CAESAR-Ⅱ를 이용한 교량에 설치된 도시가스 배관의 응력특성 연구 = A Study of Stress Strain Characteristics of City Gas Pipelines Attached on the Bridge Using CAESAR-Ⅱ

국문 초록 (Abstract)

국내 도시가스의 공급은 1972년 시작하여 현재 전국에 33개 일반도시가스사업자가 영업 중에 있으며 이들이 보유하고 있는 배관은 2015년 기준 41,187㎞에 이르고 있다. 도시가스사의 공급배관은 대부분 지하에 매설하여 설치하지만 하천 횡단을 위해 교량에 설치 등 부득이한 경우 노출하여 설치하고 있다. 도시가스 노출배관은 매설배관에 비해 온도변화, 자중, 압력, 지진, 바람 및 진동 등에 취약한 특성을 가진다. 노출된 배관에서 균열, 파열 등의 사고가 발생할 경우, 급격한 가스누출로 인해 피해규모가 확대되고 커다란 사회문제를 야기할 개연성이 높아 안전관리의 중요성이 더욱 커지고 있다.
본 연구에서는 도시가스 배관 중 교량에 설치된 배관 398개소에 대해 현황을 조사하고, 배관 설치연도, 배관길이, 원격차단장치 설치여부 등 특성별로 분류하여 분석하였다. 20년 이상 장기사용배관이 43%를 차지하고, 원격차단장치 미설치 배관이 89.4%에 달하는 등 분석결과 발견된 문제점에 대한 안전관리 방안을 도출하고자 하였다.
또한 조사된 교량설치 배관 중 장기사용중인 중압배관 76개소를 선정한 후 응력해석 전용프로그램인 CAESAR-Ⅱ를 이용하여 응력특성을 연구하고, 교량배관 중 Loop관을 설치할 경우 Loop관의 위치 및 크기가 배관의 열응력에 미치는 영향을 분석하였다.
본 연구를 통해 조사된 교량에 설치된 도시가스 배관의 현황은 향후 도시가스 노출배관 안전관리의 기초자료로 사용할 수 있을 것이다. 교량 배관의 응력특성은 배관 신규설치, 유지·보수 및 검사·진단 기준 개선 등에 활용하여 도시가스 노출배관 대한 안전성 향상에 도움이 될 수 있을 것으로 판단한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Since domestic city gas supply started from 1972, 33 distributers have been in business having 41,187㎞ pipeline in 2015. Most of the city gas pipes are embedded under the ground, but in some cases, pipes are being installed exposed on a bridge for crossing river. The exposed piping has more vulnerable properties than the underground pipelines to temperature changes, self loads, pressure changes, earthquakes, winds and vibrations. When an accident occurs on the opened gas pipelines like cracks or fractures, there is probability that damage will be expanded widely due to rapid gas leak, so that there will be highly big social problems. So the importance of safety management is growing than ever.
In this study, I undertook a survey 398 city gas pipe systems installed on the bridges and analyzed classified characteristics about the ages, length, and remote isolation devices installed or not. Some problems were found that 43.0% pipes have been used more than 20 years and 89.4% do not remote cutoff valves etc, so the study results suggest safety management ways for the issues.
Choosing 74 bridges of 398 with pipe systems based on the length of use, more than 20 years, and medium-pressure, I researched stress strain characteristics by CAESAR-Ⅱ which is a specialized program for stress analysis. And when a Loop is installed on the bridge pipe, I Analyzed the impact on thermal stress of the location and size of the Loop.
Through this research, the status of the city gas piping installed on a bridge by this investigation study will be able to be used as the basic source of the safety management of opened installed gas pipes. I suppose that stress characteristics of the pipes on the bridges can help to improve safety level by revising criteria of new installation, maintenance, repair, inspection and diagnostic.

목차 (Table of Contents)

• I. 서 론 1
• 1. 연구의 배경 및 필요성 1
• 2. 연구동향 3
• 3. 연구의 구성 및 방법 4
• II. 교량 첨가배관 관련기준 6
• 1. 도시가스 사업법 6
• 2. KGS CODE KGS FS551(2016) 일반도시가스사업 제조소 및 공급소 밖의 배관의 시설·기술·검사·정밀안전진단기준 6
• 1) 2.5.6 배관설비 신축흡수조치 6
• 2) 2.5.8.3.6 교량에 배관 설치 10
• 3. 교량 등에 설치하는 배관의 세부 기술기준 12
• 1) 설계의 기준 12
• 2) 하중 및 응력의 종류 13
• 3) 하중의 표준 산출방법 13
• 4) 각 응력의 산출방법 15
• 5) 허용응력 16
• III. 교량설치 배관 현황 18
• 1. 개요 18
• 2. 특성별 교량설치 배관 현황 18
• 1) 배관길이별 교량설치 현황 18
• 2) 설치연도별 교량설치 현황 19
• 3) 관경별 설치현황 19
• 4) 설계압력별 교량설치 배관 현황 20
• 5) 교량설치 배관의 전용차단밸브 23
• IV. 배관응력해석의 방법 및 절차 25
• 1. 배관응력해석 개요 25
• 1) 배관응력해석의 정의 25
• 2) 용어의 정의 25
• 3) 배관응력 이론 26
• 4) 배관응력해석 절차 32
• 2. 활용 응력해석 프로그램 및 해석 기준 33
• 1) 프로그램 소개 33
• 2) 교량에 설치된 도시가스배관 응력해석 기준 34
• 3) 배관 응력해석 조건 35
• 3. CAESAR-Ⅱ 프로그램 및 조건 입력 41
• 1) 기본 조건 입력 41
• 2) 배관에 관한 정보 입력 42
• 4. 응력해석 결과 OUTPU T 44
• 1) ISOMETRIC 도면 44
• 2) STRESS 결과 값 44
• 3) 변위(Displacement) 46
• 4) 지지대에 작용하는 하중 48
• 5) 결과값에 대한 해석 49
• Ⅴ. 응력해석 결과 및 배관의 응력특성 52
• 1. 개요 52
• 2. 곡관이 없는 경우 53
• 1) 연구대상 배관 53
• 2) 응력해석 결과 및 특성 53
• 3) 문제점 및 개선방안 54
• 3. 곡관이 2개인 경우 56
• 1) 연구대상 배관의 형태 56
• 2) 응력해석 결과 및 특성 57
• 4. 지중부에 설치된 곡관의 영향 58
• 1) 교량첨가배관의 지중관 모델링 58
• 2) 응력해석 결과 58
• 5. 곡관이 4개인 경우 60
• 1) 연구대상 배관의 형태 60
• 2) 응력해석 결과 및 특성 61
• 6. Loop관 위치 및 형태에 따른 응력특성 62
• 1) Loop관의 위치에 따른 응력특성 62
• 2) Loop관의 입상배관의 위치에 따른 응력특성 66
• V. 결론 70
• 참고문헌 72
• Abstract 73
• 감사의 글 75