A Study on the Plastic deformation Absorption Characteristics of Aluminum-Polyethylene Composite Structure Sprinkler Pipe

알루미늄 합성수지 복합 구조 스프링클러 파이프의 변위 흡수 특성 연구

Abstract

After an earthquake, fire and gas explosions are more likely to cause more casualties in cities with many apartment buildings and large complex buildings. In order to prevent this, seismic design is necessary for the fire protection sprinkler system. However, most systems currently use stainless-steel pipes, although synthetic resin pipes are used in some special places. These materials are susceptible to vibration and earthquakes. This study evaluated the displacement absorption flexibility of polyethylene (PE) and aluminum (Al) multi-layered composite pipes to increase the seismic performance in a vibration environment and during earthquakes. The seismic performance was compared with that of a stainless-steel and PE pipes. The seismic characteristics can be measured by measuring the amount and extent of vibration transmitted by the sprinkler pipe. This method can be used to judge the seismic characteristics to attenuate the vibration during an earthquake. The seismic characteristics of the pipe were verified by comparing the logarithmic attenuation rate to the initial response displacement of the vibration generated by the transverse vibration measurement method.

지진의 2차사고 중 화재 및 가스 폭발에 의한 사고는 아파트형 주거 형태와 대형 복합화 된 건물이 많은 도시 일수록 인명피해의 우려가 커지게 되고, 이를 방지하기 위하여 화재 방호 계통 스프링클러 시스템의 경우 내진 설계가 필수적으로 수행되어야 한다. 하지만 현재 일반적으로 사용하고 있는 화재 방호 계통 스프링클러 시스템 배관은 대부분 스테인리스 계열의 금속 파이프를 사용하고 있고 일부 특수 위치에서 합성수지 계열의 파이프를 사용하고 있어 진동 및 지진 등에 취약한 소재가 적용되고 있다. 이에 본 연구에서는 폴리에틸렌(Polyethylene, 이하 : PE)과 알루미늄(Aluminum, 이하 : Al)의 다층구조 복합관이 보유한 변위 흡수 유연성이 진동 환경과 지진 발생에 대한 내진 성능을 상승 시키는 특성으로 판단하였고, PE-Al-PE 복합관을 기존 스테인리스 관, PE관과 비교하여 내진 성능을 실험 하였다. 내진 특성은 스프링클러 파이프가 전달하는 진동의 양과 범위를 측정하면 진동에 대한 흡수 정도를 알 수 있고 이는 지진에 대하여 대상체가 자체적으로 진동을 감쇠하는 내진 특성 판단의 방법으로 횡 형 진동 측정법으로 발생한 진동의 최초 응답 변위에 대한 대수 감쇠율을 비교하여 파이프의 내진 특성을 확인하였다.

Fig. 1. Damage of piping due to earthquake, (a) Perpendicular pipe damage, (b)Connect pipe damage, (c)Sprinkler pipe damage, (d)Sprinkler pipe downfall

Fig. 2. Composite Pipe structure

Fig. 3. Seam welding Pipe manufacturing process

Fig. 4. Composite Pipe manufacturing process

Fig. 5. Optical microscope photo (a) STS 304 stainless still pipe, (b)PE Pipe, (c)Aluminum weld of Composite Pipe

Fig. 6. Results of pipe tensile strength test

Fig. 7. Results of pipe booster water pressure test

Fig. 8. Results of micro vickers test

Fig. 9. Vibration-free damped waveform

Fig. 10. Vibration damped waveform of pipe structure (a) STS 304 stainless still pipe, (b) PE Pipe, (c) Aluminum weld of Composite Pipe

Fig. 11. Vibration damped waveform of plate structure (a) STS 304 stainless still pipe, (b) PE Pipe, (c) Aluminum weld of Composite Pipe

Fig. 12. Test result of vibration damping ability

Table 1. Material of sprinkler pipe(Stainless steel)

Table 2. Specification of sample