◈연성관의 변형과 pipe stand의 기초
연성관이라 함은 관의 강도가 strenght가 아니고 stiffness로서 연성관에 하중이 주어질 경우 관이 변형을 하면서 주위에 관을 둘러싸고 있는 토양과 상호관계를 유지하여 변형과 복원을 반복작용으로 하중을 지지하는 메카니즘의 원리가 연성관이다. 따라서, 연성관은 하중을 받을 때 얼마까지의 변형을 허용할 것이며, 연성관 주변의 토양은 어떤 조건이어야 할 것인가가 연성관의 수명과 기능 유지에 중요한 인자라 할 것이다.
국제적으로 연성관 기초 및 뒷채움의 다짐도를 ISO WD-1과 ASTMD2321로 철저히 규정하고 있고 국내 하수도 공사 시공관리요령에서 관주위 부위별 다짐도를 명시하고 있다. 국내 연성관 시공 현장에서 항상 일어나는 논리의 공방을 보면 시공자는 관의 강성이 약하다고 하고 관 생산자는 시공시 다짐시공이 잘못되었다는 주장이 30년간 반복되어 오고 있다.
국내외 학자들에 의하면 관의 강성이 연성관 하자에 미치는 영향은 1%라고 하고 시공시 다짐이 99%라고 강조하고 있으나, 현실적으로 다짐시공이 규정에 맞도록 시공될 수 있느냐는 것과 관의 허용 변형율은 어디까지인가는 상호관계에 따라 상호보완적일 수 밖에 없다.
강성관의 경우는 관거에 가해지는 하중을 관거 자체가 받아서 견디다가 관거의 강성을 넘어서는 하중이 가해질 경우 관거가 파괴되는 것이고, 연성관의 경우는 하중이 주어질 때 관거 자체가 변형을 하면서 받은 하중을 주변 모래기초에 전달하였다가 하중이 제거되면 모래기초로부터 그 반력을 다시 받음으로서 관거가 원래의 형태로 되돌아 오는 작용을 반복하면서 하중을 견디는 메카니즘이다. 따라서 연성관의 이음방법은 매우 중요한 요소로서 관거가 변형시에도 이음부분이 변형을 흡수해 줄 수 있어야 하나 그렇지 못하여 문제가 발생한다.
여기에서 연성관의 기초공법상 개념을 잘 이해하고 시공해야 함은 너무도 당연하다 할 것이다. 그러나 현실은 그렇지 못하다.
현재까지 연성관 기초공법으로 시공되어온 공법들을 보면 360ﾟ모래기초가 대부분을 차지하고, 특수한 경우 Soil Cement공법, Geotextile공법, Cement concrete공법 등으로 시공이 이루어진다. 이러한 공법의 문제점을 해소하고 장기적이고 안전하게 관거시설을 유지하기 위하여 최근 개발된 PASCON pipe stand공법이 그 해결책이 될 수 있다.
국내환경부제정 하수도시설기준에 따르면 ‘연성관거는 자유받침 모래기초를 원칙으로 하며 조건에 따라 말뚝 기초 등을 설치한다.’로 규정하고 있다.
연성관은 관을 매설한 후 상부하중의 많은 부분을 아칭효과에 의하여 관로를 통과하지 않고 주변 원지반로에 전달되며 상부하중에 의한 관로 변형은 수평방향의 관로와 뒷채움재 사이의 접촉을 좋게 하고 이로 인하여 발생하는 수동토압을 통해 하중을 지지하게 된다. 이처럼 연성관은 관에 가해지는 하중을 견디기 위해 관주변 토양의 종류와 다짐이 아주 중요한 역할을 하게 된다.
관거를 거치시킨 후 측면을 성토하고 다짐을 하는데 관거의 haunch부분과 측면 부분은 공간이 협소하여 다짐 장비를 이용하기가 거의 불가능하고 인력다짐도 매우 어렵다. 또한 지하수나 지표수의 영향으로 주변 모래기초가 유실되거나 주변 이토의 유입으로 뒷채움재의 상호작용에 의한 상부하중의 전달기능을 상실할 수 있다.
이러한 문제점에도 불구하고 360ﾟ의 모래채움을 하더라 도 그 유효 받침각이 120ﾟ밖에 되지 않으므로 연성관의 수직방향 축소와 수평방향 팽창 변형을 제어 할 수 없으므로 유효 받침각을 180ﾟ로 키워서 수평 방향의 팽창을 제어하여 관거의 변형을 막고 세굴등에 의한 부분 부등침 하에 대처하여 종단구배불량 및 변형을 방지하여 이음부 이탈로 인한 누수를 차단하는 것이 pipe stand 공법이다.
◈ pipe stand의 재료특성과 규격
관거의 haunch 부분에서 다짐이 잘 이루어지지 않아 종단구배 변형, 이음부이탈 변형등과 같은 문제점을 해소하기 위하여 연성관 매설후의 하중을 전달 받는 메커니즘을 지반에 균등하게 분배전달하기 위하여 개발한 pipe stand의 재료특성과 규격은 다음과 같다.
pipe stand는 산업폐기물인 Fly ash와 slag를 재생 합성수지로 혼합 용융 결합하여 생성한 물질 PASCON을 용융 사출 냉각 등의 공정으로 만들어진다. 아래표는 PASCON의 강도와 재질을 시멘트 콘크리트의 특성과 비교하였으며 관거 아래의 기초로 어느 것을 이용하는 것이 더 유용한지 보여준다.
PASCON은 시멘트콘크리트에 비해 비중과 중량이 현저하게 적지만 인장, 압축, 굴곡, 충격강도 등 모든면에서 시멘트콘크리트에 비하여 우수하다.
시멘트콘크리트는 기능완료 후 건설폐기물이 되나 PASCON의 pipe stand는 반복 사용이 가능해 반복재생산이 가능하고 내약품성, 가공성에서도 돋보이는 장점을 가지고 있다.
◈ 최근의 동향
최근 국내 상하수도 수질개선사업으로 상하수 처리장에 대한 많은 개선 사업이 이루어졌으며 처리장에서의 하수관로를 통한 효율적인 생활하수와 우수의 분리수집과 수송을 위하여 하수관로에 대한 개선사업이 BTL방식으로 환경부 산하 환경관리공단을 통해 발주되고 있다.
현재까지의 상하수도용 대구경관거(∅500mm이상)는 강성관에 의존하였으며 소구경 관거(∅450mm이하)에 대해서는 연성관을 부분적으로 사용하고 있다.
연성관은 재질과 수명, 환경성, 경제성면에서 강성관에 비하여 매우 유리하나 종단구배 불량, 변형, 이음부이탈 등의 문제가 있고 관로에 높은 압력이 가해질 필요가 있어 상수도용에서는 제외되어 있는 형편이다. 강성관은 매설 후 지표로부터 전달되는 하중을 관로가 직접 받게 되나 연성관은 상부하중이 전해지면 수직방향의 축소와 수평방향의 팽창변형이 일어나므로서 상부의 토피 및 교통하중의 아칭효과를 통하여 지중으로 직접 전달하게 되므로 관거의 효율을 높일 수 있는 장점이 있다.
최근의 하수관거 부분의 현장시공을 수행함에 있어서 문제점을 분석하여 보면
가. 관거를 거치시킨 후에 측면을 성토하고 다짐을 하는데 관거의 헌치부분과 측면부분은 트렌치폭이 좁아서 장비를 이용하기에 어려움이 있고 인력다짐도 공간이 협소하여 기준에 맞춘 다짐 이 매우 어렵다.
나. 지하수위 하부에 연성관이 시공될 경우 세굴로 인한 모래가 유실되거나 주변으로부터 이토가 유입되어 연성관로와 주변 뒷채움재의 상호 작용에 의한 상부하중의 전달기능을 상실 할 수 있다.
현재 하수관거 기초공으로 많이 사용되고 있는 공법은 쇄석기초, 모래기초가 주이며 최근 건설폐자재로 많이 발생하는 폐 콘크리트를 파쇄하여 기초공으로 사용되는 재생골재 기초의 사용도 증가하고 있는 형편이나 이는 콘크리트 파쇄과정에서 날카로운 부분이 많아 연성하수관거 표면을 손상시킬 우려가 높다.
하수관로의 기초토사나 뒷채움재의 다짐이 충실하게 이루어지지 못하는 경우 관거 변형, 종단구배 불량, 부등침하 문제를 해소하기 위하여 산업페기물인 플라이애쉬와 슬래그를 중합체(polymer)에 혼합, 용융결합하여 제품화한 PASCON재질을 이용 pipe stand를 제작한 것이다.
여기서 연성관의 현장시공시 다짐에 대한 국내외의 기준을 고찰한 후 제작된 pipe stand의 형태와 전술한 물성과 함께 연성관로만을 사용할때의 휨강성과 stand를 조합하여 설치하였을 경우의 휨강성을 실내실험을 통하여 규명하였다.
pipe stand를 현장에 시공할 때의 절차와 실제현장에 시공한 사례를 통해 pipe stand의 기능성, 작업성, 경제성을 증명하였다.
에이치시티
대기환경 측정장비 삼성과 공동개발 완료
실내외 미세먼지 측정장비 공급으로 환경사업 본격 진출
클린룸 및 대기환경 미세먼지 측정장비 전문 개발기업 ㈜에이치시티(대표 이현희, 이수찬 www.hct.co.kr)는 실내외 미세먼지의 정확한 측정이 가능한 ‘광대역 미세먼지입자 측정기’(제품명: Wide APS)를 삼성전자와 공동으로 개발했다고 밝혔다.
Wide APS는 공기 중 100나노(머리카락 굵기의 1,000분의 1)미터 이하 미세먼지 크기 분포를 실시간으로 측정하여 대기의 오염도를 표시해 주는 장비로, 각 생산시설 외부에 설치되어 배출대기의 청정도를 감시하는 기능을 한다. .
특히, 지금까지 기존 미세먼지 측정장비는 주변의 공기를 수집한 후 공기 중 부유하는 미세먼지의 무게 농도만을 측정하여 대기 오염도를 추정하여 왔으나, 이번 공동개발 장비는 미세먼지의 전기적 이동도와 레이저 센서를 이용하여 대기 중 미세먼지를 수농도로 측정하기 때문에 100 나노미터 이하의 미세먼지의 양을 더욱 정확히 모니터링 할 수 있다.
황사, 불완전 연소물, 디젤자동차의 배출입자 등으로 최근 급격하게 증가하고 있는 공기 중 미세먼지는 반도체 및 LCD 생산과 같은 첨단 산업에 영향을 미칠 수 있고, 호흡 시 폐까지 침투하는 특성을 가지고 있어 인체 및 환경오염이라는 측면에서 현재 사회적인 문제가 되고 있다.
에이치시티 권용택 소장은 “미세먼지에 대한 우려가 날로 증가하고 대기환경보전법의 개정으로 규제기준이 강화되는 등 환경에 대한 관심이 높아지고 있다.”라며 “첨단 산업분야에서 전문적으로 미세먼지를 측정해온 자사의 기술력을 활용하여 여러 생산시설의 환경 신뢰도 향상에 기여하겠다.”라고 밝혔다.
더불어 에이치시티는 이번 장비 공급을 발판으로 지하철, 역사, 공항, 쓰레기 매립지 등 대기환경 측정 전분야로 사업영역을 확대할 예정이다.
에이치시티는 지난 2005년 세계최초로 나노 단위 미세먼지측정장비를 개발에 성공, 첨단 측정 기술의 국산화 및 해외시장 개척에 앞장서고 있으며 현재 흡입독성 관련 대기측정 실험장비 공급 등을 통해 환경 장비사업에도 주력하고 있다.
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