An Investigation of Structural Behavior of Underground Buried GFRP Pipe in Cooling Water Intake for the Nuclear Power Plant

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(1)한국복합신소재구조학회 논문집 제6권, 제2호, 2015년 6월 J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Vol. 6, No. 2, pp. 91-96, June 2015 DOI http://dx.doi.org/10.11004/kosacs.2015.6.2.091. ISSN 2093-5145(Print) ISSN 2288-0232(Online). 원전 냉각수 취수용 지중매설 GFRP관의 구조적 거동 조사 이형규1 · 박준석2 서일대학교 토목과 교수1, 홍익대학교 과학기술연구소2. An Investigation of Structural Behavior of Underground Buried GFRP Pipe in Cooling Water Intake for the Nuclear Power Plant Lee, Hyoung-Kyu1 · Park, Joon-Seok2 2. 1 Professor, Department of Civil Engineering, Seoil University, Seoul, Korea Post-Doctor, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea. Abstract: GRP pipe (Glass-fiber Reinforced Plastic Pipe) lines making use of FRP (Fiber Reinforced Plastic) are generally thinner, lighter, and stronger than the existing concrete or steel pipe lines, and it is excellent in stiffness/strength per unit weight. In this study, we present the result of field test for buried GRP pipes with large diameter(2,400mm). The vertical and horizontal ring deflections are measured for 387 days. The short-term deflection measured by the field test is compared with the result predicted by the Iowa formula. In addition, the long-term ring deflection is predicted by using the procedure suggested in ASTM D 5365(ANNEX) in the range of 40 to 60 years of service life of the pipe based on the experimental results. From the study, it was found that the long-term vertical and horizontal ring deflection up to 60 years is less than the 5% ring deflection limitation. Key Words: GRP pipe, field test, ring deflection, short-term ring deflection, long-term deflection. 1. INTRODUCTION 기존 원자력발전소에 시공되는 냉각수 취수관로는 강재나 콘크리트로 제작하였으며, 시간이 경과함에 따 라 수송유체 및 지하수 등에 의한 부식으로 관의 내 구성이 저하되어 구조적 안전성이 결여되고, 부분적인 파손의 위험뿐만 아니라 관의 수명이 단축되는 경우 가 빈번하게 발생하고 있다. 이러한 강재 또는 콘크리 트 지중매설관의 문제점은 경제적인 손실은 물론 지 반침하 등의 대형사고로 이어질 수도 있다. 특히 콘크 리트 관은 재료의 취성으로 인해 상재하중에 의한 진 동 등에 의한 균열이 발생하고, 중성화, 보강철근의 부식 등 내구성의 감소 원인들로 인한 지속적인 유지 관리가 필요하다. 이러한 기존 지중매설관의 문제점을 해결하기 위해 섬유강화플라스틱(fiber reinforced. polymer plastic, FRP) 재질로 구성된 지중매설관의 적용이 활성화되고 있다(Research Report, 2011). 기존 연구(Research Report, 2011)에서는 유리섬유 FRP(glass fiber reinforced polymer plastic, GFRP) 로 제작된 지중매설관을 GRP관(glass fiber reinforced polymer plastic pipe)로 규정하고 있다. GRP관은 폴 리에스터나 비닐에스터 등 열경화성(thermosetting)수 지에 유리섬유(glass fiber)를 조합하여 제작된 복합소 재의 관으로 유리섬유를 이용하여 플라스틱의 단점인 강성을 보강하면서 플라스틱의 장점인 경량성, 내구 성, 복원성 등을 극대화시킨 관이다. GRP관은 타 관 종과 비교할 때 재료 자체의 우수한 강성과 강도로 우수한 복원력을 보유하고 있고, 타 관종과의 호환성 등이 우수하며, 지중에 매설할 경우 하부지반 지지력 부족으로 인한 침하율 저감, 침하에 따른 재료의 파손 위험성을 저감시킬 수 있는 등 다양한 장점을 보유하. 주요어: GFRP 관, 현장실험, 관변형, 단기 관변형, 장기 관변형 Corresponding author:: Lee, Hyoung-Kyu Department of Civil Engineering, Seoil University, Yongmasan-ro 90-gil, Jungnang-gu, Seoul 131-702, Korea. Tel: +82-2-490-7442, Fax: +82-2-490-7438, E-mail: [email protected] Received June 3, 2015 / Revised June 8, 2015 / Accepted June 10, 2015. Korean Society for Advanced Composite Structures. 91.

(2) Lee, Hyoung-Kyu · Park, Joon-Seok. 고 있다. 또한, 보강섬유의 배치 및 보강량에 따라서 역학적 성질을 달리할 수 있기 때문에 다양한 조건을 만족시킬 수 있도록 재료의 설계가 가능하다. GRP관은 콘크리트관과 같은 강성관(rigid pipe)과 달리 지반과 상호작용하여 외부하중에 대해 저항하기 때문에 연성관(flexible pipe)으로 분류하며, 지중매설 연성관의 설계에 앞서 구조적 거동을 명확히 이해하 여야 한다. 즉, 지중매설 연성관의 설계는 기초, 관 주 변 토사, 되메움토의 특성, 하중 등 지중매설 상태에 서 관의 구조적 거동에 미치는 영향을 모두 포함하여 검토하여야 한다. 따라서, 이 논문에서는 GRP관에 대 하여 재료실험, 현장매설실험을 통한 단기 관변형을 조사하고 이를 바탕으로 ASTM D 5365(ANNEX)에 서 제시하고 있는 장기 관변형 예측방법을 적용하여 GRP관의 장기 거동 예측을 수행하였다.. 2. Mechanical Properties of GRP Pipe GRP관은 FRP를 주재료로 하고, 원주방향으로 연속섬유를 사용하기 때문에 원주방향의 강성과 강 도가 우수하고, 관변형이 발생해도 복원력이 강하며, 시간경과에 따른 변형의 증가가 거의 없다. 또한, 표 면이 유리처럼 매끄러워 같은 구경의 다른 관보다 더 많은 유체를 이송할 수 있고, 하수관의 경우 통 수성이 좋으므로 시공각도(경사)를 작게 할 수 있어 토공량을 줄일 수 있기 때문에 공항 등과 같은 평탄 한 지형에 매설되는 관공사에 특히 적합하다. 이 연 구에서는 RTRP관으로 제작된 GRP관의 물리적 성 질 및 역학적 성질은 Table 1에 나타내었다. RTRP(reinforced themosetting resin pipe)관은 전단면이 FRP로 구성된 관으로서, 보강섬유는 유리 섬유, 레진은 비닐에스터(vinylester)로 제작되었다. 지중에 매설된 GRP관의 구조적 거동을 예측하기 위해서는 GRP관을 구성하는 재료의 역학적 성질을 파악하여야 한다. 이 연구에서는 GRP관을 구성하는 필라멘트와인딩 FRP(Filament winding FRP, FFRP) 에 대한 원강성실험을 수행하여 지중매설된 GRP관 의 설계를 위한 GRP관의 원강성을 조사하였다. GRP관의 원강성시험은 KS M ISO 10466(2004)을 참고로 하여 수행하였다. 원강성시험에 사용된 시편 은 내경 2,400mm, 두께 44.5mm, 폭 480mm로 제작 하였다. GRP관의 원강성시험은 Fig. 1에 나타낸 것과 같 이 100kN 용량의 원강성시험기를 이용하여 하중을 재하하였으며, 하중은 변위제어방식으로 12.5mm/min 의 속도로 재하하였다.. 92. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. Table 1. Mechanical Properties of GRP Pipes Description. GRP (RTRP). AWWA M45. Diameter (mm). 2,400. -. Thickness (mm). 44.5. -. 303.3. 14 ~ 550 MPa. 41.6. 3.5 ~ 34.5 GPa. 22.3. -. 164.0. 14 ~ 550 MPa. 12.4. 3.5 ~ 34.5 GPa. 211.0. 69 ~ 275 MPa. 12.2. -. 175.0. 28 ~ 480 MPa. 11.0. 6.9 ~ 34.5 GPa. 256.0. -. HDB (for stress) (MPa). 97.5. -. HDB (for strain) (%). 0.653. -. Sb (%). 1.41. -. 0.159. -. 288.66. -. Tensile strength (MPa) of Hoop Tensile modulus elasticity (GPa) Bending modulus of elasticity (GPa) Tensile strength (MPa) Tensile modulus of elasticity (GPa) Compressive strength (MPa) Axial Compressive modulus of elasticity (GPa) Bending strength (MPa) Bending modulus of elasticity (GPa) Izod impact strength (J/m). Poisson’s ratio 2. Pipe stiffness (kN/m ). Fig. 1 Parallel Plate Loading Test Set-up. Fig. 2 Result of Parallel Plate Loading Test. 원강성시험으로부터 얻은 GRP관의 하중-변위관계를 Fig. 2에 나타내었다..

(3) An Investigation of Structural Behavior of Underground Buried GFRP Pipe in Cooling Water Intake for the Nuclear Power Plant. 며, 관의 접합부 누수의 영향도 고려된 것이다 (Watkins, 2000).. 3. Design of Ring Deflection ASTM D 2412 (2010)에서 제안하고 있는 지중 매설된 연성관에 대한 설계는 연성관에 대한 변형을 식 (1)에 나타낸 바와 같이 계산하고, 이 변형을 5% 로 제한하고 있으며, 관에 발생하는 휨모멘트 및 휨 응력의 검토에 대해서는 언급하고 있지 않다 (Watkins, 2000; Kim, etal., 2012; AWWA, 2005; ASTM D 2412, 2011)..   .       ′. (1). 식 (1)에서 는 지중매설 연성관의 수평방향 변 형을 의미한다. 일반적으로 수직하중이 재하될 경 우 수직방향 변형은 수평방향 변위보다 크지만 그 차이가 미소하고, 설계의 편의성을 위해 AWWA M 45에서는 이 관변형 를 수직방향 변형과 같다고 가정하여 설계에 적용하고 있다(   그러나  ≅ ). 식 (1)의 형태는 관 및 주변 토사를 고 려하여 이론적으로 유도되었고, 실험결과를 적용하 여 수정, 보완되었으며 실험적 연구결과를 통해 타 당성이 검증된 것으로 알려져 있다. 이 식에서   ,.  ′,  ,  는 각각 변형지연계수 (deflection lag factor), 관 주변 되메움토의 지반반력계수(modulus of soil reaction), 관의 강성(pipe stiffness,  ), 관 의 단위길이당 연직토압이다. 연직토압은 활하중과 관 상부 되메움 토사에 의한 토압을 모두 고려해야 하며, 관의 강성은 시험에 의해 측정된 값을 적용하 도록 권장하고 있다. 지중매설된 연성관의 변형을 예측하는 식 (1)은 Iowa Formula라고도 하며, 연성관의 강성, 되메움 흙의 지반반력계수, 기초조건 등 지중매설된 상태의 연성관에 대한 하중 및 경계 조건을 대부분 포함하 고 있어 지중매설상태에서 연성관에 대한 거동을 명 확히 표현하고 있다. 이 식은 Spangler에 의해 최초 로 제안되었고, Watkins에 의해 수정되었으며, 지중 매설된 파형강관에 대한 실험결과와 탄성이론에 기 초하고 있다. Iowa Formula는 약 5 ~ 6% 까지 정확한 관변형을 예측하는 것으로 연구, 보고되고 있다. 또한, 파형강 관에 대한 실험적 연구로부터 관변형이 약 20% 에서 파괴(관정에서 곡률반전이 발생함)가 발생하였을 때 여기에 안전율 4를 적용하여 허용관변형을 5% 이내 로 제한하고 있으며, 이 안전율 4를 적용하는 데는 장기변형에도 관의 안전성을 고려하기 위한 것이. 4. Full-Scale Field Test 이 연구에서는 원자력발전소의 냉각수 취수관로로 적 용중인 GRP관의 외압에 의한 구조적 거동을 조사하기 위해 앞서 설명한 동일한 GRP관을 설치하고 관상부에 되메움토를 16m 성토하여 시공하였으며, 시공단계부터 관변형을 측정하였다. 현장 지중매설실험에서 내경 2,400mm의 GRP관을 사 용하였으며, 실험에 사용된 GRP관은 RTRP로 구성되 어 있으며, 관 길이방향으로 동일한 하중이 작용할 수 있도록 성토사면 중앙에 설치하였다. RTRP로 구성된 관은 6m 길이의 관 4개와 4m 길이의 관 1개, 10m 길 이의 관 1개를 연결하여 38m의 관을 설치하였다. 매설 전경은 Fig. 3에 정리하여 나타내었다.. (a) Excavation. (b) Bedding. (c) Connection. (d) Backfill. (e) First Layer Backfill. (f) Second Layer Backfill. Fig. 3 Installation of GRP Pipe Buried Underground. GRP관은 대표적인 연성관 중의 하나로 연성관은 지중에서 지반과 상호작용하기 때문에 구조적 거동 을 분석하기 위해서는 관 주변 토사의 특성을 고려 하여야 한다. 관 주변 기초 및 관상부 되메움 토사 의 특성은 현장에서 직접 들밀도시험을 통해 조사하 였다.. Vol. 6, No. 2, 2015. 93.

(4) Lee, Hyoung-Kyu · Park, Joon-Seok. GRP관의 주변 토사는 모두 SP로서 관 상부까지 모래질로 시공하였으며, 들밀도시험 과정은 Fig. 4에 나타내었다.. Fig. 6 Installation of Dial Gage. RTRP 관의 관변형 측정은 관을 설치한 후부터 시 공단계 및 16m 성토 시공완료 후 지속적으로 수행하 였다. 각 계측기로부터 측정된 수직방향 및 수평방향 관변형은 Fig. 7에 정리하여 나타내었다.. Fig. 4 Field Density Test. 시험결과 매설관 상단부의 습윤단위중량은 2.096 gf/cm3으로 냉각수 취수관로를 설치하기 위한 요구 조건(2.003gf/cm3)에 적합한 것으로 나타났다. 또한, 다짐도는 매설관 기초부 97.05%, 매설관 상단부 97.64%로 모두 97%를 초과하였으며, AWWA M 45 (2005)에서 제시하고 있는 양호한 다짐상태(다짐도 95% 이상)인 것으로 나타났다. 지중매설된 GRP관의 관변형 측정은 RTRP로 구 성된 GRP관의 3개소에서 수행되었다. RTRP로 구성 된 GRP관은 1개소당 수직방향과 수평방향을 측정하 기 위해 6개소에 Dial Gage를 설치하여 관변형을 측 정하였다. RTRP로 구성된 관에 설치된 계측기의 위치는 관 단부의 구속효과가 영향을 미치지 않은 관 중앙부 (No. 1), 관의 강성이 변화될 수 있는 주요 위치인 관 연결부(No. 3) 및 관 중앙부와 연결부의 중간 (No. 2)이며, 각 설치위치와 설치 전경을 Fig. 5와 Fig. 6에 나타내었다.. No. 1. No. 2. No. 3. 7.5m 5.0m 10.0m. Fig. 5 Location of Measurement. 94. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. (a) Vertical Ring Deflection. (b) Horizontal Ring Deflection Fig. 7 Result of Ring Deflection. Fig. 7에서 수직방향 관변형은 관 연결부(No. 3), 수 평방향 관변형은 관 중앙부와 관연결부의 중간부(No. 2)에서 가장 크게 발생하였다. 수직변위는 실험조건에 서 실험대상이 되는 RTRP (reinforced thermosetting resin pipe)와 진입로가 되는 RPMP (reinforced polymer mortar pipe)의 강성차이로 인해 상대적으로 강성이 약한 RTRP에 과도한 하중이 작용하였기 때문 인 것으로 판단되며, 수평변위 또한 No.2에서 가장 큰 변위가 발생하였으나 No. 3와 불과 0.09의 차이를 나타내고 있기 때문에 계측상의 오차를 감안했을 때.

(5) An Investigation of Structural Behavior of Underground Buried GFRP Pipe in Cooling Water Intake for the Nuclear Power Plant. 동일한 정도의 변위라고 생각된다.. Table 2. Prediction Result of Long-term Ring Deflection. 5. Long-term Ring Deflection of GRP Pipe 원자력발전소의 냉각수 취수관로에 시공된 GRP관의 설계사용연수가 약 50년 이상으로 이 연구에서는 GRP 관의 매설 후 60년까지의 장기관변형을 예측하였다. 장 기관변형을 예측하기 위한 구체적인 방법은 아직 개발 되어 있지 않으나, ASTM D 5365(ANNEX)에서는 초 기 계측데이터(관변형)를 통해 통계적인 방법(관변형) 으로 장기데이터를 추정하는 방법을 제안하고 있다. ASTM D 5365(ANNEX)에서 제안하고 있는 장기 거동 추정식은 식 (2)와 같다..      여기서, . ,  . ASTM D 5365 (%) Period of time (Year). Vertical Ring Deflection(%). Horizontal Ring Deflection(%). No. 1. No. 2. No. 3. No. 1. No. 2. No. 3. 40. 1.55. 1.52. 1.61. 1.12. 1.24. 1.27. 50. 1.56. 1.53. 1.62. 1.12. 1.25. 1.28. 60. 1.57. 1.54. 1.63. 1.13. 1.26. 1.29. (2) : 수직방향 관변형(%) : 관변형에 대한 매개변수 : 시공후 경과된 시간(hour). 식 (2)에서 매개변수인 ,  는 각각 식 (3), (4)와 같 이 정의된다. 식 (3), (4)에서 항의 위쪽에 표시된 바 (bar)는 평균을 의미한다..    log log. (3).   log  log     log  log. (4). 여기서, .   log. (a) Vertical Ring Deflection. = 계측한 단기관변형(%) = 계측 시간(hour) = 계측한 단기관변형의 log 값에 대한 평균.  log = 계측시간의 log 값에 대한 평균 따라서, ASTM D 5365에서 제안하고 있는 시간경 과에 따른 관변형을 예측하여 Table 2에 정리하여 나 타내었으며, 시간경과에 따른 관변형의 변화양상은 Fig. 8에 나타내었다.. (b) Horizontal Ring Deflection Fig. 8 Prediction of Long-term Ring Deflection. Table 2에서 50년 후의 관변형은 모두 5% 이내로 확인되었으며, 허용관변형 5%는 구조적 측면에서 볼 때 매우 큰 안전율(FS=4)을 확보하고 있는 것으로 관 의 유지관리시 개보수 기준 등을 여러 관련 설계규격 에서 7.5%로 제한하고 있는 것으로부터 판단해 보면 지중매설된 GRP관은 구조적 안전성 및 장기내구성을 Vol. 6, No. 2, 2015. 95.

(6) Lee, Hyoung-Kyu · Park, Joon-Seok. 충분히 확보하고 있다고 판단된다. Fig. 6에서 시간경과에 따른 관변형을 변화 경향을 확인하기 위해 경과일수를 log scale로 나타내었다. 즉, 수평축의 수치 4는 log scale 이므로 약 10,000일(27.4 년)의 시간경과를 의미한다. 지중매설실험에서 계측한 결과와 비교한 결과, 모든 예측 결과는 약 60년 후까지 매우 유사한 거동을 보이는 것으로 확인되었으며, 관변 형은 선형에 가까운 변화를 나타내었다.. 안전성을 확인할 수 있었다. (4) ASTM D 5365 및 기존 연구결과와 현장매 설실험에서 측정된 관변형 데이터를 통해 60년 이상의 장기간 관변형을 예측한 결과 수직관변형 은 1.54~1.63%, 수평관변형은 1.13~1.29% 범위 내 에 위치하며, 모두 3% 이내로 예측되어 지중매설 할 경우 GRP관의 안전성은 확보하고 있는 것으 로 판단된다.. 6. CONCLUSION 이 연구에서는 원자력발전소의 냉각수 취수관 로 대체 관종으로 검토 중인 GRP관의 구조적 거 동특성 평가, 설계방법 조사 및 현장매설실험 결 과분석 등의 연구를 수행하였으며, 이 연구로부터 얻은 결론은 다음과 같다. (1) GRP관은 유리섬유보강 열경화성 플라스틱 으로 구성된 관으로 필라멘트 와인딩 공정에 의 해 생산되기 때문에 보강섬유가 주로 원주방향으 로 배치되어 원주방향에 대한 강성 및 강도가 우 수한 특성을 가지고 있으며, 지중매설 GRP관의 관변형은 주로 원주방향 역학적 성질에 의해 결 정되기 때문에 이 연구에서는 실험적 연구를 통 해 GRP관의 원주방향에 대한 역학적 성질을 조 사하였다. GRP관의 탄성계수 및 관의 강성을 측 정한 결과 각각 23.00GPa, 288.66kN/m2으로 조사 되었다. (2) 현장에서 수행된 GRP관의 지중매설실험에 대한 자료를 검토한 결과 관 주변 되메움 토사는 SW-SP로 분류되었기 때문에 AWWA M 45에서 제안하고 있는 토사 강성분류의 SC2에 해당하는 것으로 나타났다. 또한, 다짐도는 평균 97.05%, 습 윤단위중량은 매설관 기초부 2.003 , 매설관 상단부 2.096 으로 기준물성을 초과하는 것 으로 나타났다. 기초지반의 지지력은 요구되는 지 지력의 약 3.54배의 안전율을 확보하고 있었다. 따라서, 지중매설실험에 사용된 되매움토 및 기초 등의 토질 조건은 매우 양호한 것으로 조사되었 다. (3) 지중매설 GRP관의 현장매설시험은 387일 동안 수행하였으며, 그 결과 RTRP관은 1.5% 미 만의 수직관변형이 발생하였다. 국내설계기준에서 제시하고 있는 허용관변형 5%보다 작은 값을 보 였으며, 현장매설시험을 통해 지중매설 GRP관의 96. J. Korean Soc. Adv. Comp. Struc. ACKNOWLEDGEMENT The present research has been conducted by the Research Grant of Seoil University in 2013.. References ASTM. D 2412 (2011), Standard Test Method for Determination of External Loading Characteristics of Plastic Pipe by Parallel-Plate Loading, American Society for Testing and Materials (ASTM), Pennsylvania, USA. ASTM D 5365. (2006), “Standard test method for long-term ring-bending strain of fiberglass (glass-fiber-reinforce thermosetting-resin) pipe,” American Society for Testing and Materials (ASTM), Pennsylvania, USA. AWWA (2005), Fiberglass Pipe Design, 2nd Ed. Manual No. M 45, American Water Works Association. Hongik University Research Institute of Science and Technology (2011), Investigation of Pipe Deflection Behavior and Prediction of Long-term Ring Deflection of GFRP pipe (φ2,400mm) Buried Underground, Research Report. (in Korean). KS M ISO 10466 (2004), “Plastics Piping System-glass-reinforced Thermosetting Plastics (GRP) Pipes-Test Method to Prove the Resistance to Initial Ring Deflection,” Korean Agency for Technology and Standards (KS), Seoul, Korea. (in Korean). Kim, S. H., Park, J. S., and Yoon, S. J. (2012), “Long-term Ring Deflection Prediction of GFRP Pipe in Cooling Water Intake for the Nuclear Power Plant,” Journal of Korean Society for Advanced Composites Structures, Vol. 3, No. 3, pp. 1-8. Watkins, R. and Anderson, L. R. (2000), Structural Mechanics of Buried Pipe, CRC Press, New York..

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