본 연구는 벨로우즈 신축이음관이 적용된 매립 배관 시스템의 국부적인 지반침하에 따른 구조적 거동을 분석하고, 지반 및 배관의 재료 특성 변화가 시스템 성능에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 위해 실험 기반의 고충실도 유한요소 모델을 구축하였고, 단조 휨 하중 실험 결과와 비교하여 모델을 검증하였다. 이후 지반침하 폭, 지반 및 배관의 구성재료에 대한 탄성계수를 주요 변수로 설정하여 지반-구조물 상호작용을 고려한 비선형 유한요소 해석을 수행하였다. 해석 결과, 지반침하 폭이 증가함에 따라 배관 시스템의 지지부 손실 및 상부 하중 증가로 인해 벨로우즈 부위에 변형과 응력이 집중되었다. 침하 폭이 3600 mm에서 8400 mm로 증가할 경우 최대 응력은 약 111%, 축력은 약 85% 증가하였다. 지반의 탄성계수 변화는 최대 응력 및 축력에 각각 최대 23%, 12%의 영향을 미쳤으며, 특히 느슨한 지반일수록 응력 증가가 두드러졌다. 반면, 배관 및 벨로우즈의 탄성계수 변화는 최대 7% 미만의 영향만을 미쳐, 배관 및 벨로우즈의 재료특성은 구조적 거동에 비교적 낮은 민감도를 보였다. 본 연구는 지반침하에 따른 매립 배관 시스템의 구조적 응답을 정량적으로 평가할 수 있는 기초 자료를 제공하며, 향후에는 매립 깊이, 배관 직경 등 추가 변수에 대한 민감도 분석과 머신러닝 기반의 구조 응답 예측 모델 개발로 확장할 예정이다.

The structural behavior of a buried piping system with bellows expansion joints under local soil subsidence was analyzed, and the effects of the variations in the soil and piping material properties on the system performance were evaluated. A high-fidelity finite element model was developed based on experimental results and verified by comparing it with the results of a monotonic bending load test. Next, nonlinear finite element analysis of the soil–structure interactions was performed using soil subsidence width and the elastic modulus of the soil and pipe materials as the main variables. The analysis results showed that with the increase in the soil subsidence width, deformation and stress were concentrated in the bellows section owing to the support loss and increase in the upper load of the piping system. With the increase in the subsidence width from 3,600 to 8,400 mm, the maximum stress and axial force increased by approximately 111% and 85%, respectively. The variation in the elastic modulus of the soil affected the maximum stress and axial force by up to 23% and 12%, respectively, with a more substantial stress increase in looser soils. In contrast, the effect of the variation in the elastic modulus of the pipes and bellows was less than 7%, indicating the low dependence of the material properties of the pipes and bellows on their structural behavior. This study provides foundational data for the quantitative evaluation of the structural response of buried pipeline systems to soil subsidence. This work will be expanded in future research by conducting sensitivity analyses on additional variables, such as burial depth and pipe diameter, and developing machine learning-based structural response prediction models.

ABSTRACT
1. 서 론
2. 벨로우즈 신축이음관의 유한요소 모델
    2.1 단조 휨 하중 실험
    2.2 유한요소 모델
    2.3 유한요소 모델 검증
3. SSI 적용 지반침하를 고려한 배관시스템의 구조적 거동
    3.1 SSI를 고려한 유한요소 모델
    3.2 지반침하의 폭에 따른 구조적 거동 분석
4. SSI 적용 재료특성에 따른 배관 시스템의구조적 거동 분석
    4.1 지반의 탄성계수
    4.2 배관의 탄성계수
    4.3 벨로우즈의 탄성계수
5. 결 론
ACKNOWLEDGMENT
REFERENCES
국문초록

• 손호영(경희대학교 사회기반시스템공학과 연구교수) | Son Hoyoung (Research Professor, Department of Civil Engineering, Kyung Hee University, Yongin, Korea)
• 전법규(부산대학교 지진방재연구센터 연구교수) | Jeon Bub-Gyu (Research Professor, Seismic Research and Test Center, Pusan National University, Yangsan, Korea)
• 주부석(경희대학교 사회기반시스템공학과) | Ju Bu-Seog (Professor, Department of Civil Engineering, Kyung Hee University, Yongin, Korea) Corresponding author