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㈜고비 상하수도관 ‘AB-System’ 내진 성능 ‘매우 우수’ 판정 받아
2014년 09월 05일 (금) 13:49:33 워터저널 webmaster@waterjournal.co.kr

㈜고비 상하수도관 ‘AB-System’
내진 성능 ‘매우 우수’ 판정 받아

홍익대 과학기술연구소서 지중매설 상하수도관 내진 성능 조사 결과
축방향 응력 허용 능력·연결부 신축량 매우 높아…NEP 인증도 획득

   
▲ 홍익대학교 과학기술연구소의‘내진기능을 강화한 지중매설 상하수도관 ABSystem의 거동특성 연구’에 따르면 (주)고비의 상하수도관‘AB-System’이 지진 발생시 축방향 응력의 허용 능력과 연결부의 신축량 등에서 매우 높은 것으로나타났다.
최근 한반도 인근에서 지진이 증가하고 있어 사전예방의 중요성이 강조되고 있다. ‘불의 고리(ring of fire)’로 불리는 환태평양지진대에서 최근 연쇄 지진이 발생하면서 인접한 한반도에도 강진이 찾아오는 게 아니냐는 우려가 나온다.

환태평양지진대의 강진이 한반도에 미치는 영향은 극히 낮다고 하나 한반도가 속한 유라시아판 내부의 지각활동도 점차 늘어나고 있기 때문에 한반도에서도 규모 6 이상의 지진이 언제든 발생할 수 있다는 게 전문가들의 공통된 설명이다.

홍태경 연세대 지구시스템과학과 교수는 “2011년 동일본 대지진으로 한반도 지각도 동쪽으로 25㎝ 움직이는 등 불안정한 상황”이라며, “최근 서해상에서 빈번히 발생하는 지진은 우리나라에서도 규모 6이상의 지진이 일어날 수 있다는 것을 암시한다”고 지적했다.

기상청에 따르면, 지난 8월 21일까지 올해 31회의 지진이 관측된 것으로 나타났다. 연간 국내의 지진 발생 추이를 살펴보면 2011년 52회, 2012년 56회, 2013년 93회로, 우리나라가 더 이상 지진에 있어 안전지대가 아니라는 것을 여실히 보여주고 있다.

지진 안전지대가 아니라면 철저한 대비로 피해를 줄여야 한다. 전문가들은 지진 피해를 최소화하기 위해서는 내진기능이 설계된 상하수도관이 필요하다고 입을 모은다. 이에 발맞춰 합성수지관 전문기업 ㈜고비(대표이사 신진욱·www.ab3p. com)는 내진 성능이 강화된 ‘AB-System’을 선보여 주목받고 있다. 

   
 
   
 

홍익대 과학기술연구소, 내진해석 실시

특히, ‘AB-System’은 지진 발생시 축방향 응력의 허용능력과 연결부의 신축량이 매우 높은 것으로 나타났다. 최근 홍익대학교 과학기술연구소는 ‘내진기능을 강화한 지중매설 상하수도관 AB-System의 거동특성 연구’를 통해 AB-System관의 내진해석을 실시했다. 지진해석은 시설물의 내진설계등급에 의거해 설계지진이 결정되고 지반의 특성과 내진설계등급을 가정하여 설계지진가속도가 결정되는 방식이다.

   
 

설계지진가속도는 지반의 특성구분에 의한 구역계수와 재현주기 및 내진설계등급에 의한 지진위험도계수의 곱으로 표현된다. 현재 지중매설관의 내진해석은 일반적으로 응답변위법이 가장 많이 사용되고 있다. 응답변위법은 매설관과 지반을 지반 스프링으로 치환하여 모델링한 후 지진 시 주변 지반의 자유장 거동에서 발생한 지반변위가 구조물에 미치는 거동을 해석하는 정적인 해석 방법이다.

‘AB-System’의 내진해석시 100㎜ 기준으로 토피고(土皮高) 180㎝, 상수도용 관의 평균 수압인 10bar (10.2㎏f/㎠)을 적용하여 관에 작용하는 응력에 의한 내진안전성을 조사했다. 상시하중에 의한 발생응력과 지진 시의 발생 응력을 합한 결과값이 ‘AB-System’관 직경 100㎜의 허용응력을 초과하는지 여부를 조사했으며, 변위응답법에 의한 내진해석결과 ‘AB-System’관은 상시하중과 지진하중이 작용해도 ‘AB-System’관의 허용응력 67.49MPa을 초과하지 않은 것으로 나타났다. 이에 ‘AB-System’관은 내진성능이 상당히 우수한 것으로 나타났다.

   
 

   
 

연결부 신축량 높아…지진시 안전성 갖춰

‘AB-System’관의 연결부 신축량 산정은 ‘상수도시설 내진 설계기준 마련을 위한 연구 (1999)’에 기초하여 △내압에 의한 신축량 △차량하중에 의한 신축량 △온도변화에 의한 신축량 △강제적인 부등침하에 의한 신축량 △지진시 신축량을 구하여 ‘AB-System’관의 연결부의 허용신축량에 대한 초과여부를 조사했다.

지진시 ‘AB-System’관 연결부의 신축량을 계산한 결과, 상시일 때 강제적인 부등침하를 제외하고는 신축량 변화가 미소하게 나타났다. 특히, 지진 시만 고려하면 약 2㎜의 신축량을 나타내고 있어 ‘AB-System’관 연결부는 지진 시에 매우 안전할 것으로 판단된다.

또한, 상시와 지진 시를 모두 고려할 경우 ‘AB-System’관 연결부의 허용신축량 15㎜에 비해 매우 작은 값을 나타내고 있어 ‘AB-System’관의 연결부는 더욱 큰 전단파에 대해서도 안전성을 갖출 수 있게 됐다.

유한요소해석에 의한 내진성능 평가는 모달 해석(modal analysis)의 원리를 사용하여 평가했으며, 모달 해석은 동적인 외력을 받고 있는 구조물의 동특성 또는 구조물의 특성을 해석하는 방법이다. 동특성은 공진주파수, 모드 형상, 감쇄 등이 있다. 각 모드는 구조물의 무게와 강성에 의해 좌우되는 모드 진동수에서의 자유 진동 현상이다.

Harmonic 해석은 정상상태 가진에 대한 구조물의 응답을 계산하기 위해 이용되는 방법으로 구조물이 주기적인 가진을 받고 있는 경우 구조물의 주파수 응답을 구하는 방법이다.

   
 

‘AB-System’관, 내진 성능 매우 우수

유한요소해석에 사용된 관의 제원은 ㈜고비에서 제공하는 제품규격 ‘AB-System’관(직경 100㎜)에 따라 치수를 적용했으며, ‘AB-3P+’와 ‘AB-6P+’의 재료의 역학적 성질은 인장시험에 의해 구해진 값을 적용했다. 모달해석은 ANASYS 프로그램에서 지원하는 총 6개의 모드에 대해서 수행했으며, 6개의 모드 중 가장 큰 주파수를 갖는 모드를 대상으로 Harmonic 해석을 수행했다.

1차 모드와 2차 모드는 휨에 대한 모드이고 3차 모드와 4차 모드는 비틀림, 5차와 6차 모드는 인장모드이다. Harmonic 해석에 적용된 지진하중은 0.042MPa를 사용했고 경계조건은 관 주변을 탄성지반으로 가정하여 지반강성을 24.52N/㎟로 적용했다. 모달 해석은 총 6개 모드에 대하여 수행했으며, 응답주기와 각 모드의 형상은 [그림 2∼6]에 나타냈다. [그림 1]에 나타난 바와 같이 최대 응답은 약 380Hz으로 나타났으며, 이 결과는 모드 3(비틀림 모드)에 해당하는 결과이다.

또한, 최대 응답을 적용하여 Harmonic 해석을 수행한 결과를 [그림 8]에 나타냈다. [그림 8]에서와 같이 최대 변위는 편수부에서 발생됐으며, 연결부에 발생한 최대 응력은 0.072MPa로 나타났다. Harmonic 해석 결과, 허용 응력(67.49MPa)에 비해 매우 미소하게 발생됨에 따라 ‘AB-System’관은 내진 성능이 우수한 것으로 나타났다.

이에 따라 내진 기능이 강화된 ‘AB-System’은 수돗물을 가정까지 누수없이 이송할 수 있으며, 최근 대두되고 있는 싱크홀의 원인인 누수를 막을 수 있게 됐다. ㈜고비의 ‘AB-System’은 최근 산업통상자원부의 NEP(신제품) 인증을 획득, 기술력을 인정받았다. 

   
 
   
 
   
 
   
 
   
 
   
 
   
 

 


[『워터저널』 2014년 9월호에 게재]

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