횡 하중에 대한 내하중성을 지닌 지역난방용 이중보온관의 강화벤드 연구

Title
횡 하중에 대한 내하중성을 지닌 지역난방용 이중보온관의 강화벤드 연구
Authors
김주용
Keywords
횡하중에대한내하중성을지닌지역난방용이중보온관의강화벤드연구
Issue Date
2011
Publisher
인하대학교
Abstract
본 논문에서는 횡 하중에 대한 내하중성을 지닌 지역난방용 이중보온관 강화벤드에 대한 연구를 수행하였다. 지역난방용 이중보온관은 지중에 매설되어 120℃이하의 온수를 16kgf/cm2의 높은 압력으로 공급하는데, 관 매설 시 예열온도(65℃)와 공급온도의 온도차와 압력에 의한 팽창력과 매설 토사와의 상호관계에 의하여 마찰력 및 토사반력을 받는다. 벤드(bend)는 직선으로 이어진 관의 진행방향을 변경시키는 이형관의 일종으로써 특히 토사반력에 의한 횡 하중이 크게 작용하게 되는데 일반적으로 신축흡수재인 폼패드(foam pad)를 함께 시공한다. 그러나 폼패드는 반복적으로 발생하는 열팽창력 및 토사반력 등 하중에 의해 압착되어 벤드의 횡 변위에 대한 공간을 확보하는 본연의 기능을 상실하게 되어 파손이나 내구성 저하 등의 문제를 일으킬 수 있기 때문에 폼패드를 배제하면서도 폼패드를 포함한 현 사양 수준의 구조안전성을 지닌 강화벤드(reinforced bend)의 개발이 요구된다. 강화벤드의 개발을 위하여 우선 지중에 매설되어 작동하는 지역난방용 이중보온관의 구조 및 토사와의 상호작용을 고려하여 이중보온관에 작용하는 각종 힘과 그에 따른 변위를 이론적으로 고찰하고 한계상태 설계법(limit state design, LSD)을 적용하여 이중보온관의 강도 한계상태를 규정하였다. 다음으로 지중매설 이중보온관의 유한요소 유한요소모델을 제작하고 폼패드 유/무에 따른 구조해석을 수행하여 지중매설 이중보온관에서 폼패드의 역할을 규명하였으며 구조해석 결과의 고찰을 통해 폼패드를 배제한 강화벤드 사양으로써 스케쥴상승 사양과, 전단제어링 사양, 첨가물 사양 등을 제안하였다. 제안된 강화벤드는 UTM을 이용하여 횡 하중에 대한 이중보온관의 파손 특성을 평가하는 단기 하중재하 시험(short-term loading test)과, 고온·고하중이 150일간 지속적으로 인가될 때 횡 방향 변위를 평가하는 장기 하중재하 시험(long-term loading test), 실제 벤드를 토사에 매설하고 유압잭으로 하중을 인가하고 이때의 벤드 압축강도 및 변위를 평가하는 현장 실증시험(field test)을 수행하여 시험결과를 폼패드 포함 현 사양과 비교함으로써 그 성능을 실증하였다.
Description
제 1 장 서 론 1 1.1 연구배경 1 1.2 연구동향 3 1.3 연구목적 및 내용 4 제 2 장 지중매설 이중보온관의 기초이론 10 2.1 이중보온관의 구조 10 2.2 이중보온관과 토사의 상호작용 10 2.3 지중매설 이중보온관에 작용하는 힘과 변위 12 2.4 지중매설 이중보온관의 한계상태 설계 14 2.4.1 한계상태 설계법 14 2.4.2 피로수명을 고려한 강관의 강도 한계상태 - 강관의 응력범위 15 2.4.3 PUR폼과 외관의 한계상태 16 제 3 장 지중매설 이중보온관의 구조해석 28 3.1 지중매설 이중보온관의 구조해석 기법 28 3.1.1 대상관경의 선정 28 3.1.2 지중매설 이중보온관의 CAD 형상 29 3.1.3 유한요소모델 구성 29 3.1.4 적용하중 및 경계조건 31 3.2 폼패드 특성평가 34 3.2.1 폼패드의 치수 및 시공길이 34 3.2.2 압축시험을 통한 폼패드 특성분석 35 3.2.3 에너지방법을 이용한 폼패드의 탄성계수 선형화 35 3.3 지중매설 이중보온관의 구조해석 결과 39 3.3.1 폼패드 포함 모델의 구조해석 결과 39 3.3.2 폼패드 배제 모델의 구조해석 결과 40 3.3.3 구조해석 결과 고찰 40 제 4 장 강화벤드의 설계 96 4.1 강화벤드의 설계 목표 96 4.2 강화벤드의 설계 - 스케쥴상승 사양 96 4.2.1 스케쥴상승 사양의 원리 및 관경별 스케쥴 선정 96 4.2.2 스케쥴상승 사양의 구조해석 97 4.3 강화벤드의 설계 - 전단제어링 사양 98 4.3.1 전단제어링 사양의 원리 98 4.3.2 전단제어링 형상 최적화를 위한 실험계획 100 4.3.3 실험계획에 따른 전단제어링 사양의 구조해석 101 4.3.4 관경별 최적 전단제어링 치수 결정 101 4.4 강화벤드의 설계 - 첨가물 사양 103 4.4.1 해외의 지역난방용 강화배관 개발 동향 103 4.4.2 벤치마크 강화벤드 - 압력배관 103 4.4.3 첨가물 후보 선정104 4.4.4 압축강도 평가를 통한 최종 첨가물 결정 104 제 5 장 강화벤드 실증시험 151 5.1 실증시험의 목적 151 5.2 실내 실증시험 - 단기 하중재하 시험 152 5.2.1 장치구성 및 시험방법 152 5.2.2 시험시편 및 시험용 지그제작 152 5.2.3 단기 하중재하 시험 결과 및 고찰 153 5.3 실내 실증시험 - 장기 하중재하 시험 154 5.3.1 장기 하중재하 시험 시편제작 154 5.3.2 적용하중 및 대상관경의 결정154 5.3.3 장치구성 및 시험방법155 5.3.4 장기 하중재하 시험 결과 및 고찰156 5.4 현장 실증시험 157 5.4.1 벤드압축시험용 토조 제작 158 5.4.2 벤드압축시험용 시편 158 5.4.3 벤드압축시험 방법 159 5.4.4 벤드압축시험 결과 159 5.4.5 벤드팽창특성선도 및 벤드팽창점의 제안 160 5.4.6 강화벤드의 전단강도 개선효과 고찰 163 제 6 장 결 론 260 REFERENCES 264 ACKNOWLEDGEMENT 270
URI
http://dspace.inha.ac.kr/handle/10505/22447
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College of Engineering(공과대학) > Mechanical Engineering(기계공학) > Theses(기계공학 석박사 학위논문)
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