석하였다.

    2.현장매설실험

    2.1.현장매설실험 조건

    상수도용 GFRP관의 내압성능을 평가하기 위해 상수 도시설기준(2014) 및 도로하단 매립 시 트럭하중으로 인한 충격하중이 최대가 되는 지점인 최소 매립깊이 1.2m(수직 터파기)와 수도용 부지내 광역매설 최대 매립깊이 4.0m(제형 터파기)를 적용하여 길이가 6m인 관을 각각 3개씩 연결하고 양 끝에 반력벽을 설치하 여 시공하였다. 테스트베드의 설치 및 테스트베드 매 립깊이 결정을 각각 Fig. 1과 Fig. 2에 나타내었다.

    현장 테스트베드 실험에 사용된 GFRP관은 일반적 으로 수도용으로 사용되는 제품을 선정하였다. 사용된 GFRP관은 KS M 3370 (2013)의 규정에 따른 관으로 GFRP 상수관의 제원은 Table 1에 나타내었다.

    테스트베드의 매립 조건은 한국수자원공사 토목공 사 설계지침(2009)에서 제안하고 있는 터파기 기준을 적용하였다. 터파기 기준에 따라 터파기를 한 후 각 토피고별로 GFRP관을 설치하였다. 관 주변 기초 및 관 상단 30cm까지 모래기초를 하였으며, 되메우기는 현지의 지반토를 사용하였다. 수직 터파기 기준과 제 형 터파기 기준을 Table 2과 Table 3에 나타내었고 각 터파기의 모형도를 Fig. 3에 나타내었다.

    현장매설실험의 외압은 고정하중과 충격하중을 포 함한 활하중을 테스트베드에 재하하였다. 고정하중으 로는 토피고 1.2m와 4.0m의 흙의 무게를 재하하였고 충격하중은 도로안전시설 과속방지턱 규격을 적용하 였다. 활하중은 만차상태의 덤프트럭(37.5tonf)을 이용 하여 미충수 상태에서 활하중을 10일 동안 30회 이상 통행시켰고 충수상태에서는 30일 동안 종방향으로 100회 이상, 횡방향으로 25회 이상 통행시키며 활하 중을 재하하였다. 그리고 관 내부 배수 후에는 15일 동안 30회 이상 만차상태의 덤프트럭을 통행시키며 활하중을 재하하였다. Fig. 4는 관 상부에 재하한 하 중들을 나타내었다.

    GFRP관은 하중이 작용하였을 때 지반과 상호작용 하여 하중에 대해 저항하는 구조적 거동을 보이므로 관 주변 토사의 특성을 확인하기 위하여 현장에서 지 반 특성 시험(모래치환법에 의한 현장들밀도시험)을 수행하였다. 시험결과 관 부설 주변 토사는 되메움 토사로 적절한 SP로 분류되었고 다짐도는 최대 다짐 밀도의 90% 이상, 되메움 토사는 최대 다짐밀도의 95% 이상을 확보하고 있음을 확인하였다.

    지반 특성 시험 전경은 Fig. 5에 나타내었고 이상 에서 설명한 현장 지반 특성 시험결과는 Fig. 6에 나 타낸 흙의 다짐시험결과를 토대로 분석하였다.

    현장매설실험은 터파기, Bedding, 관설치, 반력벽 설치, 헌치부 다짐, 1차 되메우기, 2차 되메우기, Testbed 설치완료 등의 순서로 시공하였다. 현장매설 실험을 위한 시공 전경은 Fig. 7에서 각 단계별로 보 여주고 있다.

    2.2.정압시험

    장시간 내압이 걸릴 때의 GFRP관의 내압성능을 평가 하기 위해 상수도 표준시방서(2014)에서 제안하고 있 는 수압시험 기준을 적용하여 시험을 수행하였다. 압 력조건은 1개월 동안(장기간 사용조건 모사) 15bar 이 상의 내압이 작용할 경우 지중매설 GFRP관에 외압이 작용하여도 내압이 일정 압력으로 유지되는지를 측정 게이지에 연결한 데이터 로거를 통해 수치화하고 압 력변화 추이를 확인하였다.

    정압시험 결과 복합하중(내압+외압)이 작용하여도 15bar 이상의 내압이 일정하게 유지됨을 알 수 있었 다. 토피고가 4.0m일 때의 정압시험 결과는 Fig. 8(a) 에 토피고가 1.2m일 경우의 정압시험 결과는 Fig. 8(b)에 각각 나타내었다.

    2.3.반복 압력시험

    상수도관은 유체를 송수, 도수를 할 경우 유속이 커 지면 밸브를 조작할 때 비정상적인 유량변동으로 인 해 압력이 불안정하거나 관 내면의 마찰 등이 발생하 기 때문에 내압을 감가압하여도 관체를 유지하여야한 다. 이러한 감가압 상황에서의 내압성능을 평가하기 위해 상수도시설기준(2010)에서 제안하고 있는 수압 시험 기준을 적용하여 반복 압력시험을 수행하였다. 시험은 정압시험이 끝난 후 회당 30분간 15~20bar의 반복 압력(수충압 모사)을 가하였다.

    반복 압력시험 결과 관 연결부의 이탈, 누수 등으 로 인한 내압감소가 발생하지 않았고 15bar 이상의 내압이 일정하게 유지됨을 알 수 있었다. 토피고가 4.0m일 때의 반복 압력시험 결과는 Fig. 9(a)에 토피 고가 1.2m일 경우의 반복 압력시험 결과는 Fig. 9(b) 에 각각 나타내었다.

    2.4.연결부 수밀성 실험

    지중매설 GFRP관 연결부의 수밀성을 평가하기 위해 연결부 수밀성 실험을 수행하였다. GFRP관에 KS 규준에서 제시하고 있는 최대 허용 드로우를 적용하 였다. 내경 700mm인 경우, 각변형 드로우(25mm)와 허용드로우(18mm)를 적용하여 총 43mm의 드로우를 적용하였고 내경 1200mm인 경우, 변형 드로우 (21mm)와 허용드로우(18mm)를 적용하여 총 39mm의 드로우를 적용하였다. 드로우를 적용한 뒤 배수 후 복합하중(내압+외압)에 의한 드로우를 각 관에서 3 시, 6시, 9시, 12시 방향으로 확인하였다. 연결부 수 밀성 실험의 모형도를 Fig. 10에 나타내었다.

    연결부 수밀성 실험결과 복합하중이 작용하여도 각 관의 총 드로우 변화가 미미함을 확인할 수 있었다. 연결부 수밀성 실험결과를 Fig. 11에 나타내었다.

    2.5.관변형 측정

    현장매설실험이 진행되는 동안 ASTM D 2412 (2012) 에서 제안하고 있는 허용관변형 5%이상의 변형이 발 생하여 구조적인 문제가 발생하는지 평가하기 위해 GFRP관의 관변형을 측정하였다. 지중매설된 GFRP관 의 관변형 측정은 내경 700mm관과 내경 1200mm관의 좌우측에서 측정하였다. 관경별로 GFRP관은 1개소 당 수직방향과 수평방향을 Laser Distance Meter로 4 개소의 관변형을 측정하였으며 총 24개소의 관변형 을 측정하였다. GFRP관의 관변형 측정 위치를 Fig. 12에 나타내었다.

    GFRP관의 관변형 측정은 GFRP관 매립후 미충수 상태, 복합하중(내압+외압)이 가압한뒤 배수한상태, 추가 트럭하중을 재하후 미충수상태에서 수직방향과 수평방향의 관변형을 토피고별로 측정하였다. 관변형 측정결과를 Fig. 13과 Fig. 14에 각각 나타내었다.

    관변형 측정결과 복합하중이 작용한 경우 모든 관 에서의 수직 및 수평 관변형은 1% 미만으로 발생하 였다.

    3.결 론

    이 연구에서는 GFRP관을 상수관으로 사용하기 위해 내경이 700mm, 1200mm인 GFRP관에 대해 현장매 설실험을 통한 지중매설 GFRP관의 내압성능을 조 사, 분석하였고, 다음과 같은 결론을 얻었다.

    1. 지중매설 GFRP 상수관의 정압시험 결과, 허용 압력 10bar 이상의 압력인 15bar가 관에 1개월 동안 작용하여도 15bar 이상의 내압이 유지됨을 알 수 있 었다. 이 결과를 통하여 장기간 사용조건하에서도 지 중매설 GFRP 상수관의 내압성능이 유지됨을 알 수 있었다.

    2. 반복 압력시험의 결과, 15 ~ 20bar의 압력을 회당 30분간 반복하여 재하하여도 관의 내압이 관 연 결부 이탈, 누수 등으로 인하여 감소되는 현상이 없 이 15bar 이상으로 유지됨을 알 수 있었다. 이 결과 를 통하여 수충압상태에서도 지중매설 GFRP 상수관 의 내압성능이 유지됨을 알 수 있었다.

    3. 연결부 수밀성 실험결과, 복합하중(내압+외압) 이 작용하여도 최대 허용 드로우인 18mm를 적용시킨 관의 드로우 변화가 미미하였다. 따라서 연결부 수밀 성에 문제가 없음을 확인할 수 있었다.

    4. 관변형 측정결과, 수직 및 수평 관변형은 1% 미만으로 ASTM D 2412 (2012)에서 제안하고 있는 허용관변형 5%미만이므로 실험에 사용된 GFRP관은 구조적으로 안전하며 관 재료는 압력으로 인한 소성 변형이 없는 탄성한계 내에 존재한다는 것을 확인하 였다.

    따라서 지중매설 GFRP 상수관을 압력관으로 사용 하여도 충분한 내압을 유지시킬 수 있는 강성을 가지 고 있음을 알 수 있었다.

    감사의 글

    이 논문은 2016학년도 홍익대학교 학술연구진흥비에 의하여 지원되었으며 현장매설실험에 협조해주신 (주) 코오롱인더스트리에 감사를 드립니다.

    Figure

    KOSACS-7-4-48_F1.gif

    Testbed setting

    KOSACS-7-4-48_F2.gif

    Determination of excavation depth of testbed (Kolon Industries, 2015)

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    Testbed excavation depth

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    Dead load and impact load include live load

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    Field density test

    KOSACS-7-4-48_F6.gif

    Soil compaction test curve

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    Overview of testbed construction

    KOSACS-7-4-48_F8.gif

    Result of constant pressure test

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    Result of repeated pressure test

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    Schematic view of watertightness in the connection

    KOSACS-7-4-48_F11.gif

    Test result of watertightness in the connection (4.0m, 1.2m)

    KOSACS-7-4-48_F12.gif

    Schematic view of ring deflection measurement

    KOSACS-7-4-48_F13.gif

    Result of ring deflection measurement (1.2m)

    KOSACS-7-4-48_F14.gif

    Result of ring deflection measurement (4.0m)

    Table

    GFRP pipe dimension

    Vertical excavation conditions

    Trapezoidal excavation conditions

    Reference

    1. ASTM D 2412 (2012) “Standard Test Method for Determination of External Loading Characteristics of Plastic Pipe by Parallel-Plate Loading”, American Society for Testing and Materials (ASTM),
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