KR100878179B1

KR100878179B1 - 섬유강화플라스틱 상하수도관

Info

Publication number: KR100878179B1
Application number: KR1020070026021A
Authority: KR
Inventors: 윤순종; 남정훈; 주형중
Original assignee: 윤순종; 남정훈; 주형중
Priority date: 2007-03-16
Filing date: 2007-03-16
Publication date: 2009-01-12
Also published as: KR20080084364A

Abstract

본 발명은 섬유강화플라스틱 상하수도관에 관한 것으로, 부재축방향으로 보강섬유가 배치된 복수의 속이 빈 FRP 단위부재들이 중공이 형성된 폐단면을 구성하도록 결합된 내부관체와, 상기 내부관체의 외면을 둘러싸 보강섬유가 상기 내부관체의 원주방향으로 배치되도록 한 FRP 외부셸을 포함하는 것을 특징으로 한다.

섬유강화플라스틱(FRP), 상하수도관, 펄트루젼, 인발성형, 필라멘트와인딩

Description

섬유강화플라스틱 상하수도관{Fiber Reinforced Plastic Pipe for water supply and drainage}

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 섬유강화플라스틱 상하수도관의 단면도이다.

도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 섬유강화플라스틱 상하수도관의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따른 섬유강화플라스틱 상하수도관을 형성하는 일 실시예를 보여주는 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 섬유강화플라스틱 상하수도관을 형성하는 다른 실시예를 보여주는 단면도이다.

도 5는 본 발명에 따른 섬유강화플라스틱 상하수도관을 형성하는 또 다른 실시예를 보여주는 단면도이다.

< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >

10 : 내부관체 11a : 단위부재(segment)

12a : 단위부재의 속 빈 부분 12b : 중공

14a : 삽입홈 14b : 삽입돌기

15a : 끼움홈 15b : 끼움돌기

17 : 끼움부재 18 : 연결구

20 : 외부셸 30 : 채움재

본 발명은 섬유상화플라스틱 상하수도관에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보강섬유가 관의 길이방향으로 배열된 모듈화된 복수의 단위부재를 결합한 내부관체와 보강섬유가 관의 원주방향으로 배열된 외부셸로 구성하여 지중에 매설되는 관에 작용하는 하중에 효과적으로 저항할 수 있고 대구경관을 손쉽게 구성할 수 있는 섬유강화플라스틱 상하수도관에 관한 것이다.

현재까지 우리나라의 상하수도 시설 기반구축에 사용된 관종은 상수도의 경우 강관이 하수도의 경우 철근콘크리트관(흄관)이 주로 사용되어 왔다. 그러나 이미 구축된 시설기반의 사용 연한이 증가할수록 발생하는 문제로 내구성이 대두되고 있다. 강관의 경우 부식으로 인한 수질의 오염이나 누수가 문제점으로 지적되고 있으며, 철근콘크리트관의 경우 하수에 포함된 황화수소에 의한 부식과 산, 알칼리, 폐수, 염분, 유기물의 영향을 받는다.

따라서 FRP(Fiber Reinforced Plastic)을 주재료로 제작된 유리섬유복합관(Fiberglass Composite Pipe)이 새로운 대안으로 떠오르고 있다.

유리섬유복합관의 생산방식은 크게 두 가지로 필라멘트 와인딩(Filament Winding) 방식과 원심력을 이용한 제작방식을 들 수 있다. 필라멘트 와인딩 방식은 연속되는 유리섬유 로빙(Roving)을 수지에 함침시켜 원통형 틀(mandrel)에 나선방향으로 감아 제작하는 방식을 말하며, 원심력을 이용한 제작방식은 콘크리트 흄관과 같이 수지와 유리섬유 단섬유(Chopped fiber)가 원통속에서 원심력에 의해 성형되는 방식이다.

FRP 재료는 보강섬유의 배치방향과 양에 따라 강도특성이 다른 이방성재료이며, 보강섬유의 연속성 또한 강도특성에 영향을 미치는 주요 영향인자가 된다.

필라멘트 와인딩 방식으로 제작된 관의 경우 원주방향의 강도에 비해 섬유배치가 되지 않은 길이방향의 강도가 상대적으로 약하기 때문에 지반의 부등침하로 인한 길이방향의 변형이 크다. 또한 관의 두께가 제한되어 있기 때문에 원강성을 확보하기 위해서는 보강섬유의 양을 증가시켜야 하기 때문에 다양한 하중조건을 충족시킬 수 없고 국부적인 과도한 변형의 우려가 있다.

원심력관의 경우 사용되는 보강섬유가 단섬유이기 때문에 섬유배치가 연속이 아니며 방향성이 없기 때문에 보강효율이 저하된다.

본 발명은 상기한 종래 관종의 문제점 및 대안으로 사용되고 있는 유리섬유복합관의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 보강섬유가 관의 길이방향으로 배열된 모듈화된 복수의 단위부재를 결합한 내부관체와 보강섬유가 관의 원주방향으로 배열된 외부셸로 구성하여 지중에 매설되는 관에 작용하는 하중에 효과적으로 저항할 수 있고 대구경관을 손쉽게 구성할 수 있는 섬유강화플라스틱 상하수도관을 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기한 본 발명의 목적은 부재축방향으로 보강섬유가 배치된 복수의 속이 빈 FRP 단위부재들이 중공이 형성된 폐단면을 구성하도록 결합된 내부관체와, 상기 내부관체의 외면을 둘러싸 보강섬유가 상기 내부관체의 원주방향으로 배치되도록 한 FRP 외부셸을 포함하는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱 상하수도관에 의해 달성된다.

이때, 상기 내부관체를 구성하는 복수의 단위부재들의 속에는 채움재가 충진된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 내부관체는 단면 형상이 원형인 것을 특징으로 한다.

한편, 상기 내부관체를 구성하는 단위부재들의 일측에는 삽입홈을 형성하고 타측에는 삽입돌기를 형성하여 인접하는 단위부재들이 서로 끼움결합되어 폐단면을 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 내부관체를 구성하는 단위부재들의 양측에 끼움홈을 형성하고 상기 끼움홈에 끼워지는 끼움돌기를 갖는 끼움부재를 이용하여 단위부재들을 서로 끼움결합하여 폐단면을 구성하는 것이 가능하다.

또한, 상기 내부관체를 구성하는 단위부재들의 양측에 연결돌기를 형성하고 상기 연결돌기에 끼워지는 연결홈을 갖는 연결구를 이용하여 단위부재들을 서로 끼움결합하여 폐단면을 구성하는 것도 가능하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 섬유강화플라스틱 상하수도관은 길이방향으로 보강섬유가 배치된 내부관체(Inner pipe, 10)와 원주방향으로 보강섬유가 배치된 외부셸(Outer shell, 20)로 구성된다.

내부관체(10)는 복수의 단위부재(11a)들이 내부에 중공(12b)이 형성된 소정의 폐단면 형상을 갖도록 결합되어 형성된다. 복수의 단위부재(11a)들이 결합된 내부관체(10)의 단면형상은 원형, 사각형, 타원형 등 다양한 형상이 될 수 있다.

내부관체(10)를 구성하는 복수의 단위부재(11a)들은 속이 빈 섬유강화플라스틱(FRP) 박판으로 되어 있으며 관의 길이방향 보강층을 이루도록 보강섬유가 길이방향으로 배치되어 있다.

여기서, 보강섬유로는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 등이 사용되며, 수지로는 폴리에스터수지, 비닐에스터, 페놀수지, 에폭시수지 등이 사용된다.

상기 단위부재(11a)의 빈 속(12a)은 통신선이나 전기배선이 배치하는 공간으로 활용할 수 있으며, 빈 속(12a)에 채움재(30)를 충진함으로써 관 전체의 강성을 증가시킬 수 있을 뿐만 아니라 플라스틱 종류의 관이 너무 가벼워 발생하는 부력문제도 해결할 수 있다.

채움재(30)는 관의 사용 용도에 따라 다른 재료를 충진할 수 있는데, 단열기능이 요구되는 경우에는 우레탄 폼 등의 단열재를 주입하며, 일반적인 상하수도관용 관의 경우는 모르타르나 콘크리트 또는 재생골재나 폐 FRP를 주입한다.

이렇게 구성된 단위부재(11a)를 이용하여 내부관체(10)를 구성하는 다양한 방법을 도 3 내지 5에 도시하였다.

먼저, 도 3을 참조하면, 상기 내부관체(10)를 구성하는 단위부재(11a)들의 일측에는 삽입홈(14b)을 형성하고 타측에는 삽입돌기(14a)를 형성하여 인접하는 단위부재(11a)들을 서로 끼움결합하여 내부관체(10)를 형성한다.

도 4를 참조하면, 상기 내부관체(10)를 구성하는 단위부재(11a)들의 양측에 끼움홈(15a)을 형성하고 상기 끼움홈(15a)에 끼워지는 끼움돌기(15b)를 갖는 끼움부재(17)를 이용하여 단위부재(11a)들을 서로 끼움결합하여 내부관체(10)를 형성한다.

도 5를 참조하면, 상기 내부관체(10)를 구성하는 단위부재(11a)들의 양측에 연결돌기(15b)를 형성하고 상기 연결돌기(15b)에 끼워지는 연결홈(15a)을 갖는 연결구(18)를 이용하여 단위부재(11a)들을 서로 끼움결합하여 내부관체(10)를 형성한다.

외부셸(20)은 관의 원주방향 보강층을 이루며 상기 내부관체(10)의 외면을 수지가 함침된 보강섬유로 둘러싸 형성된다. 즉, 외부셸(20)은 복수의 단위부재(11a)들을 결합하여 내부관체(10)가 제작된 후 필라멘트 와인딩 공법을 적용하여 형성한다. 기존 필라멘트 와인딩 공법은 멘드렐(mandrel)이라는 원통형 틀이 필요하지만 본 발명에서는 선행 펄트루젼 공정으로 제작된 부재로 구성된 관을 이용하므로 관경에 따라 설치되어야하는 멘드렐이 필요하지 않게 된다.

상기 외부셸을 구성하는 수지는 폴리에스터수지, 비닐에스터수지, 페놀수지, 에폭시수지 등이 사용되며, 보강섬유로는 유리섬유, 탄소섬유, 아라미드섬유 등이 사용될 수 있다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에서는 보강섬유가 관의 길이방향으로 배열된 모듈화된 다수의 단위부재를 결합한 내부관체와 보강섬유가 관의 원주방향으로 배열된 외부셸로 구성하여 지중에 매설되는 관에 작용하는 하중에 효과적으로 저항할 수 있고 대구경관을 손쉽게 구성할 수 있도록 하였다.

이와 같이 보강섬유를 길이방향과 원주방향으로 배치한 이유는 아래와 같다.

FRP는 보강섬유의 배치방향이나 양에 따라 재료의 성질이 다른 이방성재료이다. 따라서 유리섬유복합관의 설계에 있어 이러한 FRP의 재료적 특성이 고려되어 다양한 적용하중에 저항할 수 있는 필요한 강도와 강성이 확보되도록 보강섬유의 양과 배치방향 그리고 단면의 크기가 결정되어야 한다. 지중에 매설된 관에 작용하는 하중은 내압과 상재토압 및 차량하중, 지반상태에 따른 부등침하 그리고 온도변화에 따른 관 축방향력 등을 들 수 있다. 내압에 저항하기 위하여 관 원주방향으로 배치된 보강섬유량이 결정되어야 하며, 토압에 의하여 발생하는 관단면의 변형을 방지하는 공칭 원강성을 크게 하기 위해서는 원주방향의 보강섬유량 뿐만 아니라 관 두께가 설계변수가 될 수 있다. 부등침하에 의한 관길이방향의 휨 처짐과 온도변화에 의한 관 축방향력에 저항하기 위해서는 관길이방향으로 배치되는 보강섬유의 양과 단면형상에 따른 휨강성이 설계변수가 된다.

이에 따라 본 발명에서는 관 형태로 조립된 내부관체를, 수지가 함침된 보강섬유로 감싸 외부셸로 관의 원주방향을 보강한 구조로 하였다.

그리고 내부관체를 모듈화된 복수의 단위부재들을 조립하여 구성함으로써 대구경의 단면도 손쉽게 구성할 수 있도록 하였다.

이상과 같이 구성된 본 발명에 따른 섬유강화플라스틱 상하수도관의 제조 및 조립방법은 다음과 같다.

먼저, 내부관체를 구성하는 모듈화된 단위부재들은 섬유강화플라스틱(FRP) 구조부재의 대량생산에 유리한 제작방식인 인발성형(Pultrusion)공법을 적용하여 제작한다. 인발성형공법은 단면적이 큰 부재의 생산에 어려움이 있으므로 본 발명에서는 인발성형 부재를 모듈화하여 생산 후 조립함으로써 대구경 관의 생산이 가능하도록 하였다.

이와 같이 제조된 단위부재들을 소정의 형상으로 결합한다. 결합방법은 단위부재들을 서로 접착제로 접착하거나, 도 3 내지 5에 도시된 다양한 끼움상세를 이용할 수 있다.

다음으로 내부관체의 외부를 수지가 함침된 보강섬유를 이용하여 필라멘트 와인딩공법으로 감싼다.

마지막으로 관 자체의 강성을 높이거나 부력에 의한 상승을 억제시킬 필요가 있는 경우 내부관체를 구성하는 단위부재들의 속에 채움재를 충진한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 섬유강화플라스틱 상하수도관은 길이방향 및 원주방향으로 보강섬유가 배치되므로 양 방향으로 충분한 강도와 강성을 확보할 수 있고 내구성이 우수하므로 교체주기가 길고 유지보수비용이 저렴하다.

또한, 용이하게 대구경 단면의 관 제작이 가능하다. 즉, 기존 필라멘트 와인딩 공법은 멘드렐(mandrel)이라는 원통형 틀이 필요하지만 본 발명에서는 선행 펄트루젼 공정으로 제작된 부재로 구성된 원통관을 이용함으로 관경에 따라 설치되어야하는 멘드렐이 필요하지 않다.

또한, 유체저항이 적고 스케일이 끼지 않으며 탄력이 있어 지반의 변위에 잘 적응한다.

Claims

삭제
부재축방향으로 보강섬유가 배치된 복수의 속이 빈 FRP 단위부재(11a)들이 중공(12b)이 형성된 폐단면을 구성하도록 결합된 내부관체(10)와,

상기 내부관체(10)의 외면을 둘러싸 보강섬유가 상기 내부관체(10)의 원주방향으로 배치되도록 한 FRP 외부셸(20)을 포함하며,

상기 내부관체(10)를 구성하는 복수의 단위부재(11a)들의 속에는 채움재(30)가 충진된 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱 상하수도관.
제 2 항에 있어서,

상기 내부관체(10)는 단면 형상이 원형인 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱 상하수도관.
제 3 항에 있어서,

상기 내부관체(10)를 구성하는 단위부재(11a)들의 일측에는 삽입홈(14a)을 형성하고 타측에는 삽입돌기(14b)를 형성하여 인접하는 단위부재(11a)들이 서로 끼움결합되어 폐단면을 구성하는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱 상하수도관.
제 3 항에 있어서,

상기 내부관체(10)를 구성하는 단위부재(11a)들의 양측에 끼움홈(15a)을 형성하고 상기 끼움홈(15a)에 끼워지는 끼움돌기(15b)를 갖는 끼움부재(17)를 이용하여 단위부재(11a)들을 서로 끼움결합하여 폐단면을 구성하는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱 상하수도관.
제 3 항에 있어서,

상기 내부관체(10)를 구성하는 단위부재(11a)들의 양측에 연결돌기(15c)를 형성하고 상기 연결돌기(15c)에 끼워지는 연결홈(15d)을 갖는 연결구(18)를 이용하여 상기 단위부재(11a)들을 서로 끼움결합하여 폐단면을 구성하는 것을 특징으로 하는 섬유강화플라스틱 상하수도관.