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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.1 pp.1-8
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.1.001

Long-Term Internal Pressure Performance Evaluation of a GFRP Water Supply Pipe Buried Underground

Dong-Hoon Lee1, Sooyoung Kim2, Hyoung kyu Lee3
1Representative director, 30, Songdomirae-ro, Yeonsu-gu, Incheon 21990, Korea
2Senior Researcher, Construction Safety Research Institute, Korea Testing & Research Institute, 68, Gajaeul-ro, Seo-gu, Incheon 22829, Korea
3Professor, Department of Civil Engineering, Seoil University, 28, Yongmasan-ro 90-gil, Jungnang-gu, Seoul 02192, Republic of Korea

본 논문에 대한 토의를 2021년 03월 31일까지 학회로 보내주시면 2021년 04월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Lee, Hyoung kyu Department of Civil Engineering, Seoil University, 28, Yongmasan-ro 90-gil, Jungnang-gu, Seoul 02192, Republic of Korea. Tel: +82-2-490-7442, Fax: +82-2-490-7809 E-mail: soilgeo@seoil.ac.kr
January 25, 2021 February 1, 2021 February 2, 2021

Abstract


This study investigates the effect of installing a test bed on the structural behavior of a pipe buried underground. A glass fiber-reinforced polymer (GFRP) pipe was used as the water supply pipe. In addition, the mechanical properties of the GFRP pipe were investigated, and pipe stiffness was estimated. Allowable draw, high pressure (1.5–2.0 times the operating pressure), and live load suggested in the KS standard were applied. When the combined loads were applied inside and outside the pipe, the changes in the internal pressure and the behavior of the pipe were observed. It was confirmed that the GFRP pipe had sufficient internal pressure even when it was used as a water supply pipe for long-term.



지중매설 상수도용 GFRP관의 장기 내압 성능 평가

이 동훈1, 김 수영2, 이 형규3
1에코그리드 대표
2한국화학융합시험연구원 선임연구원
3서일대학교 토목공학과 교수

초록


이 연구는 GFRP관을 상수도관으로 사용하기 위해 테스트베드를 설치하여 지중매설된 관의 구조적 거동에 미치는 영 향을 조사하였다. 또한, GFRP관의 역학적 성질을 조사하고 관 강성을 추정하였다. KS규격에서 제시하고 있는 허용드로우와 고 압력(사용압력의 1.5∼2.0배), 트럭하중을 적용시켜 관 내부와 외부의 복합하중이 작용할 경우 관 내압의 변화와 관의 거동을 확 인하였다. 그 결과, 상수관으로 GFRP관을 장기 사용하여도 충분한 내압을 가지고 있음을 확인하였다.



    1. 서 론

    지중매설 상수관으로 주로 사용되는 재료는 열가소 성수지나 강재 재질로 구성하고 있다. 특히, 상수관 이 노후화됨에 따라 누수 및 파손 등으로 인해 관망 의 도수능력이 감소되고, 수질이 나빠지는 등의 문 제점이 발생하고 있다. 또한, 열가소성수지나 강재 재질의 경우 시간이 지남에 따라 부식, 수송유체, 내 압, 외압 등에 의해 관의 내구성 및 구조적 안전성 이 저하되고 외부의 압력으로 인해 부분적인 파손의 위험성뿐만 아니라 경제적인 손실, 관로 하부의 지 반침하에 의한 변형, 관로 하부의 지지력 부족으로 인한 변형 등으로 인해 대형사고로 이어질 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 섬유강화 열경화성 플라스틱(fiber reinforced thermosetting polymer plastic, FRP) 재질로 구성된 지중매설관의 적용이 활성화되 고 있다.

    Lee et al. (2009)은 상수도용 유리섬유복합관 (GFRP관, Glass fiber-reinforced polymer)의 안전성을 평가하기 위해 유리섬유복합관의 역학적 성질을 이 론적, 해석적으로 조사하였고 규격을 참고하여 관의 내압과 외압을 평가하였다. Kim et al. (2015)은 상수 도관으로 주로 사용되는 경질폴리염화비닐관 재료의 역학적 성질, 국내외 문헌을 통홰 관 설계방법을 조 사하였으며, 휨실험을 수행하여 관 연결부 이탈여부 도 확인하였고 지중매설한 상태의 관의 구조적 거동 을 유한요소해석을 통해 예측하였다. 또한, Lee et al. (2020)은 연성관의 단기거동 특성을 반영한 합리적인 연성관 설계법 및 그에 따른 연성관 시공의 유의점 을 제시하였다. Kim et al. (2010)은 수치해석을 통해 지중 매설된 GFRP관의 적용성을 검토하였고, Seo et al. (2016)은 지중매설 GFRP관의 내압성능을 조사, 분석하였으며, Hong and Lee (2019)는 GFRP배관의 장기성능을 평가하기 위해 ASTM D 5365 (2018)에 따라 실험을 통해 50년 후의 장기 거동을 예측하였 다. Lee et al. (2020)은 지중매설 GFRP 관의 단기거 동을 예측하기 위해 관의 강성, 되메움토의 지반반 력계수, 관의 기초각에 따른 관변형 차이에 대한 매 개변수해석을 수행하였다. Kim et al. (2019)는 GFRP 관의 장기거동을 예측하기 위해 이론적, 실험적, 해 석적 연구를 통해 장기 거동을 예측하였다.

    GFRP관을 상수관으로 사용하기 위해서는 GFRP 관의 역학적 특성을 파악하고 내압에 대한 장기거동 도 예측해야 장수명으로 GFRP관을 사용할 수 있다.

    연성관으로 분류되는 GFRP관을 지중에 매설할 경우 강성관과 달리 연성관은 지반과 상호작용하여 외부하중에 대해 저항하기 때문에 지중매설 연성관 의 설계에 앞서 구조적 거동을 명확히 이해해야 하며 기초, 관주변의 토사, 되메움토의 특성, 하중 등 지중 매설 상태에서 관의 구조적 거동에 미치는 영향을 모 두 고려해야 한다. 이 연구에서는 GFRP관을 상수도관 으로 적용하기 위해 Seo et al. (2016)의 연구를 추가적 으로 진행하였으며, GFRP관의 시공환경 중 매립조건, 하중조건을 반영하여 테스트베드를 설치하여 장기적 사용을 감안한 가혹 조건에서의 거동을 평가하고자 KS규격에서 제시하고 있는 허용드로우와 고압력, 트 럭하중을 적용해 관 내, 외부의 복합하중이 작용할 경 우 관 내압의 변화와 관의 거동을 확인하였다.

    2. GFRP관의 재료적 특성

    상수도용 GFRP관의 설계 및 시공을 위해서는 관을 구성하는 재료인 GFRP의 역학적 성질을 파악하여야 한다. 이 연구에서는 이러한 GFRP에 대한 인장강도 시험 및 원강성시험을 수행하였다.

    2.1 관 길이방향에 대한 인장강도시험

    이 연구에서 수행된 인장강도시험은 KS M ISO 8513 (2015) 및 KS M ISO 8521 (2019)를 참조하여 수행하였다. Fig. 1과 같이 제작된 시편을 UTM에 설 치하여 변위제어방식으로 1.0 mm/min의 속도로 하중 을 재하하였다. 재하된 하중과 변형률게이지(strain gage)로 측정된 관변형은 데이터 수집장치(data acquisition system)을 통해서 컴퓨터에 자동으로 전 달, 기록, 저장되도록 하였다. GFRP의 관 길이방향 인장강도시험 결과는 Table 1과 같다.

    2.2 관 원주방향에 대한 인장강도시험

    GFRP관의 원주방향에 대한 인장강도는 KS M ISO 8521 (2019)를 참조하여 널링실험을 수행하였다. 이 실험에서 사용한 시편의 제원은 현장매설실험에 사 용될 구경 700mm 및 1,200 mm 관에 대해 각각 수 행하였다. 하중조건은 10mm/min의 속도로 재하하였 다. Fig. 2는 원주방향에 대한 인장강도시험 전경이 며, 실험결과는 Table 2와 같다.

    2.3 원강성시험

    GFRP관의 원강성시험은 KS M ISO 7685 (2019)KS M ISO 10466 (2019)를 참조하여 수행하였다. GFRP관의 원강성시험은 Fig. 3과 같이 100 kN 용량 의 원강성시험기를 이용하여 36.7mm/min의 속도로 하중을 재하하였다. 원강성시험의 시편은 700mm와 1,200mm에 대해 각각 수행하였다. 시험결과 값은 Table 3에 나타내었다. Table 3에 나타낸 관 강성 (pipe stiffness, PS)은 ASTM D 2312 (2012)에서 제안 하는 식 (1)을 통해 구할 수 있다.

    P S = F Δ y = 6.7 E I r 3
    (1)

    여기서, PS 는 pipe stiffness (kN/m2 )로 5% 관변형 이 발생했을 때의 단위 길이 당 힘을 변위로 나눈 값이다. 또한, F 는 단위 길이 당 힘(kN/m), Δy는 5% 관변형(mm), E는 탄성계수(N/mm2), I 는 단위 길이 당 단면 2차 모멘트(mm3), r은 관의 반경(mm) 이다.

    3. GFRP관의 구조적 성능평가

    이 연구에서는 상수도용 GFRP관의 사용 시 안전성 을 검증하기 위해 실제 시공조건을 모사한 GFRP관 의 테스트베드를 설치하고, 약 2개월에 걸쳐 GFRP 관의 구조적 거동을 파악하였다.

    3.1 테스트베드 시공

    현장 테스트베드 실험에 사용된 상수도용 GFRP관은 내경 700mm, 1,200mm인 GFRP관이다. 테스트베드에 설치하여 검증할 상수도용 GFRP관은 Table 4와 같 이 KS M 3370 (2020)의 규정을 따른 관으로 최소 초기 강성 값인 공칭강성(nominal stiffness, SN )은 SN10000이고 내압에 저항하는 압력인 공칭압력 (nominal pressure, PN )이 10bar인 관을 적용하였다.

    또한, 매설깊이의 영향을 고려하기 위해 매설깊 이 1.2m 및 4.0m에 대해 각각 테스트베드를 설치하 였다. Fig. 4는 상수도용 GFRP관 테스트베드 매설 측면도이며, Fig. 5는 테스트베드 시공 전경이다.

    테스트베드에 적용한 외압에는 고정하중(토압), 활하중 및 충격하중을 적용하였다. 고정하중은 토피 고 1.2m 및 4.0m에 대해 각각 실험을 수행하였고, 활하중은 Fig. 6에 나타낸 것과 같이 만차상태의 덤 프트럭(37.5tonf)을 이용하였다. 덤프트럭은 미충수 상태에서 10일 동안 30회 이상 통행시켰고, 충수상 태에서 30일 동안 종 방향 100회 이상, 횡 방향 25 회 이상 통행시켰다. 또한, 충격하중을 고려하기 위 해 과속방지턱을 관 상부 토피 위에 설치하여 적용 하였다.

    3.2 내압실험

    내압시험은 장시간 내압이 걸릴 때의 GFRP관의 수 압성능을 평가하기 위한 정압시험과 유체를 송수, 도수 할 때 발생할 수 있는 유량변동으로 인한 압력 불안정을 모사한 감가압 시험을 수행하였다.

    3.2.1 정압실험

    정압시험은 상수도 표준시방서(2014)에서 제시하고 있는 유리섬유강화플라스틱관의 수압시험방법을 참 조하여 수행되었다. 1개월 동안 15bar 이상의 내압이 작용할 경우 지중매설 GFRP관에 외압이 작용하여도 내압이 일정 압력으로 유지되는지를 측정게이지를 통해 조사하고 압력변화 추이를 확인하였다. 정압시 험결과 복합하중(내압+외압)이 작용하여도 15bar이 상의 내압이 꾸준히 유지됨을 Fig.7을 통해 확인하 였다.

    3.2.2 반복 감가압 압력실험

    이 연구에서는 30일간 테스트베드에서 15bar 이상의 내압을 유지시킨 GFRP관에 30분 동안 15∼20bar의 압력을 반복적으로 가하는 방법으로 수행되었으며, 이 과정에서 관에 누수 및 파손이 발생하는지를 확 인하였다. 토피고 1.2m와 4.0m에서 반복 압력시험 결과 Fig. 8과 같이 관 연결부 이탈, 누수 등으로 인 하여 내압이 떨어지는 현상은 발생하지 않았다. 이 러한 결과로 인해 지중매설 GFRP관을 압력관으로 사용하여도 충분히 내압을 유지시킬 수 있는 강성을 가지고 있음을 확인하였다.

    3.3 연결부 수밀성 시험

    토피고별 지중매설 GFRP관의 적용드로우 변화를 확 인하기 위해 배수 후 복합하중으로 인한 적용드로우 와 미충수 상태에서 차량하중을 재하한 뒤 적용드로 우를 확인하였다. GFRP관 연결부의 이탈 및 누수여 부를 육안으로 확인하였다. 그 결과 Fig. 9∼Fig. 10 과 같이 매립 뒤 가압된 이후 추가 트럭하중이 재하 되었을 때 관의 적용드로우의 변화가 거의 없음을 확인하였다.

    4. GFRP관의 장기 내압성능 예측

    GFRP관을 상수도관으로 장기간 사용하기 위해서는 실제로 사용하는 관로의 최대정수압과 수격압인 내 압을 고려해야 하며, 토압, 노면하중 및 지진력, 활 하중(트럭하중 등) 등을 감안해야 한다. 지중매설 GFRP관은 내압과 토압이나 활하중과 같은 외압으로 인해 관의 원주방향으로 휨응력을 받기 때문에 관을 시공할 때 세심한 주의가 요구된다. 특히, 상수도관 을 지중매설관으로 사용할 경우 압력에 대한 저항성 이 뛰어나야 한다. 또한, GFRP관의 장기 제품성능에 대한 신뢰성을 평가하기 위해서는 KS M 3370 (2020), ISO 10639 (2017)에서 제안하고 있는 압력관 의 장기비원강성(습식조건), 장기극한 내 파괴성능, 장기파괴압력, 주기적 내부압력에 대한 저항 성능에 대한 시험을 수행하도록 규정하고 있다. KS M 3370 (2020)에서 제안하고 있는 장기거동 압력 추정식은 식 (2)와 같다.

    p o p o , d = C × P N R η t × 1 ( 1 Y × 0.01 × 1.96 )
    (2)

    여기서, po는 초기 파괴압력 시험결과(10-1 MPa), po,d는 최소 설계압력, PN은 공칭압력, R 은 압력 회 귀비율, ηt은 안전계수, Y는 오차계수, 1.96은 97.5 % 하한신뢰계수, C 는 초기 압력비이다.

    식 (2)의 장기거동 압력은 2절의 GFRP의 역학적 성질을 사용하여 최소 설계압력을 구한뒤 50년 후 최소 파괴압력(minimum mean failure pressure at 50 years)을 회귀분석을 통해 예측하였다. 식 (2)에서 적 용되는 안전계수는 관에 대한 휨응력과 압력에 의한 복합응력을 고려하여 공칭압력(PN )과 동일한 압력으 로 운전되는 지중매설관에 대한 값으로 Table 5에 나타내었다.

    KS M 3370 (2020)에서 제안하고 있는 시간경과에 따른 관의 압력을 예측하여 Table 6에 정리하여 나 타내었으며, 시간경과에 따른 GFRP관의 압력변화 양상은 Fig. 11에 나타내었다.

    Fig. 11은 log scale로 표현되었으며, 가로 1은 10 시간을 의미한다. 또한 가로축의 0.1hr은 6분, 438,000hr은 50년을 나타낸다. 이와 같은 방법으로 추정한 50년 후 관의 장기 파괴압력(즉, 50년 후 관 이 파괴 될 때의 압력)은 테스트베드에 적용한 내압 15bar 보다 월등히 높은 값이다. 따라서, 50년 후에 도 관의 강성 및 강도가 저하되더라도 15bar의 내압 을 견디는 것에는 문제가 없을 것이라 판단된다.

    5. 결 론

    이 연구에서는 기존에 널리 사용되는 상수관로 대체 관종으로 GFRP관을 사용하기 위해 관의 구조적 거 동특성 평가, 설계방법 조사 및 테스트베드를 설치 하여 GFRP관의 현장 적용성 실험을 수행하였으며, 이 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다.

    • (1) GFRP관의 원주방향 탄성계수 및 관의 강성 을 측정한 결과 DN700일 경우 각각 18.53 GPa, 13,191N/m2, DN1200일 경우 각각 16.68 GPa, 11,895N/m2으로 조사되었다.

    • (2) 토피고에 따른 지중매설 GFRP관의 정압실험 은 30일간 15bar의 내압을 유지시키고, 활하 중을 종 방향으로 100회 이상, 횡 방향으로 25회 이상을 재하한 결과 지중매설 GFRP관 은 15bar 이상의 내압을 유지하였다. 또한, 반 복 압력시험은 15∼20bar의 반복압력을 가하 여도 관 연결부의 누수 및 관 이탈이 발생하 지 않았다. 따라서, GFRP관을 압력관으로 사 용하여도 구조적 안전성을 확보하고 있는 것 으로 확인되었다.

    • (3) 관 연결부에 설계규준에서 제안하고 있는 허 용드로우보다 큰 최대드로우 값을 적용한 결 과, GFRP관 연결부에서 누수는 발생하지 않 았으며, 적용드로우 값의 변화도 없었다. 또 한, 지중매설 GFRP관에 복합하중(내압+외압) 이 작용하여도 GFRP관 연결부에서는 이탈현 상이 발생하지 않음을 확인하였다. 이러한 이 유는 테스트베드의 토사가 안정되어 추가적 인 드로우가 발생하지 않은 것으로 판단된다.

    • (4) 재료시험을 통해 구한 GFRP관 재료의 원주 방향 인장강도 결과를 바탕으로 KS M 3370 (2020)에서 제안하고 있는 50년 후의 GFRP관 의 장기 내압성능을 회귀분석을 통해 추정하 였다. 50년 후의 GFRP관의 장기 내압을 예측 한 결과, DN700, DN1200에서 각각 51.9bar, 59.8bar가 예측되었으며, 이 값은 1.55의 안전 율이 적용되어 있는 값이다. 따라서, 50년 후 GFRP관의 장기 파괴내압 예측결과는 테스트 베드에서 제한한 15bar보다 월등히 높기 때문 에 GFRP관은 50년 후에도 충분한 내압성능 을 가지고 있다고 판단된다.

    Figure

    KOSACS-12-1-1_F1.gif
    Longitudinal Tensile Test for GFRP
    KOSACS-12-1-1_F2.gif
    Circumferential Tensile Test for GFRP
    KOSACS-12-1-1_F3.gif
    Pipe Stiffness Test for GFRP Pipe
    KOSACS-12-1-1_F4.gif
    Side View of GFRP Pipe Test Bed
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    Construction of GFRP Pipe Test Bed
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    Process of Acting Live Load
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    Results of Static Pressure Test
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    Results of Dynamic Pressure Test
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    Result of Draw Measurement (4.0 m)
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    Result of Draw Measurement (1.2 m)
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    Prediction of 50 Years Later Long-term Fracture Internal Pressure

    Table

    Results of Longitudinal Tensile Test for GFRP
    Results of Circumferential Tensile Test for GFRP
    Results of Pipe Stiffness Test for GFRP Pipe
    GFRP Pipe Used Test-bed
    Safety Factor
    Result of Long-term Fracture Internal Pressure Prediction

    Reference

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