[논문]소화설비 배관의 성능위주 내진설계 방법에 관한 연구

이재오; 김홍경; 조순봉

doi:10.7731/kifse.2017.31.4.086

초록
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본 연구에서는 소방시설의 내진설계기준에 의한 Cook Book 방식과 Static System Analysis 방식을 비교 해석하였다. Cook Book 방식은 배관을 동일 구간마다 나누어 해석한다. 이 방식은 배관, 물 그리고 관부속의 무게에 따라 버팀대를 설계하는 방식으로 해석하는 구간 외에는 응력해석이 불가능하다. 그러나 Static System Analysis는 배관 전체를 하나의 구조체로 보기 때문에 전체 배관에 대한 응력해석이 가능하다. 국소적으로 발생되는 치명적 응력 값에 대해서는 국부적으로 배관의 응력을 해소할 수 있는 장치의 설치를 통해 적극적으로 배관해석을 할 필요가 있다. 국내의 경우 소방시설의 내진설계기준이 Cook Book 방식만을 제시하고 있어 내진설계의 다양화에 많은 문제점을 가지고 있다. 그러므로 공학적으로 검증된 여러 종류의 Static System Analysis 방법을 통해 배관의 내진 설계를 방법을 적용할 필요가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the present study, a Cook Book method and a Static System Analysis method were compared with each other on the basis of a seismic design criteria of fire-fighting facilities and analyzed. The Cook Book method is analyzed by dividing a pipeline in each same section. In this method, a stress analys...

In the present study, a Cook Book method and a Static System Analysis method were compared with each other on the basis of a seismic design criteria of fire-fighting facilities and analyzed. The Cook Book method is analyzed by dividing a pipeline in each same section. In this method, a stress analysis is not possible except for the section analyzed in such a way that a brace is designed according to the weight of pipe, water and pipe fitting. To the contrary, in case of the Static System Analysis method, the stress analysis for the whole pipeline can be performed because the whole pipeline is regarded as a single structure. For the fatal stress values locally generated, it is necessary to actively perform a pipeline analysis by installing a device capable of locally relieving the stress of the pipeline. In Korea, only the Cook Book method is provided as the seismic design criteria of fire-fighting facilities, which causes many problems with diversification of seismic design. Thus, it is necessary to apply the seismic design method of the pipeline by using various kinds of engineered Static System Analysis methods.

주제어

표/그림 (13)

그림 Figure 1. Illustration of a seismic time history acceleration.⁽⁴⁾
그림 Figure 2. In-Structure seismic response spectra.⁽⁴⁾
그림 Figure 3. Typical location of bracing on a tree system.⁽³⁾
그림 Figure 4. Seismic piping design flowchart.
표 Table 1. Piping Weights for Determining Horizontal Load⁽³⁾
그림 Figure 5. Isometric diagram for seismic analysis.
표 Table 2. Damage for Modified Mercalli Intensity Scale and Maximum Acceleration⁽⁸⁾
그림 Figure 6. Coordinate reference.
표 Table 3. Listing of Static Load Cases for this Analysis
표 Table 4. Stress Change of Piping Accompanying Increase of Seismic Acceleration
그림 Figure 7. Stress strain curve of ductile material.
그림 Figure 8. Isometric diagram for failed load nodes.
그림 Figure 9. Examples of using ball joints & multi joints⁽⁹⁾

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 지진으로 인해 배관에 전달될 수 있는 지진의 최대 가속도와 다양한 하중의 변화를 통한 소화설비 배관의 응력 변화를 공학적으로 해석하고자 한다. 배관의 응력 해석은 인천의 00주상복합현장의 소화배관을 Static System Analysis 프로그램을 이용하여 수행하였으며, 지진 시 배관 및 배관의 버팀대에 전달될 수 있는 여러 조건을 고려한 공학적 응력 해석을 통해 소화설비 배관의 성능위주의 내진설계 정착에 활용하고자 한다.

제안 방법

국내의 경우 배관의 내진설계와 관련 된 공학적 해석을 위한 관련 코드가 없기 때문에 국제적으로 배관의 설계에 공인되어 사용되고 있는 코드 중 ASME B31.3, “Code for pressure piping”을 기반으로 내진 해석을 하였다.
OPE의 경우 배관에서 물이 유동될 때를 고려한 해석, SUS의 경우는 배관과 물의 중량에 의한 영향을 고려한 해석, EXP의 경우는 열에 의한 영향을 고려한 해석 그리고 OCC의 경우는 지진이나 바람 기타 외부의 충격같이 일시적인 힘을 고려한 해석이다. 또한 배관과 물의 하중(W), 배관의 온도(T) 그리고 배관의 압력(P)에 따른 배관의 응력 변화와 Figure 6과 같이 배관에 힘이 전달되는 방향에 따라 X축 방향(U1), Y축 방향(U2), Z축 방향(U3)으로 다양하게 해석하였다. 온도는 21 ℃를 압력은 14 kg/cm²를 기준으로 해석하였다.
따라서 본 연구에서는 지진으로 인해 배관에 전달될 수 있는 지진의 최대 가속도와 다양한 하중의 변화를 통한 소화설비 배관의 응력 변화를 공학적으로 해석하고자 한다. 배관의 응력 해석은 인천의 00주상복합현장의 소화배관을 Static System Analysis 프로그램을 이용하여 수행하였으며, 지진 시 배관 및 배관의 버팀대에 전달될 수 있는 여러 조건을 고려한 공학적 응력 해석을 통해 소화설비 배관의 성능위주의 내진설계 정착에 활용하고자 한다.⁽⁶⁾
배관의 지지를 위한 버팀대는 3m 간격으로 설치하였고 이를 기준으로 250여개의 node로 나누어 해석하였다.
본 연구에서는 국내의 소방시설의 내진설계 기준에서 제시하고 있는 Cook Book 방식과 Static System Analysis 방식의 비교 해석을 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
배관의 지지를 위한 버팀대는 3m 간격으로 설치하였고 이를 기준으로 250여개의 node로 나누어 해석하였다. 지진에 대한 최대 가속도는 0.1 g, 0.2 g, 0.3 g, 0.4 g 그리고 0.5 g까지 각각 적용하여 해석하였으며, Table 2는 Modified Mercalli Intensity Scale(MMIS)와 지진에 대한 최대 가속도를 비교하여 설명한 것이다.

대상 데이터

⁽⁷⁾ Figure 5는 인천 00지역에 있는 주상복합건축물의 소화배관 isometric diagram으로 (a)는 입상배관을 (b)는 펌프에서 입상배관에 이르는 수평배관을 나타낸다. 배관은 Schedule number가 10인 배관을 사용하였으며 주요 설비 구성으로는 가압송수장치로 Pump가 설치되어 있고, 건물이 2동으로 구성되어 있어 입상배관이 2개의 라인으로 구성되어 있다. 배관의 지지를 위한 버팀대는 3m 간격으로 설치하였고 이를 기준으로 250여개의 node로 나누어 해석하였다.

이론/모형

해석 프로그램의 단위가 kg/cm²을 사용하고 있어 신뢰성을 위해 SI 단위를 대신하여 표기하였다. 배관의 Allowable Stress(허용응력)은 ASME code에서 제시하고 있는 1496.15 kg/cm²을 적용하였다.

성능/효과

90%로 가장 큰 위험이 있는 node임을 알 수 있다. 0.2 gravity에서도 element node가 1265 node, 2245 node, 2448 node에서 큰 응력이 발생하였으며, 1265 node의 경우 fail load L 34조건에서 1,427.86 kg/cm²이 계산되어 허용 응력 값의 95.44%로 0.1 gravity와 동일하게 배관에서 가장 큰 영향을 받는 node임을 알 수 있다. 0.
1) 소방시설의 내진설계 기준에 의해 소화배관을 해석하는 경우 구간의 하중을 기준으로 버팀대의 응력에 대한 부분만을 해석하기 때문에 구간의 하중이 동일할 경우 위치와 상관없이 같은 응력이 발생하는 것으로 해석되며 배관에 대해서는 응력이 해석되지 않는 단점이 있음을 알 수 있었다.
2) Static System Analysis 방식으로 배관을 해석한 결과발생되는 응력을 node에 따라 정확하게 해석할 수 있었으며, 구간이 아닌 전체 배관에 대하여 응력이 집중되는 여러 node의 해석이 가능해 응력이 집중되는 부위에 대한 대책을 세울 수 있다는 장점이 있었다.
3) Static System Analysis 방식에 의해 소화배관에서 발생하는 응력을 해석할 경우 지진에 의한 가속도와 하중에 대한 여러 조건에 따라 같은 node에서도 다른 응력 값이 계산됨을 알 수 있었다.
4) Static System Analysis 방식에 의해 지진의 가속도와하중에 대한 여러 조건에 따라 발생되는 최대 응력을 해석한 결과 항상 동일한 node에서 최대 응력이 발생되는 것이 아니라 가속도의 크기와 하중에 대한 여러 케이스에 따라 다른 node에도 발생될 수 있음을 알 수 있었다.
5) 배관의 경우 응력이 집중되는 부위는 직선구간의 배관 보다는 배관이 분기되는 곳에 집중되는 경향을 보였으며 이 구간에는 대부분 관부속이 설치되어 있음을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ASCE에서 발행한 기술 지침에 따라 제시한 4가지 내진설계 방법은 무엇인가?	미국의 경우 ASCE에서 발행한 기술 지침에 따라 신규로 설치할 배관이나 기존에 설치한 배관에 대하여 다음의 4가지 내진설계 방법을 제시하고 있다. 첫 번째로 Cook Book(요리책 방식), 두 번째로 Static Hand Calculations (정역학적 수계산 방식), 세 번째로 Static System Analysis (정역학적 시스템 분석 방식) 그리고 네 번째로 Response Spectra Analysis (응답 최적 분석 방식)이다. 현재 국내에서 도입해서 사용하고 있는 버팀대 위주의 내진설계 방식의 경우 첫 번째로 제시한 Cook Book 방식으로 과도할 정도로 안전율을 잡고 있는 아주 보수적인 배관의 내진설계 방식이다.
	소방시설의 내진설계 기준 제2조 적용범위 2항은 무엇인가?	(4) 그러나 우리나라의 경우 소화배관의 내진설계 방식에 대한 다양한 기술의 검토 없이 NFPA 13 기준의 Cook Book 방식에 대한 내용만을 소화설비의 내진설계 기준에 반영하여 다양한 배관의 내진설계 방법에 제한을 두게 되었다. 소방시설의 내진설계 기준 제2조 적용범위 2항에 따르면 “각 설비에 대하여 특수한 구조 등으로 특별한 조사·연구에 의해 설계하는 경우에는 그 근거를 명시하고, 이 기준을 따르지 아니할 수 있다”라고 명시하여 Cook Book 방식 외에도 다른 방식을 사용할 수 있는 근거는 제시하고 있다. 하지만 다른 방법에 대한 구체화가 되어 있지 않고, 배관의 내진 설계방법에 대한 여러 방식을 공학적으로 이해할 수 있는 기술자가 거의 없어 이를 적용하는 데에는 한계가 있다.
	현재 사용되고 있는 소화설비에 대한 내진설계의 특징은 무엇인가?	현재 사용되고 있는 소화설비에 대한 내진설계는 배관의 하중을 지지하는 버팀대 위주로 설계되고 있다. 버팀대위주의 설계의 경우 배관의 하중, 배관 내부에 있는 물의 하중 그리고 관 부속품의 하중에 대하여 버팀대가 구조적으로 문제가 발생하지 않느냐에 대한 해석을 주로 하게 된다.

참고문헌 (9)

Http://www.kma.go.kr/, Korea Meteorological Administration (2017).
J. H. Kwark and J. K. Yoon, "Development of a Seismic Test Method for Fire Protecting Components by Equivalent Linear Analysis Theory", Journal of Korean Institute of Fire Science & Engineering, Vol. 27, No.1, pp. 46-51 (2013).
NFPA 13 "Standard for the Installation of Sprinkler Systems, Ch.9" (2016).
ASCE, "Seismic Design and Retrofit of Piping Systems" (2002).
NEMA, "Seismic Design Criteria of Fire-fighting Facilities" (2016).
C.A.E Eng'g S/W, "CAESAR II Technical Reference Manual" (2013).
ASME B31.3, "Code for Pressure Piping", (2014).
Http://www.USGS.gov/, United States Geological Survey Website (2017).
Http://www.bnsjoint.co.kr/, Korea BNS JOINT Corporation Website (2017).

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