KR20000014032A - 발포수지를 보강재로 하는 하수관 구조 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 프로파일을 와인딩하여 하수관을 만드는 과정에서 프로파일의 내부공간을 발포수지로 채워서 만든 하수관에 관한 것으로 특히, 관 제작에 투입되는 재료의 양을 절감하는 조건을 만족 시키는 프로파일 와인딩 관 제조 공정에서 보강되고, 프로파일상에서의 유체 유실 현상을 없애면서 발포수지의 발포정도를 높혀 관의 강성을 크게하는 것이다.

본 발명은 관의 단면상에 재료 감량을 위한 공백을 두고, 이 공백에는 관의 강성을 강화 시키기 위해 발포층을 포함하는 보강부를 가지는 하수관 구조에 있어서, 상기 공백이 수평 수직 방향의 사방을 벽으로 하여 홈을 형성한 프로파일로 이루어지며, 상기 프로파일이 가지는 각 홈에 대하여 같은 재료의 발포수지 코어층을 독립적으로 분활하여 충진 시킨 하수관 구조와, 수평 수직 방향의 사방을 벽으로 하여 홈을 형성한 프로파일을 압출 성형하고, 상기 프로파일을 와인더에 감아돌려 관 단면상에서는 서로 접하는 프로파일의 수직벽이 접합되고, 수평벽은 내벽과 외벽을 통해 이중벽을 형성하는 프로파일을 이용하는 하수관 제조방법에 있어서, 상기 프로파일을 압출 성형하는 단계에서 프로파일이 가지는 홈안에 같은 재료의 발포수지를 채워넣는 발포수지 충진 단계를 거치고, 상기 프로파일을 와인더에 감아 돌리는 과정에서 프로파일안에는 발포수지를 채워서 코어층을 형성하는 것이다.

Description

발포수지를 보강재로 하는 하수관 구조 및 그 제조방법

본 발명은 프로파일을 와인딩하여 하수관을 만드는 과정에서 프로파일의 안을 발포수지로 채워서 만든 하수관에 관한 것으로 특히, 관 제작에 투입되는 재료의 양을 절감하는 조건을 만족 시키는 프로파일 와인딩 관 제조 공정에서 쉽게 보강되고, 프로파일상에서의 유체 유실 현상을 없애면서 발포수지의 발포정도를 조절하여 관 강도를 변화시킬 수 있도록 하며, 이로부터 관의 강성을 크게하는 것이다.

일반적으로 플라스틱을 재료로 하는 하수관 제조에서는 재료의 사용량을 줄이면서도 지중 매설시 토압과 윤압에 견디는 강성을 유지하고, 무게를 가볍게 하는 등의 일정한 조건을 만족 시킬 수 있게 관 단면을 설계하고 있다.

알려진 기술은 관 단면에 공백을 만들어 이 공백이 차지하는 공간 만큼 재료의 양을 줄이는 방법을 이용하는 것이다. 이렇게 만들어지는 하수관은 단면에 공백이 그대로 남아 관의 강도를 떨어뜨리는 중요한 문제를 가져왔고, 또한 재료의 투입량으로 강도를 조절했다. 따라서 하수관의 관 단면 설계에서는 재료의 양을 절감하면서도 어떻게 토압이나 윤압에 견디는 강도를 유지할 수 있는가에 관심이 집중되었다.

도 1은 이런측면에서 제시된 종래의 기술로써, 사각홈으로 이루어지는 중공상의 프로파일(2)을 압출기에서 연속해서 압출하고, 회전하는 와인더에 감아서 만든 하수관(1)을 나타낸다. 이 관의 단면은 사각 프로파일(2)을 와인딩하여 만들어졌으므로, 내벽(3)과 외벽(4)을 따라 프로파일(2)이 가지는 사각홈(5)이 규칙적으로 배열된 구조를 갖고, 벽(6)은 서로 접합되어 수직벽을 형성하면서 사각 프로파일(2)이 그대로 관의 단면이 되어 관의 두께와 강성이 결정된다. 따라서 관의 단면이 공백없이 채워진 솔리드관(Solid Pipe) 관과 비교할 때, 벽(6)을 제외하면 빈 공간으로 조성되어 그만큼 재료의 양과 무게 부담을 줄이는 결과를 얻을 수 있으며, 그러면서도 각 벽(3)(4)(6)을 통해 내/외압에 대한 어느 정도의 강성을 갖게된다. 그러나 수직상의 벽(6)과 내/외벽(3)(4)을 통해 강성을 유지하므로 각 벽(3)(4)(6)에서의 강성차가 커서 평활면인 내/외벽(3)(4) 단면에서의 균열이나 결함이 생기고, 이로인해 프로파일 안으로의 유체 유실 현상이 나타나는 단점이 있다. 이를 보상하는 방법은 각 벽(3)(4)(6)의 두께를 두껍게 하는 것이지만, 재료의 양과 무게 부담을 덜어주려는 측면과 일치되지 않는 모순을 안고있다.

도 2는 관(1)의 벽(6)에 보강재를 인서트 시켜 관의 강성을 증가 시킨 방식이다. (가)의 구조는 보강철심(7)을 벽(6)에 넣어 벽(6)에 가해지는 하중에 견디는 강성을 크게 하지만 사각 프로파일(2)을 와인딩하여 만드는 관 제작 조건에서 별도의 보강철심(7)을 인서트 시키는 성형상의 어려움이 있어, 공정이 복잡해져 원가상승 요인이 있고, 초기 강도 보강에는 유용하지만 구조적으로는 벽(6)과 일체화 되지 못하는 이재질인 보강철심(7)의 층분리 현상이 진행되어 보강역활이 저하되는 문제점이 있고, 역시 도 1과 마찬가지로 프로파일 안으로의 유체 유실 현상이 나타난다.

(나)는 관(1)의 벽(6)과 외벽(4)을 따라 절곡형 보강철판(8)을 (가)와 같은 방법으로 인서트 시켜 관의 강성을 크게 한 또 다른 방식으로서, (가)와 같은 보강철심(7) 적용 구조에서 나타나는 대부분의 장점과 단점을 공유한다. 다른 점은 외벽(4)을 가로지르는 보강철판(8)의 형상을 통해 외압강성을 부분적으로 강화 시키는 점뿐이다.

따라서 도 1 및 도 2와 같은 사각 프로파일(2)로 만들어지는 하수관(1)은, 자체적으로는 강도가 약한 것이며, 강도 보강을 위해 제공되는 보강재를 원재료와 다른 이재질의 인서트물을 삽입하는 방식으로는 보강재의 층분리 현상을 피할 수 없어 관의 강성을 유지하지 못하였고, 또한 사각 프로파일(2)의 홈을 따라 생기는 유체의 유실을 막을 수 없는 문제점이 있다.

이에 대하여 도 3은 내벽(3)과 외벽(4) 사이를 빈 공간(9)으로 구성하고, 광범위한 공간에 밀도가 낮은 다공질 발포수지(Foamed plastic) 코어층(10)를 충진 시킨 구조로서, 재료 절감과 무게를 낮추는 문제를 해결 하고, 동시에 빈 공간(9)에 채워진 코어층(10)을 통해 모자라는 스킨면의 강도를 보강하게 한 것이다. 이러한 관 구조는 관의 스킨을 형성하는 단계에서 발포수지 코어층(10)를 충진 시킬 수 있어, 비교적 제조공정이 간단하여 생산 원가를 낮출 수 있는 장점이 있는데 반해, 발포수지 코어층(10)층을 광범위한 영역에 충진 시켜 발포정도가 낮은 상태에서 관을 보강하는 형태여서 관에 작용하는 내압이나 토압하중에 대한 공극 변형률이 크고 그만큼 전단강도나 인장강도가 취약하게 나타나는 문제가 있고, 대형관 제조시 상당하는 부속장치를 필요로하므로써 대형관 제작에 부적합한 문제점이 있다.

이와같이 재료를 절감하면서 일정한 강도를 유지하기 위해 제작된 종래의 하수관 구조는, 솔리드 관과는 다르게 공백 조성에 의해 재료의 감량 부분은 해결하고 있으나, 재료 감량을 위해 가해진 관 단면 공백부에서의 강도 저하가 문제로 되었고, 프로파일을 감아서 만들어진 하수관에서는 프로파일 홈을 통한 유체의 유실이 생기는 문제가 있어 신뢰성이 낮은 상태에 있다.

본 발명은 관 제작에 소요되는 재료의 양을 절감하기 위해 홈이 있는 프로파일을 이용하여 관을 만들어 프로파일상에서의 유체 유실 현상을 없애고, 또 발포수지의 발포정도를 높혀 관의 강성을 크게하거나 변화시키는 것이다.

또한 본 발명은 프로파일을 와인더에 감아서 만드는 하수관의 주제조 공정에서 비교적 간단한 공정으로 동화되어 관 단면을 보강하는 보강층을 구성 하는 것이다.

이를위해 본 발명은 관의 단면상에 재료 감량을 위한 공백을 두고, 이 공백에는 관의 강성을 강화 시키기 위해 발포층을 포함하는 보강부를 구성하고, 상기 공백이 수평 수직 방향의 사방을 벽으로 하여 홈을 형성한 프로파일로 이루어지며, 상기 프로파일을 와인더에 감아돌려 관 단면상에서는 서로 접하는 프로파일의 수직벽이 접합되어 수직벽을 형성하고, 수평벽은 내벽과 외벽을 형성하는 관 단면 구조에서, 상기 프로파일을 와인더에 감아 돌리는 과정에서 프로파일안에 같은 재료의 발포수지를 채워넣어 프로파일로 이루어진 관 단면의 각 사각홈안에 발포수지 코어층을 형성시키는 것이다.

도 1은 프로파일로 구성된 종래 하수관 구조

도 2는 도 1 보강 구조의 단면도로서, (가)는 보강철심 적용예 (나)는 보강철심 적용예를 보인 단면도

도 3은 종래 하수관 보강구조의 다른 예를 보인 도면

도 4는 본 발명에 따른 프로파일 제조 공정도

도 5는 본 발명의 하수관 단면 구조

도 6은 다공질 발포수지의 공극 구조

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

20:프로파일(Profile) 21:홈

22:발포수지 23:와인더

24:코어층 25:원료공급부

26:압출기 27:발포수지공급부

28:하수관 29:수직벽

30:내벽 31:외벽

본 발명은 관의 단면에 공백을 두고, 공백에서 생기는 관의 강도 저하를 보상하는 도 2 및 도 3과 같은 종래의 구조에 관련된다.

본 발명은 프로파일(20)을 압출 성형하는 단계에서 발포수지(22)를 프로파일(20)의 홈(21)안에 충진시켜 프로파일(20)을 와인더(23)로 보내 와인딩하여 관을 제조하는 단계에서 관 단면에 발포수지 코어층(24)을 형성하는 것을 특징으로 한다.

도 4는 프로파일(20) 성형 단계에서 발포수지(22)를 프로파일(20)에 충진 시키는 모식도로써 원료공급부(25)로 부터 압출기(26)에 원료를 공급하여 프로파일(20)을 압출하고, 이 과정에서 압출기(26)측에 발포수지공급부(27)를 통해 발포수지(22)를 넣어주면, 프로파일(20)안에 발포수지(22)가 채워지고 경화되어 발포수지 코어층(24)이 형성된 도 5와 같은 하수관(28)이 얻어진다.

상기 실시예는 프로파일(20)에 발포수지(22)를 채우는 제조공정의 예이다. 따라서 포로파일(20)의 홈(21)안에 발포수지(22)를 채우는 일의 순서는 변화될 수 있으나, 공정상의 이득을 위해 실시예와 같은 동시 진행을 선택한다.

이렇게 만들어진 하수관(28)은 수직 벽(29) 접합을 통해 이중벽으로 구성되고, 내벽(30)과 외벽(31)안에는 발포수지 코어층(24)이 균일한 분포로 충진된 형태가 된다.

발포수지 코어층(24)은 도 6과 같이 밀도가 낮은 다공질 형태로 프로파일(20)의 안에 충진 된다. 따라서 어떤 정해진 공간에 충진되면, 하중이 걸릴 때 공극(G)이 변형된다. 본 발명은 공간이 좁은 프로파일(20)안에 발포수지(22)를 충진시켜 공극의 변형 정도를 낮춰준다. 이는 동일한 공극율을 갖는 조건에서 넓은 공간에 충진될 때보다 공극 변형율을 낮추는 결과를 얻어 강성을 강화 시킨다. 강도적인 면에서 공극변형율과 그 가능성은 낮을수록 강성이 커진다.

즉, 공극률은 공극의 전용량을 Vp, 물질 전체의 용적을 V로 나타낼 때, (Vp/V)×100%로 표시되며, 물질이 채워지는 공간의 용적에 따라 공극 변형율은 다르게 나타난다.

따라서 동일한 공극률을 가지고, 광범위한 영역에 발포수지 코어층을 충진 시킨 도 3과 같은 관 단면과 비교할 때, 프로파일(20)안에 코어층(24)을 형성하면, 공극 변형율이 작아지며, 강도면에서 우수한 결과를 얻을 수 있다.

강도에 관련하여 도 5와 같은 형태의 관(28)과 도 1 및 도 3의 관(1)을 각각 비교하면 다음과 같다.

관의 설계시 토압 및 윤압등 관의 외부에서 작용하는 스트레스(Stress)에 대비해 고려하는 값 중에 파이프 스티프니스(PIPE STIFFNESS)는 다음과 같이 계산된다.

PS :관의 수직강도 (PIPE STIFFNESS)

E :재료의 탄성계수 (ELASTIC MODULUS)

I(M):관 단면2차(I)모멘트(I MOMENT)

rm :관의 평균 반지름 (MEAN RADIUS)

C :안전도 계수 (SAFTY FACTOR) 일 때,

위의 식에서 볼 때 PS값은 재료와 관경이 동일한 경우 관 단면의 형상에 의해 결정되어진다. 따라서 관의 단면 형상이 동일한 수지로 꽉 채워진 솔리드 형태인가? 단면이 프로파일 형태로 되어 있는가?(도 1) 내부가 발포층으로 이루어져 있는가?(도 3)에 따라 관에 수직으로 작용하는 스트레스에 대한 I(M) 값은 달라진다.

재료와 구경 그리고 수직으로 작용되는 스트레스에 대한 1차 변형율이 동일한 조건에서, 가장 큰 I(M) 값은 솔리드 파이프로서,

여기서 T는 파이프의 두께(THICKNESS OF PIPE(㎝))로 게산되어 진다.

위 경우는 관의 단면이 솔리드인 상태이므로 단면의 형상에는 관련이 없으며, 관의 두께만이 PS값을 변동 시키는 인자가 된다.

이에대하여 도 1과 같은 사각홈이 있는 프로파일 관의 PS값을 계산할 때의 I(M)값은,

으로 계산된다. 여기서 t는 프로파일의 상당내경(EQUIVALENT INSIDE DIAMETER OF PROFILE)이다.그러므로, 솔리드파이프의 I(M) ＞ 프로파일 관I(M)의 부등식이 성립한다.

이에 대하여 도 3과 같은 발포층이 있는 관의 PS값을 계산할 때의 I(M)값은,

로 정리된다.

여기서 α는 발포정도에 따른 I(M)값의 변화계수(α ＞ 1)이다.

역시, 솔리드파이프의 I(M) ＞ 발포층이 있는 관I(M)의 부등식이 성립한다.

한편, 도 5와 같이 프로파일에 발포층을 형성한 관의 PS값을 계산할 때의 I(M)값은,

로 정리된다. 여기서 β는 프로파일 내부의 발포정도에 따른 I(M)값의 변화계수(β ＞ 1)이다.

따라서 프로파일 관 I(M) ＜ 프로파일에 발포층을 형성한 관I(M)의 부등식이 성립한다.

이와같은 식에 의해 나타나는 본 발명의 I(M)값은, 솔리드파이프가 갖는 I(M)값 보다는 작지만, 사각홈을 공백으로 남겨둔 프로파일 관의 I(M)값이나, 관의 두께 전영역에 발포층을 충진시킨 관의 I(M)값 보다는 큰 것이다.

특히, 도 1의 구조에서 모자라는 PS값을 보상하기 위한 유일한 방법은 프로파일 벽의 두께를 증가시키는 것이다. 이러한 벽 두께의 증가 여유는 있으나, 투입되는 재료의 양 증가를 동반한다.

본 발명과 마찬가지의 발포층을 관의 두께 전영역에 충진시킨 도 3과 같은 형태의 관은 광범위한 공간을 대상으로 다공질의 발포층을 가지는 관계로 공극 변형율과 발포정도가 커져 관의 PS값이 급격히 떨어진다. 보상방법은 발포층의 밀도를 높혀주는 것이지만 역시 발포재료의 양 증가를 동반한다.

이에대하여 본 발명은 프로파일의 벽 두께를 증가 시키지 않으면서도 PS값을 크게 유지하는 것이 가능하고, 오히려 벽 두께를 줄여줄 수 있는 자유도가 주어진다.

도 2는 보강재를 프로파일 벽에 인서트 성형한 것으로써 본 고안과 같은 조건에서의 강도 비교 대상이 될 수 없어 생략한다. 다만, 이재질의 보강재를 넣어서 생기는 구조적 문제점이 본 발명과 관련된다.

이와같이 본 발명은 하수관의 구조적 조건증 재료의 양을 절감하고, 동시에 무게를 경감 시키면서도 토압이나 륜압에 견디는 관을 얻기 위해 관의 단면이 어떻게 설계되어야 하는가에 맞추어진 것이며, 기능적으로는 이러한 제한적 조건에서 제시된 다양한 방법들에서 나타난 문제들 예를들면, 프로파일을 관으로 성형한 경우에 나타나는 유체의 유실 현상이나, 별도의 보강재를 적용하는 경우에 발생되는 보강재의 층분리 현상. 그리고 발포층의 영역에서 나타나는 강도의 유지 문제등으로 요약되는 다양한 문제들에 대하여 재료의 양과 무게를 증가 시키지 않으면서 해결할 수 있게한다.

본 발명은 재료를 절감하는 조건을 유지하면서 관의 보강을 위해 프로파일안에 다공질 발포수지 코어층을 형성 시킴으로서 첫째, 벽으로 분활되는 적은 공간에 코어층을 두어 발포정도를 높혀 공극 변형에 대한 안정화를 기하는 것으로 부터 관의 강도를 보강하고, 둘째, 관이 갖는 재료량을 절감하기 위해 홈이 있는 프로파일을 이용하되, 여기서 생기는 유체의 유실 현상을 없애며, 셋째, 프로파일의 두께증가 없이도 관의 보강을 위해 다양하게 제시된 관 보강 구조에 투입된 소모적 요인에 대하여 비교우위를 가질 수 있으며, 넷째, 프로파일 관으로 하수관을 만드는 과정에서 적은 공정의 추가로 쉽게 제작 가능한 효과가 있다.

또한 제조 단계에서는 구경에 관계없이 관의 보강 구조를 얻을 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 관의 단면상에 재료 감량을 위한 공백을 두고, 이 공백에는 관의 강성을 강화 시키기 위해 발포층을 포함하는 보강부를 가지는 하수관 구조에 있어서,

   상기 공백이 수평 수직 방향의 사방을 벽으로 하여 홈을 형성한 프로파일로 이루어지며,

   상기 프로파일이 가지는 각 홈에 대하여 같은 재료의 발포수지 코어층을 독립적으로 분활하여 충진 시킨 것을 특징으로 하는 발포수지를 보강재로 하는 하수관 구조.
2. 수평 수직 방향의 사방을 벽으로 하여 홈을 형성한 프로파일을 압출 성형하고, 상기 프로파일을 와인더에 감아돌려 관 단면상에서는 서로 접하는 프로파일의 벽이 접합되어 수직벽을 형성하고, 수평벽은 내벽과 외벽을 형성하는 프로파일을 이용하는 하수관 제조방법에 있어서,

   상기 프로파일을 압출 성형하는 단계에서 프로파일이 가지는 홈안에 같은 재료의 발포수지를 채워넣는 발포수지 충진 단계를 거치고, 상기 프로파일을 와인더에 감아 돌리는 과정에서 프로파일안에는 발포수지가 채워져 각 사각홈안에 발포성 코어층을 연속적으로 형성시키는 것을 특징으로 하는 발포수지를 보강재로 하는 하수관 제조방법.