Finite Element Analysis on Polyethylene Gas Pipes under External Loadings

폴리에틸렌 가스배관의 외부 하중에 대한 유한요소 해석

도시가스용 배관으로 사용하고 있는 폴리에틸렌 배관은 유연하여 시공이 용이할 뿐만 아니라 부식 및 전식이 일어나지 않아 유지관리가 편리하고 교체 없이 50년 이상 사용이 가능하여 금속 소재에 비하여 경제적이기 때문에 그 사용량이 증가하고 있다. 그러나 차량의 증가 등으로 인하여 매설된 배관에 많은 응력이 집중되고 있다. 따라서 토하중 뿐만 아니라 증가한 차량 등에 의한 하중이 복합적으로 작용할 경우에 매설된 배관이 어느 정도의 응력을 받고 있는지를 검토하고자 하였다. 직경이 $50{\sim}400mm$인 배관을 대상으로 매설깊이를 $0.6{\sim}1.2m$로 변화시키고 사용압력을 $0.4{\sim}4bar$로 변화시켜 그 결과를 검토하였다. 결과는 수식해와 유한요소 해석 방법을 이용하여 계산하였으며 두 결과를 비교하여 유한요소 해석 방법의 신뢰성을 높였다. 두 해석방법 모두 내압에 의한 영향, 토양하중에 의한 영향 그리고 차량 하중에 의한 영향을 각각 계산하였다. 그리고 각 하중이 복합적으로 작용할 경우에 대한 응력을 계산하여 매설 깊이에 따라 배관에 발생하는 응력을 계산하였다. 또한 가스배관 설계에 사용하는 허용응력을 4가지로 구분하여 발생한 응력과 비교하여 그 안전성을 검토하였다. 수식해와 유한요소 해석 결과를 비교하여 각각의 결과를 검증한 결과 수식해가 유한요소 결과보다 약간 높은 응력값을 나타내었으며 내압, 토하중, 차량하중 등이 복합적으로 작용할 경우에 매설깊이가 1m일 때 가장 낮은 원주방향응력이 발생하였다.