1. 서 론

자연재해 중 지진의 발생 추이를 보면 전 세계적으로 규모 5.0 이상의 지진이 1935년부터 2018년까지 꾸준히 증가하는 추세이다(Discovering Future World Events Through Scripture)⁽¹⁾. 따라서 지진피해의 저감을 위해 많은 노력을 기울이고 있다. 우리나라의 연평균 지진 발생 횟수는 디지털 관측을 시작한 1999년 이후 증가하는 추세이며(Ministry of the Interior and Safety, 2017)⁽²⁾, 최근 경주와 포항에서 규모 5를 초과하는 지진이 발생하여 주요 시설물의 피해가 보고된 바 있다(Eem et al., 2018)⁽³⁾. 2016년에 경주지역에서 연이어 발생한 규모 5.8과 5.1 수준의 지진으로 인하여 71건의 수도관 파열이 보고되었으며(Ministry of Public Safety and Security, 2016)⁽⁴⁾, 2017년 포항지역에서 발생한 규모 5.4의 지진으로 상수도관 누수 45건, 상⋅하수도관 10곳의 손상이 발생하였다(JoongAng Ilbo. 2017)⁽⁵⁾. 따라서 국내에서도 지진에 대한 대비와 피해저감기술의 확보가 필요할 것으로 판단된다.

상수도관은 상수도 공급시스템에 있어 혈관과도 같은 중요한 시설이다. 현재 우리나라는 송배급수 각 과정의 상황과 여건에 따라 다양하고 세분화된 여러 종류의 상수도관을 이용해 각 공정을 성공적으로 수행하고 있다. 국내에서 수돗물을 공급하기 시작하던 초창기에는 강철관과 주철관 등이 주로 쓰인 반면 현재는 스테인리스관, PVC(Polyvinyle Chloride)관 등 다양한 재질의 상수도관이 사용되고 있으며 구경도 다양해졌다. 상수도용으로 사용되는 수도관은 제조 원료에 따라 크게 주철관과 PVC관으로 구분할 수 있다. PVC관은 주철관과 비교하여 경제성이 우수하여 1990년대까지 널리 사용되었으나 사용 환경 조건에 따른 파손 및 누수에 대한 우려와 짧은 내구연한으로 유지보수의 어려움이 있었다. 이러한 문제점을 개선한 iPVC재질의 상수도관이 제작되기 시작하였으며, 다양한 시험검증을 통하여 국내외에서 품질을 인정받기 시작하고 있다(Dave et al., 2016)⁽⁶⁾. 하지만 오랜 기간 사용되고 개선된 주철관과 달리 시험검증 및 경험 등에 의해 지진의 진동과 지반변형 등에 대한 안전성이 증명된 예를 찾아보기 어렵다.

국내에서는 상수도관의 내진 성능을 확보하기 위해 국민안전처에서 공고한 내진설계기준 공통적용사항(Ministry of the Interior and Safety, 2017)⁽⁷⁾에 기반하여 상하수도 시설물의 내진설계기준 개선을 위한 연구를 수행하였으며(Korea Water and Wastewater Association, 2017)⁽⁸⁾, 매립 배관의 내진 성능 확보를 위한 시험의 예시 및 평가방법을 소개하였으나 시험평가 방법이 명확하게 제시된 것은 아니다. 이와 같이 국내에는 매립 상수도관의 내진 성능 및 내침하 성능을 적절히 평가할 수 있는 시험절차 또는 방법이 명확하게 정립되지 않았으며, 이를 평가하기 위한 성능 기준 또한 미흡한 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 iPVC 매립 상수도관의 내진 성능 및 내침하 성능의 평가를 수행하기 위하여 매립 배관 내진 성능 평가와 관련한 선도연구기관인 NEESR과 Cornell대학교에서 수행하였던 시험과 Nobuhiro 등의 연구 내용을 참조하였다(Cornell University, 2009; Cornell University, 2018; Nobuhiro et al., 2017)^(10-12). 따라서 인장시험과 4점 굽힘시험을 통하여 iPVC 매립 상수도관의 인장특성과 이음부의 편향각을 도출하고, 주철관의 내진 및 내침하설계기준인 ISO 16134의 등급분류 방법을 바탕으로 시험결과를 정리하였다(ISO, 2006)⁽¹³⁾.

2. 지진에 의한 매립 배관의 피해

매립 및 지하 배관은 배관 내부의 유체와 외부의 토양으로부터 기계적, 화학적 손상을 동시에 받으며, 배관 누설의 발생 원인을 파악하기 어렵다. 현재까지 확인된 바에 의하면 지진에 의한 매립 배관의 파손은 지반 변동, 부등 침하, 액상화 및 구조물의 변형에 의한 이차적인 피해 등으로 정리될 수 있다. 매립 배관의 파손은 주로 피팅(fitting)과 이음부(joint)에서 발생하는 것으로 파악되고 있다. 그리고 지하에서 지상 구조물로 연결되는 요소에서 구조물과 지반 거동의 위상차에 의한 상대변위의 영향으로 파손되기도 한다.

대표적인 국외 매립 배관 피해사례는 Table 1과 같다(Park et al, 200; Korea Water and Wastewater Association, 2017)^(8,9). 1989년 발생한 Loma Prieta 지진으로 4인치와 6인치 직경의 끼워넣기 이음(bell-and-spigot joint) 방식을 취한 주철 수도본관이 심각한 손상을 입었으며, 주거지역의 연결부에서 많은 파열이 있었다. 1994년 미국에서 발생한 Northridge지진으로 No.1 상수도관 4곳이 손상되었으며, 콘크리트관의 파손이 발생하였다. 1995년 일본의 Kobe 지진의 영향으로 배관의 이음부, 고정부 등이 파손되었고 1,600곳 이상의 누수가 발생하였으며 110만 가구에 대한 급수가 중단되었다. 이로 인하여 화재진압 등에도 큰 영향을 미쳤다(Korea Water Resources Corporation, 2006)⁽¹⁴⁾. 2011년 동일본 대지진으로 인해 많은 배관이 손상되었으며, 배관의 피해는 주로 구조물의 변형 및 파손, 지반의 액상화, 지반파괴 등의 변위지배적인 거동에 의한 것으로 보고되고 있다(M. Miyajima, 2015)⁽¹⁵⁾.

Donald Ballantyne (2013)은 고베 지진으로 발생한 매립된 주철관과 PVC배관의 파손은 피팅(fitting)과 이음부(joint)에 집중되어있는 것으로 보고하였다. M. Miyajima (2015)의 조사에 의하면 동일본 대지진으로 인하여 발생한 매립 배관의 피해는 직경 200 mm이하의 매립 배관에서 집중되고 있는 것으로 확인되었다.

Fig. 1 Damage of buried pipe line by earthquake

3. 내진 성능 및 내침하 성능 평가를 위한 iPVC 매립 상수도관의 구조시험

본 연구에서는 끼워넣기 이음으로 연결된 호칭 150 mm의 iPVC 재질의 매립 상수도관을 대상으로 하여 시험적인 방법으로 내진 성능 및 내침하 성능을 평가하고자 하였다. 2장에서 매립된 상수도관의 주요 파손은 지반 거동에 의한 배관 이음부의 분리 및 손상으로 정의하였다. 따라서 Fig. 2와 같이 끼워넣기 이음으로 연결되고 텍사스 휴스턴의 Star Pipe Products에서 제조한 Gen2 클램프로 축 방향으로 구속된 상수도관에 대하여 인장시험과 4점 굽힘 시험을 수행하였다. 이음부위가 늘어나는 것을 고려하기 위하여 Fig. 2와 같이 양쪽에 12.7 mm 여유를 주어 설치하였다. 모든 시험은 배관 내부에 물을 채우고 550kPa 내부수압을 가압한 후 0.5mm/sec 이하의 충분히 느린 속도로 가력 하였으며, ISO 17025 품질 요건을 만족하는 국제공인 시험인증기관인 명지대학교 하이브리드구조실험센터에서 수행하여 시험결과의 신뢰성을 확보하였다.

Fig. 2 Description of bell and spigot joint of a 150ϕ iPVC APPIZ pipe

3.3 4점 굽힘 시험

4점 굽힘 시험을 위하여 UTM(Universal Testing Machine)에 시험체를 설치하였다. 변위 및 하중은 UTM에 설치되어 있는 변위계와 하중센서를 이용하여 계측하였다. 시험체의 설치 사진과 센서의 설치 위치는 Fig. 7및 Table 3과 같으며, 인장시험과 동일하게 끼워넣기 이음이 있는 배관을 연결하였다. 4점 굽힘 시험에 사용한 UTM의 최대용량은 5,000 kN 이

Fig. 3 Test set up photo and strain gage location of tension test

Fig. 4 Force-displacement relationship of tension test

Fig. 5 Strain responses of tension test

며 최대 변위는 500 mm이다. 4점 굽힘 시험을 수행하기 위하여 중앙의 고무링이 설치된 위치를 기준으로 좌우로 2,286 mm 떨어진 위치에 지점을 형성하였다. 또한, 좌우로 762 mm 떨어진 위치에서 수직방향으로 배관을 눌러줄 수 있도록 가력조건을 설계하였으며, 자중에 의한 처짐이 발생하지 않도록 변위 제어 위치에 체인을 이용하여 배관을 고정하였다. 모든 지점은 회전과 이동이 가능하도록 구성하였으며, 국부 변형의 발생을 방지하기 위하여 배관을 보호하는 지그를 적용하였다. Table 3은 설치된 계측기를 정리한 것이다. 가력 변위는 UTM에 내장된 변위계를 이용하여 계측하였으며, 축 방향의 변형률은 stain gauge를 이용하였다. 수직 방향 변위는 DIC(Digital Image Processing) 기법을 이용하여 계측하였다(Kim et al., 2019).

Fig. 6 Failure of test specimen by tension test

3.4 4점 굽힘 시험 결과

Fig. 8은 는 하중-변위 곡선을 나타내고 있으며, UTM의 최대변위를 고려하여 최대 450mm 까지 수직변위를 가력 하였으며, 이때의 하중은 9.8kN이다. Fig. 9는 배관의 수직변위에 따른 형상 변화를 나타낸 것으로서 중립축을 중심으로 좌우가 대칭인 것을 확인 할 수 있다. Fig. 10은 배관의 하면에 설치된 strain gage에서 계측한 변형률응답을 수직변위에 따라서 정리한 것이다. Fig. 10에서 확인할 수 있듯이 수직변위가 커질수록 변형률응답이 커지며, 중립축의 좌우가 대칭인 것을 확인할 수 있다. Fig. 11은 굽힘 시험에 대한 모멘트-편향각 곡선을 나타낸 것이다. 4점모멘트는 수직하중과 하중작용점까지의 거리(1,524 mm)로부터 도출하였다. 편향각은 Fig. 12와 같이 양쪽 지점과 수직하중 작용점을 이은 선이 만나는 각도로 하였다. Fig. 11에서 확인 할 수 있듯이 450mm 변위 발생 시 7.31 kN-m의 모멘트가 작용한다. 시험장비의 한계로 인하여 450 mm 까지 가력 하였으며, 최대 수직가력변위에서 시험체의 누수 또는 파손은 관찰되지 않았다. 편향각은 최대 가력변위인 450 mm 수직변위 발생 시에 도출하였다. Fig. 12와 같이 하중점을 기준으로 편향각을 도출하면 32.9°이며, 중앙부의 처짐이 552.7 mm이므로 Fig. 13과 같이 하중점과 이음부를 기준으로 편향각을 도출하면 27.18°이다.

Fig. 7 Test set up photo and sensor location of 4 point bending test

Table 3 Sensor description and location for 4 point bending test

Item	Location	Sensor name
Force (load cell)	Actuator	LA
Disp. (LVDT)	Actuator	DA
Disp. (DIC)	–2,080 mm from center	D1
	–1,520 mm from center	D2
	–760 mm from center	D3
	–250 mm from center	D4
	Center of specimen	D5
	+250 mm from center	D6
	+760 mm from center	D7
	+1,520 mm from center	D8
	+2,080 mm from center	D9
Strain (strain gauge)	–1,650 mm from Joint O-ring, rear(Bell)	Sa1
	–1,650 mm from Joint O-ring, bottom(Bell)	Sa2
	–1,650 mm from Joint O-ring, front(Bell)	Sa3
	–1,650 mm from Joint O-ring, top(Bell)	Sa4
	–559 mm from Joint O-ring, rear(Bell)	Sb1
	–559 mm from Joint O-ring, bottom(Bell)	Sb2
	–559 mm from Joint O-ring, front(Bell)	Sb3
	–559 mm from Joint O-ring, top(Bell)	Sb4
	+559 mm from Joint O-ring, rear(Spigot)	Sc1
	+559 mm from Joint O-ring, bottom(Spigot)	Sc2
	+559 mm from Joint O-ring, front(Spigot)	Sc3
	+559 mm from Joint O-ring, top(Spigot)	Sc4
	+1,650 mm from Joint O-ring, rear(Spigot)	Sd1
	+1,650 mm from Joint O-ring, bottom(Spigot)	Sd2
	+1,650 mm from Joint O-ring, front(Spigot)	Sd3
	+1,650 mm from Joint O-ring, top(Spigot)	Sd4

Fig. 8 Force-displacement relationship of 4 point bending test

Fig. 9 Vertical loading point displacement of 4 point bending test

Fig. 10 Maximum strain responses of 4 point bending test (bottom strain gages)

Fig. 11 Moment-rotation relationship of 4 point bending test

Fig. 12 Maximum rotation angle based on loading points

Fig. 13 Maximum rotation angle based on joint center

4. ISO 16134에 의한 iPVC 매립 상수도관의 내진 성능 및 내침하 성능평가

본 연구에서는 클램프로 고정된 끼워넣기 이음으로 연결된 iPVC 매립 상수도관의 내진 성능 및 내침하 성능을 평가하고자 하였다. 하지만 국내에는 이음으로 연결된 매립 상수도관의 내진 성능 및 내침하 성능을 평가할 수 있는 기준이 별도로 존재하지 않으므로 주철관의 내진 설계를 위해 제시된 국제기준인 ISO 16134을 참조하였다. Table 4는 ISO 16134의 배관 구성품에 대한 성능 기준이다. 본 연구에서는 iPVC 매립상수도관의 팽창 성능, 이음부 편향각에 대한 성능을 구조시험을 통하여 확인하였다. 여기서 L은 관의 길이이다.

Table 5는 iPVC 매립상수도관의 성능등급을 ISO 16134에 따라 분류한 것이다. 팽창과 이음부 편향각은 각각 ISO 16134 내진 성능 및 내침하 성능분류에서 최고수준의 등급인 S-1과, M-1등급에 해당함을 확인하였다. 이음부 편향각은 하중점을 기준으로 편향각과 하중점과 이음부를 기준으로한 편향각 모두 M-1등급에 해당하였다.

5. 요약 및 결론

문헌조사 및 피해사례조사 결과, 지진에 의한 매립 상수도관의 파손은 액상화, 단층 및 지하구조물의 이동 등의 영향으로 길이 방향 또는 길이 직각 방향으로 발생하는 상대변위에 의해 발생한다. 이때, 매립 상수도관의 주된 파손은 배관 이음부에 집중되며 특히 직경 200mm 이하 배관이 위험한 것으로 조사되었다. 따라서 본 연구에서는 호칭 150mm의 클램프로 고정된 끼워넣기 이음을 가지는 iPVC 재질의 매립 상수도관에 대하여 인장시험과 4점 굽힘 시험을 수행하고 내진 성능 및 내침하 성능을 ISO 16134 규격을 참조하여 평가 하였다. 그 결과는 다음과 같다.

) 클램프로 고정된 끼워넣기 이음을 가지는 iPVC 배관은 시험체 길이의 2.49 % 늘어날 수 있으므로 길이 방향의 변위에 대하여 우수한 성능을 가진다. ISO 16134 규격의 인장 최고수준 대비 2.49배의 성능이 시험을 통하여 확인되었다.

2) 4점 굽힘 시험 결과 iPVC 배관은 27.18° 이상 편향각을 발생시킬 수 있음을 확인하였다. 시험장비의 최대변위까지 시험을 수행하였으나, 장비의 한계로 인하여 파손 및 누수를 확인하지 못하였다. 하중점과 이음부 기준의 이음부 편향각 27.18° 는 ISO 16134 규격의 최대 허용 편향각과 비교하여 1.81배의 성능이다.

3) 비교적 유연한 플라스틱 재질인 iPVC 배관은 작용되는 외력에 의해 관 몸통에서 변형률이 크게 발생한다. 인장시험에서는 관 몸통이 파괴되며, 4점 굽힘 시험에서는 관 몸통이 휘어지는 것을 계측된 strain gage의 변형률 값과 육안으로 확인하였다.

3) 본 연구에서는 iPVC 매립 상수도관의 내진 및 내침하 성능을 평가하기 위하여 주철관의 내진 설계를 위해 제시된 국제기준인 ISO 16134을 참조하였다. 주철관은 관의 변형이 미미하며 이음에서 손상이 발생하므로 본 시험결과와 직접 비교하는 것은 곤란할 수 있다. 따라서 유연한 재질의 관에 대한 적절한 내진 성능 평가를 위하여 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

4) 본 연구 결과는 iPVC 매립 상수도관의 정교한 해석모델 작성에 사용될 수 있으며 지반-배관 상호작용을 고려한 지진응답해석으로 매립 상수도관의 내진 성능 평가에 활용될 수 있을 것으로 기대한다.