내진기능 강화한 상하수도관 AB-System 거동특성 연구

AB-System관 내진성능 아주 우수한 연성관으로 판명
온라인팀
eco@ecomedia.co.kr | 2014-09-04 15:46:16
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국내 상하수관 내진설계는 1995년 일본의 고베 지진을 계기로 기준이 마련되면서 발전돼 왔다. 특히 1997년 지진재해대책법이 법제화된 이후 사회기반 시설물에 대한 내진설계기준이 체계적으로 정립되기 시작했다.

 

또한 최근 국내 상수도시설기준(2011) 및 하수도시설기준(2011)에서도 상하수도시설의 내진성능을 확보하기 위해 최소 설계요건을 규정화해 지진 발생시 상하수도시설의 기능을 확보하고, 시설물의 2차 재해를 발생시킬 가능성을 최소화하기 위해 신설하는 상하수도관의 경우 내진설계를 적용하고 있다.

 

△ 고비의 AB-System관의 충격 흡수 도식. (자료제공 고비)

 응답변위법 사용, 내진 기능 측정

 

최근 필자는 (주)고비의 의뢰로 홍익대부설 과학기술연구소를 통해 국내 기준에서 제시하고 있는 최소 설계요건을 고려한 내진기능을 강화한 지중매설 상하수도관 'AB-System관'의 거동특성에 대한 연구를 수행한 바 있다.

 

이번 연구에서 내진해석에는 응답변위법을 사용했으며, 이는 매설관과 지반을 지반스프링으로 치환하여 모델링을 한후 지진 발생시 주변 지반의 자유장 거동에서 발생한 지반변위가 구조물에 미치는 영향을 해석하는 방법이다.

 

이번 연구에서 수행한 관종은 (주)고비 제품의 직경이 100 mm AB-System관을 사용했으며, 일정 설계조건하의 내진성능 평가결과 축방향응력의 합계는 9.29MPa로, 물성치 허용응력 값인 67.49MPa에 비해 안전했다.

 

또, 관의 연결부 신축량을 산정하였으며 내압에 의한 신축량, 차량하중에 의한 신축량, 온도변화에 의한 신축량, 강제적인 부등침하에 의한 신축량, 지진시 신축량을 구하여 관의 연결부의 허용신축량에 대한 초과여부를 조사했다. 

 

그 결과 상시일 때 강제적인 부등침하를 제외하고 신축량의 변화가 아주 적게 나타났다. 

 

또한 상시응력과 지진시 응력을 모두 고려해도 관 연결부의 허용신축량 15mm보다 작은 4.19mm를 보였다.

 

수치적 해석 결과, 높은 내진 능력 보여

 

실험적인 연구와 더불어 수치해석적인 연구도 함께 수행했다. 설계 지진하중을 이용해 지진발생시 휨, 비틀림, 인장모드에서 발생하는 변위와 응력을 산정하여 내진설계에 반영했다. 또 ANSYS 프로그램을 이용하여 모달(Modal) 해석과 최대응답에 해당하는 모드를 바탕으로 Harmonic 해석을 수행했다.

 

Harmonic 해석에 적용된 지진하중은 지진하중 0.042MPa을 사용했고, 경계조건은 관 주변을 탄성지반으로 가정하였으며, 지반의 강성은 24.52N/㎟를 사용했다. 

 

그 결과 최대응답은 비틀림모드에서 약 380Hz를 보였으며 최대 변위는 편수부에서 발생하였다. 편수부에서 발생한 최대 응력은 0.072MPa로 나타났으며, 허용응력에 비해 매우 미미한 것으로 나왔다.

 

이러한 연구 결과를 종합할 때, AB-System관의 경우 내진성능이 아주 우수한 연성관 제조 국산 기술의 성공 사례로 평가됐다.


△ 김응호 홍익대 교수


김응호

 

홍익대학교 건설도시공학부 교수

중앙환경정책위원회 환경정책분과위원
한강수계관리위원회 자문위원
한국환경한림원 정회원
대한상하수도학회 하수도연구회 명예회장

 

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