비구조요소에 대한 내진 설계․시공에 관한 고찰

- 소방시설 배관 트레이 중심 -

2012. 11.

소 방 기 술 사

1. 내진 설계 기본원리(소화설비 배관 및 각종 설비배관, 전기통신 트레이)

가. 지진추의 원리(관성의 법칙)

지진계의 원리는 모두 진자운동에 원리를 두고 있다. 천정에 실로 추를 달면 그것도    하나의 지진계이다. 즉 지진 등으로 지면이 진동하여도 추는 관성으로 정지하려고 하    기 때문에 그 추에 펜을 달아 놓으면 지면위에 놓은 종이에 진동을 기록한다.

그림5. 지진계 원리 모형

건축 구조물 내진설계․시공의 기본적 공학적 원리 중 건축물을 아주 튼튼하게 건축하여 지진력에 맞서 버텨서 건축 구조물이 지진동을 감당할수 있도록 설계한 개념을 내진 설계라 한다. 또한 지진등이 건축 구조물에 영향을 주는 것을 줄여 주거나 제거하는 설계 개념을 면진이라 하고, 건축물에 지진동 에너지를 흡수하는 장치를 설치하여 지진동에 의한 건축물의 진동을 감소시키는 방식을 제진 설계라 한다

건축 구조물에 적용하는 지진계 원리 모형에서 보듯이 [그림 5] 지진계의 지진추의 원(관성의 법칙)는 모두 진자운동에 원리를 두고 있다. 천정에 실로 추를 달면 그것도 하나의 지진계이다. 즉, 지진동으로 지면이 진동하여도 추는 관성으로 정지하려고 하기 때문에 그 추에 펜을 달아 놓으면 지면위에 놓은 종이에 진동을 기록한다.

2. 내진 체인스프링 행가 (가대) 지진동 감소효과, 시험성적 분석

지진계의 지진추의 원리를 응용하여 내진 체인 스프링행가, 내진 체인 스프링가대를   제작하여 이를 내진설계가 어떻게 얼마만큼 지진동을 감소, 소멸시키는가를 측정하여    내진 스프링행가 성능에 대한 이해를 높이고자 한다.

우선, 내진 체인 스프링가대를 진동모터에 연결하여 내진 스프링장치 가대에 연결하고   진동모터의 스위치를 작동시킨 후 내진 스프링가대에 측정 장치를 고정시켜 지진        애플리케이션(i-지진)을 이용하여 진동 데이터를 해석하여 분석하였다.

가. 가속도 - 시간 그래프(Gal: 1cm/s²)

관성의 영향 - 좌우

지진파의 직접 영향 - 좌우

그림6. 가속도 - 시간 그래프

시간에 따른 최대 기록된 값이 전후 방향의 값이 1000gal에서 80gal로 감소하여 지    진파의 직접 노출에서 관성의 영향을 받을 때 즉 내진 스프링 가대를 이용할 때 약      92% 감소율을 보였으며 좌우 지진파의 값이 600gal에서 35gal로 감소되어 약 94.2%    감소율을 보였다. 아울러 상.하 방향의 지진파의 값이 200gal에서 250gal로 변화되어    오히려 증가되는 결과를 가져왔다.

나. 변위 - 시간 그래프

지진파의 직접 영향 - 좌우

관성의 영향 - 좌우

그림7. 변위 - 시간 그래프

시간별 최대 변위값의 변화는 전후 방향에서 지진파의 직접영향 시 7.0cm에서 관성   의 영향 시 1.0cm 로 변화되어 약 86% 감소율을 보였으며 좌우 방향에서의 변화는     8cm에서 4cm로 변하여 약 50% 감소율을 보였다.

한편 상하 방향에서는 3cm에서 4cm로 변하여 오히려 소폭으로 증가하였다.

다. 속도 - 시간 그래프(Kine : 1cm/s²)

지진파의 직접 영향 - 좌우

관성의 영향 - 좌우

그림8. 속도 - 시간 그래프

지진파의 시간에 따른 최대 속도 값의 변화는 전후 방향에서 20kine에서 1.5kine으     로 약 90% 감소되었으며 좌우 뱡향으로 15kine에서 0.5kine으로 약 97% 감소되었      다. 상하 방향으로는 6kine에서 6kine으로 비슷하게 측정되었다.

라. 경로(Orbit) 그래프

지진파의 직접 영향 - 좌우

그림9. 경로(Orbit) 그래프

지진파 직접 영향 시 진동경로보다 관성의 영향 시 진동 경로(Orbit)를 측정한 결과    전후 방향은 20cm에서 3cm로 약 85% 감소율을 보였으며 좌우 방향으로는 15cm       에서 8cm로 변화되어 약 47% 감소율을 보였다.

마. 진도 및 규모의 변화

현재 우리나라는 진도 및 규모의 변화를 측정할 때 수정 메르칼리를 사용하고 있       으며 계측 진도 계산법과 동일한 방법으로 측정된 수치로서 한국 애플이케이션 “지진”    외 데이터별 분석 자료를 이용하였다.

측정결과 진도의 변화는 진도 5에서 4로 감소되었으며 규모의 변화는 5.4에서 4.1로     감소되었다. 즉 진도 5에서 4로의 변화는 중진에서 약진으로 감소됨을 의미한다.

또한 표면파 규모가 천 단위 증가할 경우 에너지는 27.51배 증가한다. 따라서 표면파    규모가 1.3 감소할 경우 에너지는 약 74배 감소한다.

바. 결 과

① 진동모터를 이용하여 진동시켰을 때는 좌우, 전후 방향의 가속도, 속도, 변위 값이        모두 큰 폭으로 감소하였으나 상하방향의 값들은 비슷하거나 오히려 조금 상승하        는 결과가 나타났다.

② 진동모터를 켜놓은 후 손으로 진동을 더해주었을 때는 좌우, 전후, 상하방향의 가        속도, 속도, 변위 값 모두 큰 폭으로 감소하는 결과가 나타났다.

③ 전후, 좌우 방향의 가속도, 속도, 변위 값이 큰 폭으로 감소하는 것으로 보아 내진        체인스프링 가대장치를 거물의 가스관 설치에 이용하면 지진이 일어났을 때 감소        한 정도가 큰 것으로 보아, 실제 지진이 진도 6 이상으로 강진이 발생할 경우에         내진 체인스프링 가대장치가 효과를 발휘할 것으로 예상 할 수 있다.

④ 상하 방향의 경우 진동이 작을 때는 감소폭이 거의 없으나 진동을 더 크게 주었을        때 감소한 정도가 큰 것으로 보아, 실제 지진이 진도 6 이상으로 강진이 발생한         경우에 내진 체인스프링 가대장치가 효과를 발휘할 것으로 예상할 수 있다.

⑤ 진도와 규모 측정값에서 알 수 있듯이 진도는 1계급 하락, 규모는 각각 1.3, 1.4         하락하여 지진 에너지의 크기를 약 74배, 103.7배 감소시키는 효과가 있다.

내진 설계․시공의 실제

1. 건축설비 신축이음의 역할

건물 구조재료의 신축성등을 고려해서 신축이음(expansion joint)를 두게 된다.

하나의 건물이 상당히 길게 되면(복도실 아파트나 학교등) 그 구조물이 건립 후에        외부의 영향(열등)에 의해 구조체가 일부 팽창과 수축을 하는데 이때 구조물의 손괴      를 막기 위해 구조체의 중간 정도에 신축이음을 둔다.

또는 한 건물이 건립되는 지반의 조건이 다를 경우 그 다른 지반 때문에 건물의 부      동 침하가 예상될시 이를 신축이음으로 처리 하여 구조체의 손괴를 막게 한다.

배관의 온도의 변화에 의해 팽창 또는 수축되면 관 접합부 및 기타 기기의 파손의       생길 우려가 있으므로 관접합부 등에 설치하여 설비의 파손을 방지 할 수 있도록 하      는 이음.

2. 건축설비 신축이음의 종류

① 루프(곡관)형 : 관을 루프 모양으로 구부려

그 휨에 의하여 신축을 흡수하는 방식이며

고온, 고압의 옥외배관에 설치하여야 하고

설치장소를 많이 차지하며 곡률 반경은 관

지름의 6배 이상으로 해야 한다.

② 슬리브(미끄럼)형 : 신축면이 크고 신축으로      그림 10. 루프형 신축이음관

인한 응력이 생기지 않는다.

직선으로 이음하므로 설치 공간이 루프형에

비해 적고, 배관에 곡선 부분이 있으면 신축

이음쇠에 비틀림이 생겨 파손의 원인이 되고,

장시간 사용시 패킹 마모로 누수의 원인이

된다.                                           그림 11. 슬리브형 신축이음관

③ 벨로우즈형 : 벨로우즈형을 보면 주름이 있는데

그 주름에 의해 신축을 흡수한다.

설치공간을 넓게 차지하지 않고 고압 배관에 적합

하지 않고, 자체 응력 및 누설이 없다.

벨로우즈는 부식되지 않는 스테인레스 및 청동

제품을 사용한다.                              그림 12. 벨로우즈형 신축이음관

④ 스위블형 : 2개 이상의 나사 엘보를 사용하여

신축을 흡수하며, 방열기 주위 배관 등에 사용

하는 것을 말한다.

스위블형은 굴곡부에서 압력 강하를 가져오고,

신축량이 큰 배관에는 부적당하나, 설치비가

싸고 쉽게 조립할수  있다.                      그림 13. 스위블형 신축이음관

3. 내진 스프링 행가 및 내진 체인스프링 가대

내진 스프링행가와 내진 체인스프링 가대는 지진동 발생 시 실에 매달려 관성에 의      해 움직이지 않는 지진 후 원리 및 점접촉 원리를 응용해 유연성을 부여하고, 건축      물을 통해 설비배관에 전달되는 지진력을 흡수․감소․소멸시키도록 개발한 제품이다.

그림14. 내진 스프링 행거 및 절연 행거

그림15. 내진 체인 스프링 가대 설치 모습

그림16. 내진 체인 스프링 가대 및 행거 설치 모습

그림 17. 내진 스프링헹거, 가대, 인써트플레이트 모형

그림 18. 내진 체인 스프링 가대 시공도

4. 내진설계․시공의 방법

기존의 고정식 일반헹가는 헤드개소 마다에서 벽․천정에 엥카로 고정하여 지지하였으     나, 지진발생 시 건축물을 통하여 소방시설․전기설비 트레이 등에 직접 전달되는 지진    동을 흡수․감소 소멸시킬 수 있도록 내진 스프링헹가와 내진스프링 내장형 체인가대 등    내진 배관 시공장치를 적용하여 다음과 같이 시공하여야 한다.

가. 내진 체인 스프링가대를 1.5M~2M마다 1개소씩 설치한다.

나. 고정용 내진 스프링가대는 다음과 같이 설치한다.

① 시공하고자 하는 각종 설비배관의 횡주관은 동별 및 벽체관통부 분기점에 설치한다.

② 배관 부속설비인 티, 엘보, 레듀사 등 유속의 변화가 심한 부분에 설치한다.

③ 가압송수장치(펌프, 송풍기) 등 자체진동이 발생되는 장비에는 인입측, 토출측에         내진 후렉시불을 수직․수평방향으로 각각 1개소 이상 설치한다.

④ 입상관 배관은 고정식으로 지진 발생 시 건축물 거동과 같이 되도록 고정 지지          하고, 입상관에서 가지 분기시 3방향 엘보, 루프배관 및 내진 후렉시블을                함께 사용하여 시공하고, 옹벽배관 관통부는 루우프배관과 후렉시블 배관을 함께         시공하여야 한다.

⑤ 횡주관은 2M 마다 내진 체인스프링가대를, 20M 마다 고정용 스프링 내장형             가대를 설치하고, 횡주관의 가지배관에 2M마다 내진 스프링행가를 설치하여야            한다.   배관경 15mm~100mm까지는 “내진스프링행거” 설치시공을  권장하고,

125mm이상의 배관에는 “내진 면진 체인스프링가대” 설치 시공을 권장한다.

그림 18. 관통형 옹벽 내진 체인 스프링 가대(행거) 시공도