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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.8 No.3 pp.37-45
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2017.8.3.037

Structural Behavior and Design of Polyethylene Pipe Buried Underground

Jae-Hun Seo
1, Jae-Ho Lee
1, Jong-Ho Yoo
2, Eung-Ho Kim
3
1Graduate research assistant, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea
2Graduate research assistant, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea
3Professor, Department of Civil Engineering, Hongik University, Seoul, Korea
Corresponding author: Kim, Eung-Ho Department of Civil Engineering, Hongik University, 94, Wausan-ro, Mapo-gu, Seoul, 04066, Korea +82-2-3141-0774, +82-2-3141-0774, kimeh@hongik.ac.kr
September 9, 2017 September 14, 2017 September 18, 2017

Abstract

In the sewer pipes, reinforced concrete pipes and concrete pipes are mostly used. However, it is difficult to ensure the long-term durability of the pipe due to the corrosion of the rebar which is used for the reinforcement of the concrete. Also, reinforced concrete pipes are difficult to secure watertightness due to deterioration and corrosion by hydrogen sulfide. In order to solve such problems, research on using sewer pipes made of plastic materials is being actively conducted. When soil pressure and live load act on the buried flexible pipe, the load acting on the pipe is transferred to the surrounding soil. So, the flexible pipe will support the load with the surrounding soil together. It is difficult to predict these behaviors theoretically and clearly. Therefore, the design equation for the buried flexible pipe is analyzed by adopting theoretically idealized assumptions and it is estimated through experimental studies that it is similar to the actual structural behavior. In this paper, the mechanical properties of the soil and the polyethylene pipe were considered in application of the method proposed in ASTM D 2412 to design the buried polyethylene pipe. Also, structural behavior of the pipe resisting external loads such as soil pressure was investigated to use a polyethylene pipe as the buried pipe and the long-term behavior of the polyethylene pipe was predicted by the compaction rate of surrounding backfill soil through the field test.


지중매설 폴리에틸렌관의 구조적 거동과 설계

서 재훈
1, 이 재호
1, 유 종호
2, 김 응호
3
1홍익대학교 토목공학과 석사과정
2홍익대학교 토목공학과 박사과정
3홍익대학교 토목공학과 교수

초록


    Hongik University

    1.서 론

    국내의 기존 하수관거의 대부분은 철근콘크리트관, 콘 크리트관 등이 차지하고 있으나 콘크리트의 보강재로 사용하고 있는 강재의 부식 등으로 관의 장기적인 내 구성을 확보하기 어렵다. 또한, 철근콘크리트관은 노 후화와 황화수소 등에 의한 부식으로 인해 수밀성 확 보가 어렵다.

    콘크리트관은 취성재료이기 때문에 상재하중에 의 한 진동 등이 발생할 수 있는 곳에 매설할 경우 진동 에 의해 균열이 발생할 수 있기 때문에 지속적인 유 지관리가 필요하다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 플라스틱 재질로 구성된 하수관을 적용한 연구가 활 발히 진행되고 있다.

    플라스틱 재질의 하수관은 대부분 비교적 강성이 작기 때문에 지중매설시 지반과 유기적으로 거동하여 야 하고 시공에 대한 신뢰성이 확보되어야 한다.

    지중매설 연성관은 시공 초기단계에서 관변형의 관리가 중요하다. 시공 후 30일 후에 측정한 관변형 이 3%를 넘지 않는다면 50년 후에도 관변형이 5%를 넘지 않는다. 이러한 조건은 양질의 시공조건에서 관 주변 되메움 토사의 다짐도가 95% 이상일 경우 장기 관변형은 시공 초기단계 관변형의 1.5배를 넘지 않는 다는 것을 알 수 있다.

    Kang et al., (2009)은 지중매설 HDPE관의 장단 기 거동에 대한 흙-구조물의 상호작용을 평가하였다. 그 결과 토압은 시간에 따른 재료의 특성과 지반조건 에 따라 영향을 받았지만, 처짐은 이러한 요소에 영 향을 받지 않았다.

    김선희 등(2012)은 원전 냉각수 취수용 GFRP관 의 장기관변형을 예측하기 위해 ASTM D 5365를 참 고로 지중매설 GFRP관의 장기변형을 예측하여 관 재료의 크리프 특성을 예측하였고 장기 관변형 예측 식으로 관의 수직방향 관변형을 예측하였다. 또한, 박 준석 등(2012)은 지중매설 폴리에틸렌관의 단기거동 특성을 조사하기 위해 실내모형실험과 유한요소해석 결과를 분석하였고, 이재호 등(2017)은 ASTM D 5365를 기초로 지중매설 폴리에틸렌관의 장기거동을 예측하였다.

    지중매설 연성관은 관 주변 지반과 상호작용하여 외력에 저항하며, 이와 같은 거동을 이론적으로 명확 히 예측하기 어렵다. 따라서, 지중매설 연성관에 대한 설계식은 이론적으로 이상화된 가정사항을 도입하여 해석하고, 실제 구조적 거동과 유사하도록 실험적 연 구를 통해 확인하고 있다. 이 연구에서는 지중매설 폴리에틸렌관을 설계하기 위해 ASTM D 2412에서 제시하고 있는 방법을 적용하여 지반과 폴리에틸렌관 의 역학적 성질 등을 고려하였다. 또한, 폴리에틸렌관 을 지중매설관으로 적절하게 사용하기 위해 토압 등 의 외부하중에 대한 관의 구조적 거동을 조사하였고, 현장매설실험을 통해 다짐율에 따른 폴리에틸렌관의 거동을 측정하지 않고 그 자료를 사용하여 장기거동 을 예측하였다.

    2.폴리에틸렌관의 역학적 성질

    2.1.인장강도시험

    폴리에틸렌관의 구조적 거동을 예측하기 위해서 폴리 에틸렌관을 구성하고 있는 재료의 역학적 성질을 조 사하였다. 폴리에틸렌관의 역학적 성질은 KS M ISO 6259-1 (열가소성 플라스틱 관의 인장성 측정 방법) 에서 제시하고 있는 방법을 참고하여 수행하였다. 인장 강도시험 시편은 제작된 폴리에틸렌관에서 절단하여 채취하였다. 시편의 치수는 폭 15mm, 길이 115mm 이상으로 Fig. 1(a)와 같으며 Fig. 1(b)는 인장시험 시편이다. 또한, 인장시험 시편의 제원은 Table 1에 나타내었다.

    인장강도시험은 한국프라스틱공업협동조합연합회 (KFPIC)에서 수행하였다. 하중은 UTM (universal testing machine)을 사용하여 재하하였으며, 변위제어 방식으로 5±0.5mm/ min의 속도로 재하하였다. 폴리 에틸렌관의 인장강도시험은 Fig. 2(a)와 같다. 폴리에 틸렌관 시편의 파괴는 게이지길이 내에서 파괴되었으 며 최종파괴는 Fig. 2(b)와 같이 파괴구간에서 단면이 급격히 감소하면서 연성파괴를 보였다.

    하중재하 초기에는 하중-변위 곡선의 기울기가 모 든 시편에서 선형을 나타내었으며, 최대하중은 약 7 mm일 때 발생하였다. 그러나, 관시편은 최대하중에 도달한 후에도 지속적으로 하중에 저항하면서 서서히 변형되었다.

    인장시편의 시험규정에 따라 하중-변위 관계가 선형 을 나타내는 탄성한계(500μ∼2,500μ)에서 결정하였다.

    시험결과로부터 얻어진 하중-변위 관계는 Fig. 3 과 같으며 시편별 탄성계수 및 최대응력을 시편의 단 면치수 및 하중-변위 관계로부터 계산하여 Table 2 에 나타내었다.

    2.2.편평시험

    지중매설된 폴리에틸렌관의 구조적 거동을 예측하기 위해서는 폴리에틸렌관을 구성하는 재료의 역학적 성 질을 파악하여야 한다. 이 연구에서는 폴리에틸렌관에 대한 편평시험을 수행하였다. 폴리에틸렌관의 편평시 험은 홍익대학교 구조재료실험실에서 수행하였으며, 편평시험의 재원은 Table 3과 같다.

    편평시험은 1000kN 용량의 UTM에 시편을 위치 시킨 후 KS M ISO 9969에서 제시하고 있는 하중을 10±2mm / min의 속도로 관변형이 관 내경의 30%가 될 때까지 수행하였다. 관의 상하부 변위는 와이어 게이지(wire gage)를 사용하여 측정하였다.

    편평시험결과 폴리에틸렌관 시편에서 수직방향으 로 변위가 발생하였고, 하중을 제거하면 일정량의 변 위가 복원되는 현상을 보였다. 하중을 지속적으로 재 하하더라도 직접적인 파괴형상은 나타나지 않았다. Fig. 4는 폴리에틸렌관의 편평시험 시편의 파괴 형태 이고 시험결과로부터 얻은 하중-변위 관계는 Fig. 5 에 나타내었다. 또한, 편평시험 결과값은 Table 4에 정리하였다.

    3.지중매설 폴리에틸렌관의 설계

    3.1.지중매설 관의 설계

    지중매설관은 연성관과 강성관으로 구분되며 이 분류 는 관변형을 기준으로 한다. 즉 연성관은 변형을 통 해 상부하중을 주변 지반으로 전달하며, 강성관은 주 변 지반의 특성과는 무관하게 관 자체의 강도로 하중 에 저항한다. 이러한 연성관과 강성관의 구조적 거동 을 고려하여 설계되고 있다.

    지중매설 상태에서 강성관은 변형을 허용하지 않 지만, 연성관은 변형에 의해 수직하중을 수평방향으로 전달하고 수평방향에 수동토압을 발생시켜 수직하중 에 대해 저항하는 구조적 거동을 한다. 따라서, 연성 관의 설계에서 변형은 중요한 설계변수이다.

    지중매설 연성관은 수직하중으로부터 관변형이 발 생하게 되면 수평방향으로 주변 토사가 관을 지지하 게 된다. 이때 지중매설관은 주변 토사와 유기적인 거동을 하기 때문에 관변형을 예측하기 위해서는 관 의 역학적 특성뿐만 아니라 주변 토사의 영향이 고려 되어야 한다. 지중매설 연성관의 관변형을 예측하기 위해 기존 연구자들에 의해 다양한 형태로 연구가 수 행되었으며, 관변형 식은 관의 강성 및 지반의 강성 과 반비례하는 것으로 알려져 있기 때문에 대부분 식 (1)과 같은 형태를 갖는다(Howard, 2006).

    관변형 =  관에작용하는하중 관의강성 + 흙의강성
    (1)

    3.2.폴리에틸렌관의 관변형 예측방법

    연성관은 관의 강성이 비교적 작기 때문에 지반과 유 기적으로 거동한다. 연성관에 대한 거동은 관의 기초, 관 주변 되메움토의 특성, 토피고 등 지중매설상태에 따라 관변형이 결정되며, 연성관은 대부분 관에 발생 하는 응력이 관을 구성하고 있는 재료의 파괴응력을 초과하여 파괴되는 강도를 기준으로 하는 설계보다는 주로 안정성(stability), 관의 과도한 변형(excessive deformation), 균열, 관 접합부의 누수(leakage) 등 강 성 및 강도뿐만 아니라 사용성(serviceability)에 의하 여 설계가 지배된다. 따라서, 이러한 안정성 및 사용 성 등을 확보하기 위해 관의 변형에 대한 규정을 두 고 있다. ASTM D 2412에서는 관의 변형을 지중매 설상태의 여러 변수(기초조건, 관 주변 되메움토의 상 태, 하중, 관의 강성 등)를 고려할 수 있도록 하고 허 용관변형을 5%로 제한하는 방식의 설계방법을 제안하 고 있다. 식 (2)는 연성관에 대한 변형식을 나타낸 것 이다. Δx는 수평변위를 나타내고 있으며, 이는 수직변 위 Δy와 동일한 것으로 가정하여 연성관을 설계한다.

    식 (2)에서 Δx는 지중매설 연성관의 수평방향 변 형을 의미한다. 일반적으로 수직하중이 재하될 경우 수직방향 변형은 수평방향 변위보다 크지만 그 차이 가 미소하고, 안전측 설계를 위해 AWWA에서는 이 관변형 Δx를 수직방향 변형으로 가정하여 설계에 적 용하고 있다.

    Δ x = D e K W c 0.149 P S + 0.061 E
    (2)

    이 식에서 De, E′, PS, Wc는 각각 변형지연계수 (deflection lag factor), 관 주변 되메움토의 지반반력 계수(modulus of soil reaction), 관의 강성(pipe stiffness, PS), 단위길이당 연직토압이다. 관의 강성 은 실험에 의해 측정된 값을 적용하도록 권장하고 있 으며, 식 (3)으로 구할 수 있다.

    P S = F Δ y = 6.7 E I r 3
    (3)

    여기서, Δy는 관의 수직방향 변위이며, I (=t3/12) 는 관에 대한 단면2차모멘트로 관종이 결정되면 계산 되어 지는 관의 단위길이당 상수, E는 관의 탄성계 수, r은 관의 반경이다.

    4.지중매설 폴리에틸렌관의 구조적 거동

    지중매설된 폴리에틸렌관의 구조적 거동을 파악하기 위해서는 실제 현장에 관을 매설하여 하중과 변위 관 계를 측정하는 것이 가장 정확한 방법이나 경제적, 시간적인 문제가 발생한다. 이 연구에서는 지중에 매 설된 폴리에틸렌관의 구조적 거동을 파악하기 위해 토조를 제작하여 실험을 실시하였으며, 실험결과는 유 한요소해석과 ASTM D 2412AWWA M 55에서 적용하고 있는 이론식(식 (2))을 통해 얻은 해석결과 와 비교하였다.

    4.1.지중매설 모사실험

    지중매설 폴리에틸렌관의 거동을 예측하기 위해 하수 도시설기준에서 권장하고 있는 360° 모래다짐을 한 후 하중 변화에 따른 관의 거동을 조사하였다. 실험 시편은 직경 300mm인 PE 이중벽관과 다중벽관을 각각 3회씩 실험을 실시하였다. 실험방법은 Fig. 6에 나타낸 것과 같이 L(800mm)×H(500mm)×W(750 mm)의 제원으로 제작한 토조에 표준사를 200mm 두께의 모래를 포설하고 그 위에 폴리에틸렌관을 위 치시킨 후 250mm의 토피고로 매설하였다.

    하중은 1000kN 용량의 UTM을 이용하여 재하하 였으며, 변위계를 관 내부에 위치시켜 관변형을 측정 하였다. 변위제어방식으로 10mm / min의 속도로 재하 하였으며, 변위계로부터 측정된 데이터는 데이터로거 (TDS-302)를 통해 수집하였다.

    지중모사실험 결과는 Table 5에 정리하였다. PE 이중벽관의 관변형 5%일 때 평균하중은 97.51kN 이 고, PE 다중벽관은 166.04kN 이며 Fig. 7의 하중-변위 관계 그래프에서 관의 강성이 증가함에 따라 지중매 설된 관의 하중저항성능이 증가함을 확인하였다.

    4.2.유한요소해석

    지중매설 폴리에틸렌관의 구조적 거동을 파악하기 위 해 유한요소해석과 이론식을 이용한 해석을 수행하였 다. 유한요소해석 프로그램은 범용구조해석 프로그램 인 GTSTRUDL Ver. 31을 사용하였다. 유한요소해석 을 수행하기 위한 기초조건은 모사실험에 사용된 모 래를 기초로 적용하였고, 폴리에틸렌관의 역학적 성질 은 Table 2의 역학적 성질을 적용하였다. 모델링에 사용된 요소는 GTSTRUDL의 SBHQ6 (stretching and bending hybrid quadrilateral)요소로서 평면응력 요소(plane stress element)와 판의 휨요소(plate bending element)의 조합으로 구성되어 있다. 면내력 (In-plane)의 영향을 고려한 판의 거동해석에 사용되 어지며 각 절점(node)당 6개의 자유도(degree of freedom)를 가지고 있다.

    폴리에틸렌관의 해석모델은 Fig. 8과 같이 원주방 향으로 48등분하여 실제 부재의 치수를 갖도록 모델 링하였고, 경계조건은 Fig. 9와 같이 관 단면 중립축 의 아래를 탄성지반(종방향 스프링)으로 가정하였다. 또한, 관의 좌우 단부는 실험 조건을 고려하여 전단 면을 단순지지로 가정하였다. 탄성스프링은 지반반력 계수 Es = 1.37MPa 를 고려하여 결정하였다.

    유한요소해석 결과, Fig. 10과 같이 관변형이 발생 하였으며, 5% 관변형이 발생하였을 때의 하중은 Table 6에 나타내었다.

    실험과 유한요소해석 결과, Iowa Formula를 통해 구한 이론값을 비교분석한 결과, 이중벽관의 경우 실 험과 유한요소해석은 4.39%, 실험과 이론값은 0.42% 의 차이를 보였다. 또한 다중벽관의 경우 실험과 유 한요소해석과는 4.16%, 실험과 이론값은 0.71%의 차 이를 보였다.

    4.3.지중매설 폴리에틸렌관의 현장매설실험

    폴리에틸렌관의 실제 거동을 예측하기 위해 고정하중 (dead load)과 활하중(live load)를 재하하여 실제 현 장과 비슷한 조건으로 폴리에틸렌관의 관변형량을 측 정하였다.

    현장매설실험은 30cm의 모래기초, 180˚ 모래 되메 움 및 양질토로 복토하고 OMC 다짐 95% 이상과 80% 이하의 다짐으로 Fig. 11과 같은 단면도로 현장 매설을 실시하였다.

    계측은 Fig. 12와 같이 관의 좌우 입구(0m), 입구 로부터 3m 위치에서 관의 내경을 측정하였다. 현장 매설실험은 283일 동안 측정하였다. 현장매설실험결 과 Fig. 13∼Fig. 14에서 보여지듯이 OMC 다짐 95% 이상일 때 관변형 3% 이내였으며, OMC 다짐 80%일 때 폴리에틸렌관의 관변형이 5% 이상 초과함을 알 수 있었다.

    관의 변형은 관의 입구로부터 0m와 3m에서 측정 하였으나, 관의 입구인 0m의 경우는 하중의 영향을 받지 않으므로 3m에서 측정한 값이 하중의 영향을 받는 값으로 판단하였다. 관의 변형은 매립된 관의 왼쪽과 오른쪽에서 각각 측정하였으며 이는 실제 매 립시공시 시행하는 다짐을 통하여 토질과 관의 완벽 한 일체성(integrity)을 확보하기 어려울 것이라 판단 하였다.

    실험의 결과, 관종별로 95% 다짐이 80% 이하의 다짐의 경우보다 시간에 따른 관의 변형량이 낮은 경 향을 보였다. 또한 관 내면의 수직과 수평 변형을 측 정하였으며 수직의 변형량이 수평의 변형량으로 나타 나지 않았으며 이는 다짐의 정도가 낮더라도 관에 가 해지는 하중을 주변의 지반에 전달하는 효과가 있었 다는 것과 주변의 지반이 관의 변형을 막아주는 이유 라고 판단된다. 이러한 경향은 95% 다짐의 경우에 관벽의 두께가 얇거나 원강성이 낮으면 관의 변형이 지속적으로 일어날 경우 관 상부의 좌굴로 발전할 수 있을 것이라 판단된다.Table 7

    5.폴리에틸렌관의 장기관변형 예측

    매립조건에 따른 폴리에틸렌관의 거동을 예측하기 위 해 폴리에틸렌관에 작용하는 하중 및 관 주변토사의 다짐률에 따른 장기관변형 및 최적 조건의 매립 후 시간의 경과에 따른 연성관의 변형거동 조사 분석 (Creep 특성)과 폴리에틸렌관의 장기관변형을 ASTM D 5365에서 제안하고 있는 장기거동 추정식으로 추 정하였다.(5)(6a)(6b)

    R i n g D e f l e c t i o n ( % ) = 10 a b × log 10 t
    (5)

    a = log  δ ¯ log  t b ¯
    (6a)

    b = log  δ ¯ log  t b ¯ log  t i ¯ log  t ¯
    (6b)

    a, b는 관변형에 대한 매개변수이고, t는 시공후 경과된 시간(hour)이다. δi는 계측한 단기관변형, logδ 는 계측한 단기관변형의 log 값에 대한 평균, logt 는 계측시간의 log 값에 대한 평균이다.

    장기관변형 예측결과 다짐률이 95% 이상일 경우 50년 후의 관변형은 모두 5% 이내로 확인되었다. 그 러나, 다짐률이 80% 이하일 경우의 관변형은 약 14∼ 19%를 나타났다. 따라서, 50년 이상의 장기거동을 고 려하여 PE관을 시공하기 위해서는 주변 토사의 다짐 률을 95% 이상으로 제한하여야 한다. 또한, 관변형은 시간이 경과함에 따라 일정한 값에 수렴하는 것을 알 수 있었다.

    6.결 론

    이 연구에서는 지중매설 폴리에틸렌관의 구조적 거동 을 예측하기 위해 폴리에틸렌관의 역학적 성질을 조 사하였고, 관련 설계방법을 조사한 후 다짐률에 따른 폴리에틸렌관의 장기관변형을 예측하였다.

    폴리에틸렌관의 역학적 성질을 조사한 결과 관의 탄성계수는 2.25GPa이며, 항복인장강도는 20.42MPa 이 발생하였다. 폴리에틸렌관의 강성을 조사하기 위해 편평시험을 수행한 결과 관변형 7%까지 선형에 가까 운 거동을 보였으며, 관의 강성은 이중벽관일 경우 531.11kN/m2, 다중벽관일 경우 593.33kN/m2으로 조 사되었다.

    지중상태를 고려한 지중매설 연성관의 거동 특성 을 조사하기 위해 실내모사실험을 수행하여 폴리에틸 렌관의 단기거동을 조사한 결과 관변형 5%가 발생하 였을 때의 평균하중은 이중벽관의 경우 113.55kN , 다 중벽관의 경우 166.04kN 로 나타났으며 유한요소해석 및 Iowa Formula를 적용한 결과를 비교분석한 결과 이중벽관의 경우 실험과 유한요소해석과는 4.39%, 실 험과 이론값은 0.42%의 차이를 보였다. 또한 다중벽 관의 경우 실험과 유한요소해석과는 4.16%, 실험과 이론값은 0.71%의 차이를 보였다. 따라서 지중매설된 폴리에틸렌관의 구조적 거동에 대한 이론적 예측이 가능함을 확인하였다.

    폴리에틸렌관의 장기거동 특성은 폴리에틸렌관의 실제 매립 후 시간의 경과에 따른 관의 변형거동을 조사하였다. 장기거동예측 실험은 되메움토의 다짐도, 관종, 경과일수 등을 변수로 실험을 수행하였으며, 실 험결과 KS에서 규정하고 있는 모든 관종에 대해 되 메움 토사의 다짐률이 95% 이상 만족시킬 경우 관변 형은 5%를 초과하지 않는 것으로 확인되었다. 또한, ASTM D 5365를 통해 장기관변형을 예측한 결과 다 짐률이 95% 이상을 때 관변형이 5% 이내로 예측되 어 지중매설 폴리에틸렌관은 안전성을 확보하고 있음 을 확인하였다.

    ACKNOWLEDGMENT

    이 논문은 2015년도 홍익대학교 학술연구진흥비에 의 하여 지원되었음.

    Figure

    KOSACS-8-37_F1.gif
    Tensile specimen
    KOSACS-8-37_F2.gif
    Tensile test
    KOSACS-8-37_F3.gif
    Load-displacement curve of polyethylene
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    Parallel plate loading test
    KOSACS-8-37_F5.gif
    Load-deflection relationship (Hongik University, 2012; Park et al., 2012)
    KOSACS-8-37_F6.gif
    Test Set-up
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    Load-deflection relationship
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    FEM model
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    Boundary condition
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    Deformed shape
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    Schematic view of the field test
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    Location of measurement
    KOSACS-8-37_F13.gif
    PE double-wall ring deflection
    KOSACS-8-37_F14.gif
    PE multi-wall ring deflection

    Table

    Dimension of tensile test specimen (Hongik university, 2012; Park et al., 2012)
    Tensile test result (Hongik university, 2012; Park et al., 2012)
    Dimension of parallel plate loading test (Hongik university, 2012; Park et al., 2012)
    Result of parallel plate loading test (Hongik University, 2012; Park et al., 2012)
    Result of test
    FEM result
    Result of long-term ring deflection (ASTM D5365(%))

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