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Title Page

Contents

NOMENCLATURE 14

SUMMARY 18

CHAPTER I. INTRODUCTION 20

1.1. Background 20

1.2. Research History 22

1.3. Objective and Scope 24

CHAPTER II. BEHAVIOR OF BURIED PIPES 26

2.1. Introduction 26

2.2. Buried pipes 27

2.3. Classification of Sewer Pipe 29

2.3.1. Rigid Pipe 34

2.3.2. Flexible Pipe 36

2.4. Soil-Pipe Interaction 37

2.4.1. Marston Load Theory 37

2.4.2. Ring Deflection 40

CHAPTER III. DESIGN AND INSTALLATION OF BURIED PIPE 46

3.1. External Load Distribution on the Buried Pipes 46

3.1.1. Prism Load 46

3.1.2. Live Load 47

3.1.3. Analysis of Load Effect 53

3.2. Design of Buried Rigid Pipe 55

3.3. Design of Buried Flexible Pipe 57

3.3.1. Pipe Performance Limits 61

3.3.2. Deflection 62

3.3.3. Strain Limit 67

3.3.4. Buckling 68

3.4. Installation of Buried Flexible Pipe 70

3.5. Flexible Pipe Installation Theory 71

3.6. Terminology of Pipe Embedment Materials 73

3.7. Compaction of Soil 76

3.7.1. Compaction of Class I and II Materials 80

3.7.2. Compaction of Class III and IV Materials 82

3.7.3. Density Checks 82

3.7.4. Trench Construction 83

3.7.5. Trench Width 84

3.7.6. Trench Length 85

3.7.7. Stability of the Trench 86

3.7.8. Stability of Trench Floor 88

3.7.9. Stability of Trench Walls 90

CHAPTER IV. MECHANICAL PROPERTIES OF FLEXIBLE PIPES 92

4.1. Tensile Strength Test 92

4.1.1. Specimen Preparation for the Tensile Strength Test 92

4.1.2. Tensile Strength Test Results 95

4.2. Ring Stiffness of Flexible Pipes 103

4.2.1. Classical Theory of Ring Stiffness 103

4.2.2. Parallel Plate Loading Test 112

4.2.3. Prediction of Pipe Stiffness by Analytical Study 120

CHAPTER V. Field Test of Flexible Pipes 127

5.1. Objective 127

5.2. Method and Overview of Field Test 128

5.3. Deflection Measurement and Discussion 134

CHAPTER VI. INVESTIGATION ON THE RING DEFLECTION LIMITATIONOF BURIED FLEXIBLE PIPE 151

6.1. Theoretical Study 151

6.2. Analytical Study 160

6.2.1. Analysis Condition and Assumption 161

6.2.2. Result of the Finite Element Analysis 164

CHAPTER VII. CONCLUSION 169

BIBLIOGRAPHY 172

VITA 181

국문요약 182

List of Tables

Table 2.1. Average Values of Es in kN/㎡ (Gumbel, 1983)(이미지참조) 31

Table 2.2. Secant Constrained Modulus for Several Granular Soils DuringVirgin Loading (Lambe and Whitman, 1979) 33

Table 3.1. Minimum Soil Cover in in (cm) (Katona, 1990) 49

Table 3.2. Impact Factor 52

Table 3.3. Soil Classes (ASTM D 2321, 2009) 78

Table 3.4. Modulus of Soil Reaction for Pipe Embedment (Howard, 1977) 81

Table 3.5. Minimum Trench Width in Stable Ground VS. Pipe Size (PlasticPipe Institute, 2007) 85

Table 3.6. Suggested Length of minimum Trench Opening for Installation of Jointed Lengths of Flexible pipe (Plastic Pipe Institute, 2007) 86

Table 4.1. Specimen Designation and Dimension 93

Table 4.2. Tensile Strength Test Result 99

Table 4.3. Loading Speed 113

Table 4.4. Specimen Designation and Dimension of the Parallel Plate.Loading Test 114

Table 4.5. Result of the Parallel Plate Loading Test 118

Table 4.6. Dimension and Material Properties 121

Table 4.7. Comparison of Parallel Plate Loading Test and FE Result 126

Table 5.1. PE Double-Wall Pipe 135

Table 5.2. PE Multi-Wall Pipe 138

Table 5.3. PE Seamless Pipe 141

Table 5.4. PVC Double-Wall Pipe 144

Table 5.5. GFRP Pipe A-Type 146

Table 5.6. GFRP Pipe B-Type 148

Table 6.1. Allowable Ring Deflection of Research Literatures 152

Table 6.2. Pipe Stiffness (PS) 156

Table 6.3. Design Factor of Flexible Pipe and Soil 157

Table 6.4. Ring Deflection of Flexible Pipe 158

Table 6.5. Dimension and Mechanical Properties of Flexible pipe 162

Table 6.6. Comparison of Result 168

List of Figures

Fig. 1.1. Nomenclature of Cross Section of Buried Pipes (Watkins, 2000) 25

Fig. 2.1. Load Transfer Mechanism of Flexible Pipe (Moser, 2001) 36

Fig. 2.2. Force Diagram for a Conduit in a Ditch (Suleiman, 2002) 38

Fig. 2.3. Infinite Medium with an Imaginary Circle (Watkins, 2000) 42

Fig. 2.4. Ratio of Areas 44

Fig. 3.1. Load Distribution of Live Load 51

Fig. 3.2. Vertical Pressure due to Overburden 54

Fig. 3.3. Assumed Soil Stress Distribution on Flexible Pipe (Suleiman, 2002) 58

Fig. 3.4. Flexible Pipe Deflection and Elongation (Watkins, 2000) 63

Fig. 3.5. Stages of Metal Flexible Pipes Deflection (Spangler, 1941) 65

Fig. 3.6. Types of Deformations in PVC Flexible Pipes (Rogers et al., 1941) 66

Fig. 3.7. Pipe Trench (Plastic Pipe Institute, 2007) 73

Fig. 4.1. Tensile Strength Test Specimen 94

Fig. 4.2. Tensile Strength Test Set-up 96

Fig. 4.3. Failure Mode of Test Specimen 98

Fig. 4.4. Stress-Strain Relationship of the PE 100

Fig. 4.5. Stress-Strain Relationship of the PVC 101

Fig. 4.6. Stress-Strain Relationship of the GFRP 102

Fig. 4.7. Bending of a Thin Curved Bar (Timoshenko, 1961) 103

Fig. 4.8. Ring of Radius Compressed by Two Forces Action (Timoshenko,1961) 107

Fig. 4.9. Parallel Plate Loading Test Condition 113

Fig. 4.10. Parallel Plate Loading Test Specimen 115

Fig. 4.11. Parallel Plate Loading Test Set-up 117

Fig. 4.12. Load-Ring Deflection Relationship 119

Fig. 4.13. AutoCad Modeling of Flexible Pipe 122

Fig. 4.14. Finite Element Model of Flexible Pipe 123

Fig. 4.15. Finite Element Mesh of Flexible Pipe 124

Fig. 4.16. Deflected shape of Flexible Pipe 125

Fig. 5.1. Location of Field Test 129

Fig. 5.2. Installation of Flexible Pipe 131

Fig. 5.3. Compaction of Backfill Material 132

Fig. 5.4. After Installation of Flexible Pipes 133

Fig. 5.5. PE Double-Wall Pipe with 95% Standard Proctor Density 136

Fig. 5.6. PE Double-Wall Pipe with 80% Standard Proctor Density 136

Fig. 5.7. PE Multi-Wall Pipe with 95% Standard Proctor Density 139

Fig. 5.8. PE Multi-Wall Pipe with 80% Standard Proctor Density 139

Fig. 5.9. PE Seamless Pipe with 95% Standard Proctor Density 142

Fig. 5.10. PE Seamless Pipe with 80% Standard Proctor Density 142

Fig. 5.11. PVC Double-Wall Pipe with 95% Standard Proctor Density 145

Fig. 5.12. PVC Double-Wall Pipe with 80% Standard Proctor Density 145

Fig. 5.13. GFRP Pipe A-Type with 95% Standard Proctor Density 147

Fig. 5.14. GFRP Pipe A-Type with 80% Standard Proctor Density 147

Fig. 5.15. GFRP Pipe B-Type with 95% Standard Proctor Density 149

Fig. 5.16. GFRP Pipe B-Type with 80% Standard Proctor Density 149

Fig. 6.1. Buried Depth with respect to Ring Deflection Ratio 155

Fig. 6.2. SBHQ6 Element (Degree of Freedom showed at the Node 3 only) 162

Fig. 6.3. Finite Element Model of Flexible Pipe 163

Fig. 6.4. Boundary Condition of Finite Element Model 163

Fig. 6.5. Ring Deflection of Finite Element Model 164

Fig. 6.6. Comparison of Result of PE Pipe 165

Fig. 6.7. Comparison of Result of PVC Pipe 166

Fig. 6.8. Comparison of Result of GFRP Pipe 167

초록보기

이 논문은 지중매설된 연성관의 관변형 조사에 대한 결과이다. 지중에 매설된 연성관의 설계방법은 국내 (하수도시설기준, 2011)과 국외 (ASTM D 2412)방법으로 크게 분류될 수 있다. 실제 현장에 매설되는 연성관의 설계 식은 ASTM D 2412에서 제시하고 있는 Iowa Formula의 방법이 타당하다는 것을 알 수 있었으며, 국내외 연성관의 시공방법을 조사한 결과 시공방법 은 거의 동일한 기준으로 제안되고 있는 것을 확인하였다.

이 연구에서는 PE, PVC, GFRP를 대상으로 연성관의 설계를 위한 관의 재료역학적 성질 조사와 구조적 거동을 조사하여 관변형을 예측할 수 있는 기초자료로 활용하였으며 유한요소해석을 사용하여 구조적 거동조사 (원강성 시험, 즉 편평시험)과 비교하여 시험을 수행하지 않아도 관의 강성을 예측할 수 있도록 하였다.

연성관의 현장매설실험은 실제 매립후 시간의 경과에 따른 관의 변형거동과 관 주변 토사의 다짐정도가 관변형에 미치는 영향을 조사하기 위해 현장매설실험을 수행하였다. 실험에서는 다짐도 80% 이하와 95% 이상의 2종류의 다짐도를 고려하였다. 현장매설실험은 PE 관의 경우 이중벽관, 다중벽관, 심레스관 3종을 대상으로 하였으며, PVC 관은 이중벽관을 대상으로 하였고 GFRP 관은 강성(SN 1000, SN 2000)에 따라 2종으로 하였다. 실험에서는 150일 동안 모든 관종의 변형거동을 측정하였다. 측정결과 PE 관종 일부에서 다짐도 80% 이하인 경우 관변형 5%를 초과하였으며, 그 의의 관종에서는 5% 이내로 측정되었다.

설계식에 의한 관종별 관변형을 예측하였고, 유한요소해석 프로그램을 사용하여 이 연구에서 시험에 의해 구한 재료의 역학적 성질과 단면치수를 적용하여 관종에 따른 관변형을 예측하고 이론식에 의한 관변형 예측결과 와 비교하였다. 그 결과 관종별로 다소 차이는 있으나 최대 차이는 10% 이내로 나타났다. 따라서, 유한요소해석을 통한 관변형 예측이나 이론식에 의한 관변형 예측 결과를 이용하여 연성관의 설계가 가능함을 확인하였다.

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