[논문]배관 재료의 물성을 고려한 내진설계 방법에 관한 연구

방대석; 이재오

doi:10.7731/kifse.2018.32.2.038

배관 재료의 물성을 고려한 내진설계 방법에 관한 연구
A Study on Seismic Design Method Considering Physical Properties of Piping Material 원문보기

한국화재소방학회 논문지= Fire science and engineering, v.32 no.2, 2018년, pp.38 - 47

방대석 ((주)비엔에스조인트) , 이재오 (대전대학교 소방방재학과)

초록
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본 연구에서는 배관 재료의 물성을 고려한 공학적 내진설계방식과 소방시설의 내진설계의 기준에 따른 사양위주의 설계방식에 대하여 비교 분석하였다. 배관 재료의 물성을 고려한 내진설계 방식의 경우는 배관에서 발생되는 비틀림 응력과 굽힘 응력의 합성 값을 통해 배관의 안전성을 분석하게 된다. 하지만 사양위주의 설계방식의 경우는 배관 재료의 안전성이 아니라 배관이 움직이는 힘을 해석하여 흔들림 방지버팀대가 견딜 수 있는지 여부를 해석하고 있다. 소화배관은 하나의 연결된 구조체로 일정구간에서 발생되는 흔들리는 힘을 통해서는 배관의 안전성을 보장받을 수 없기 때문에 배관 재료의 응력과 변위의 안전성 분석을 통해서 가능하다. 그러므로 안전성 있는 소화 설비 배관의 내진설계를 위해서는 배관 재료의 물성과 건축 구조물의 내진성능을 고려한 해석방법을 적용할 필요가 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, we compare the engineering seismic design method considering the physical properties of piping materials and the specification-oriented design method according to the seismic design standards of fire fighting equipment. In the case of the seismic design method considering the physical properties of piping materials, the safety of the piping will be analyzed through the combined value of the torsional stress and the bending stress generated in the piping. However, in the case of the design-centered design method, instead of the safety of the piping material, it calculates the moving force of the pipe and interprets whether or not the shaking prevention strut can bear. Fire extinguishing equipment piping is possible through safety analysis of stress and displacement of piping material because piping safety can not be secured via unstable force generated in a certain section with one connected structure is there. Therefore, it is necessary to apply analytical method considering seismic performance of building structure and material properties of piping for seismic design of safe fire extinguishing system piping.

주제어

표/그림 (16)

그림 Figure 1. Seismic piping design flowchart.
그림 Figure 2. Isometric diagram for seismic analysis⁽²⁾.
표 Table 1. Earthquake Area and Seismic Coefficient⁽⁵⁾
표 Table 2. Importance and Important Factor⁽⁵⁾
표 Table 3. Modified Mercalli Intensity Scale and Maximum Acceleration⁽⁵⁾
그림 Figure 3. Coordinate reference.
그림 Figure 4. Typical location of bracing on a tree type pipe system⁽⁴⁾.
표 Table 4. Listing of Static Load Cases for this Analysis⁽²⁾
표 Table 5. Stress Amount at 0.14 Gravity
표 Table 6. Stress and Displacement Amount at 0.22 Gravity
표 Table 7. Displacement Amount at 0.14 Gravity
표 Table 8. Displacement Amount at 0.22 Gravity
그림 Figure 5. Isometric diagram of the node with the largest displacement⁽²⁾.
표 Table 9. Stress and Displacement of Load Case Analysis
표 Table 10. Calculation of Lateral Support by NFPA 13
표 Table 11. Calculation of Longitudinal Support by NFPA 13

AI 본문요약
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문제 정의

이중 비 구조체인 설비 배관의 고정하중 외에 적용이 가능한 하중은 지진하중, 토압 및 지하수압, 온도하중 그리고 유체압력 등이다. 공학적으로 배관의 응력을 해석하는 주목적은 배관의 내압, 열팽창, 자중, 바람, 지진 등의 하중에 대한 배관계통과 배관에 연결되는 장치에 대한 안전성 검토 그리고 배관 지지대 및 배관 지지물의 설계에 필요한 자료를 제공하기 위함이다. 배관의 응력 해석 시 고려되어야 하는 하중은 배관의 자중, 배관 내부에 흐르는 유체의 압력, 배관 내부에 흐르는 온도로 발생되는 배관의 팽창 또는 수축으로 인해 배관에 발생되는 하중, 배관계의 휨을 유발시키는 풍하중, 지진에 의한 배관계의 흔들림 하중, 펌프나 압축기 등의 회전기기 등에 의한 배관계의 진동하중이 고려되어야 한다.
따라서 본 연구에서는 건축물의 요구 내진성능에 따라 배관의 응력 및 변위를 분석하고자 한다. 배관의 내진설계의 경우 구조체에 적용되는 지반가속도를 간과할 수 없으며 이를 근거로 배관에 대한 공학적 해석을 할 필요가 있다^(9,10).
배관의 내진설계의 경우 구조체에 적용되는 지반가속도를 간과할 수 없으며 이를 근거로 배관에 대한 공학적 해석을 할 필요가 있다^(9,10). 소화배관에 대한 내진설계는 배관의 안전성 및 지지력을 위한 것으로 지진 시 배관에서 발생되는 응력 및 변위에 의해 서포트(support)나 지지대(anchor)에 전달되는 힘의 역학적 해석을 통한 방식의 연구를 통해 소방시설의 성능위주의 내진설계 정착에 기여하고자 한다.
국내 소방시설의 내진설계 기준은 배관, 관부속, 배관 속의 물의 하중을 고려하여 Figure 4와 같이 횡방향 흔들림 방지 버팀대와 종방향 흔들림 방지 버팀대를 일정 간격 이하로 설치하는 것으로 가정하여 해석하고 있다. 이를 바탕으로 소방시설의 내진설계기준에 의해 KSD 3507 Steel Pipe와 KSD 3562 Steel Pipe 150 mm 배관에 대하여 횡방향 및 종방향의 흔들림 방지 버팀대에서 요구되는 하중 값을 해석하고자 한다.

가설 설정

국내 소방시설의 내진설계 기준은 배관, 관부속, 배관 속의 물의 하중을 고려하여 Figure 4와 같이 횡방향 흔들림 방지 버팀대와 종방향 흔들림 방지 버팀대를 일정 간격 이하로 설치하는 것으로 가정하여 해석하고 있다. 이를 바탕으로 소방시설의 내진설계기준에 의해 KSD 3507 Steel Pipe와 KSD 3562 Steel Pipe 150 mm 배관에 대하여 횡방향 및 종방향의 흔들림 방지 버팀대에서 요구되는 하중 값을 해석하고자 한다.
14 g)의 지진계수를 건축물의 지반가속도와 동일한 조건일 때 배관에 발생되는 응력과 변위를 해석하였다. 배관은 schedule number 10, 물의 온도는 21 ℃, 배관내의 수압은 14 kg/cm²을 적용하였고 관을 지지하는 서포트는 3 m 간격으로 설치된 것으로 가정하였다.

제안 방법

본 연구에서는 소화배관의 내진설계방법을 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙에서 제시하고 있는 지반가속도를 고려하여 배관의 응력 및 변위를 해석하는 방법과 소방시설의 내진설계기준에서 제시하고 있는 설계방법을 비교하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
Load case 15, Load case 16, Load case 17, Load case 18에서는 U1 (X-axis direction)축과 U2 (Y-axis direction)축으로 진행되는 지반가속도를 Load case 19, Load case 20, Load case 21, Load case 22에서는 U2 (Y-axis direction)축과 U3 (Z-axis direction)축으로 진행하는 지반가속도를 Load case31, Load case 32, Load case 33에서는 U1 (X-axis direction)축과 U3 (Z-axis direction)축으로 진행되는 지반가속도를 고려한 하중 조건을 만들었다. 종합적으로 U1(X-axis direction)축, U2 (Y-axis direction)축 그리고 U3 (Z-axis direction)축으로 축을 배열하고 영향을 주는 방향을 2 방향으로 한정하였으며 이는 지진파의 특성을 고려한 것이다.

성능/효과

0.14 g와 0.22 g의 최대지반가속도 조건에서 해석된 응력 및 변위를 분석해 본 결과 Load case 34, Load case 35, Load case 36 조건에서 배관의 허용 응력에 가장 가까운 값의 굽힘 응력 및 비틀림 응력의 합성응력 값이 발생됨을 알 수 있었다. Table 5와 Table 6은 0.
1. 소화배관에서 발생하는 응력과 변위를 해석할 경우 지진에 의한 가속도의 진행방향은 U1 (X-axis direction)축, U2 (Y-axis direction)축, U3 (Z-axis direction)축 중 U1 (X-axis direction)축과 U3 (Z-axis direction)축방향으로 지반가속도가 영향을 주는 조건에서 가장 큰 응력과 변위가 발생됨을 알 수 있었다.
2. 소화배관에서 발생하는 응력과 변위를 해석할 경우 응력이 집중되는 부위에서 변위가 많이 발생되며 발생되는 node의 경우도 Load case의 변수가 있기는 하지만 대부분 동일한 구간의 node에서 지속적으로 발생됨을 알 수 있었다.
3. 소방시설의 내진설계 기준에 의해 소화배관을 해석하는 경우 지반가속도를 일률적으로 0.5 g로 규정하고 있지만 이는 건축물의 내진기준에 비해 과대 값을 입력하는 것으로 성능위주의 내진설계를 위해서는 건물의 내진설계 기준에서 사용하는 최대지반가속도 값과 동등한 값을 기준으로 내진성능을 해석할 필요가 있음을 알 수 있었다.
4. 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙에서 제시하고 있는 지반가속도 0.14 g와 0.22 g를 입력하여 배관에서 발생되는 응력 및 변위를 공학적으로 해석한 결과 소방시설의 내진설계 기준에서 설계하는 가정과 같이 일정 구간에 동등하게 힘이 분포하는 것이 아니라 모든 구간에 따라 발생되는 응력과 변위가 다르게 분포됨을 알 수 있었다.
5. 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙에서 제시하고 있는 0.14 g와 0.22 g의 지반가속도를 이용하여 배관의 응력 및 변위를 해석한 경우와 소방시설의 내진설계 기준에서 제시하고 있는 0.5 g의 지반가속도를 이용하여 버팀대에서 요구되는 힘을 비교해 본 결과 공학적 해석방식에 의해 설계한 경우는 1265 node에서 최대 1247.6 kg/cm²의 응력이 발생되었으나 소방시설의 내진설계 기준의 경우는 힘(Force)의 개념으로 해석되어 실질적으로 버팀대에서 받는 구조적 응력으로 환산할 필요가 있음을 알 수 있었다.
이는 배관과 배관내의 물의 하중을 고려하여 배관을 움직임을 방지하기 위한 조건만을 고려한 것으로 구체적으로 배관의 부위별로 발생되는 응력이나 변위의 특성 등을 고려하지 못한다는 것이다. 또한 KSD 3507 Steel Pipe와 KSD 3562 Steel Pipe의 경우도 배관에서 요구되는 압력에 따라 배관을 설치하게 되는데 배관의 두께가KSD 3562 Steel Pipe가 KSD 3507 Steel Pipe에 비해 더 두꺼워 더 큰 하중을 요구하는 것 또한 알 수 있었다.
22 g에서 Load case 34, Load case 35, Load case 36 조건에서 동일하게 1265 Node에서 배관의 허용응력에 가장 근접한 최대 합성 응력이 발생됨을 알 수 있었다. 또한 Load case 34, Load case 35, Load case 36에서 공통적으로 Load case 14 (L14=W+P1)의 배관 지지를 위해 설치되는 서포트의 안전성을 평가하기 위한 조건이 입력된 조건에서 가장 큰 응력이 발생됨을 알 수 있었다.
22 g 조건에서 Figure 5와 같이 610 node, 738 node, 1265 node, 2408 node, 2448 node에서 가장 큰 응력변화가 발생됨을 알 수 있었다. 또한 U1 (X-axis direction)축과 U2 (Y-axis direction)축 그리고 U3 (Z-axis direction)축 중 U1 (X-axis direction)축과 U3 (Z-axis direction)축 방향으로 지반가속도가 영향을 줄 경우에 가장 큰 응력 및 변위가 발생됨을 알 수 있었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	설계하중의 종류에는 무엇이 있는가?	건축물의 구조기준 등에 관한 규칙에 따르면 설계하중은 고정하중, 적재하중(활하중), 적설하중, 풍하중, 지진하중, 토압 및 지하수압, 온도하중, 유체압력 및 용기 내용물하중, 운반설비 및 부속장치 하중, 그 밖의 하중으로 분류하고 있다(6). 이중 비 구조체인 설비 배관의 고정하중 외에적용이 가능한 하중은 지진하중, 토압 및 지하수압, 온도하중 그리고 유체압력 등이다.
	배관재료의 응력이나 변위에 대한 해석이 이루어지지 않고 버팀대를 설치하는 경우 발생할 수 있는 문제점은?	소방 분야의 경우 2016년에 발생한 경주 지진이후 미 국방화협회(National Fire Protection Association; NFPA) 의 기준을 준용한 설계기준을 적용하고 있다. 하지만 배관재료의 응력이나 변위에 대한 해석이 되지 않고 배관의 움직임을 구속시킬 수 있는 버팀대를 설치하는 방식이 주를 이루고 있어 배관 및 지지대의 파손 등의 문제점이 발생될 수 있다(2). 지진이 발생할 경우 배관은 일정구간에 따라 해석이 가능한 것이 아니며 모두 일체화로 거동하기 때문에 전체 배관에 대한 응력과 변위를 해석하여야 한다.
	공학적으로 신뢰성있는 소화배관의 내진설계방법을 위해 고려되야할 사항은?	즉, 공학적으로 신뢰성 있는 소화설비 배관의 내진설계를 위해서는 배관에 전달되는 최대지반가속도를 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙에서 제시하고 있는 값을 적용하여 응력과 변위를 해석할 필요가 있다. 하지만 소방시설의 내진설계기준의 경우는 동일한 하중 조건에서 배관에서 발생되는 응력과 변위는 무시하고 횡방향과 종방향으로 흔들림을 방지하는 버팀대에 전달되는 힘으로 해석하기 때문에 안전성을 확보하는 배관의 재료적 물성을 고려하여 응력으로 환산할 필요가 있다.

참고문헌 (10)

Korea Meteorological Administration, http://www.kma.go.kr/ (2017).
J. O. Lee, H. K. Kim, and S. B. Cho, "A Study on Performance- based Seismic Design Method of Fire Extinguishing Pipe System", Fire Science and Engineering, Vol. 31, No. 4, pp. 86-94 (2017).

원문보기 상세보기
NEMA, "Seismic Design Criteria of Fire-fighting Facilities" (2016).
NFPA 13, "Standard for the Installation of Sprinkler Systems, Ch.9" (2016).
American Lifelines Alliance, "Seismic Design and Retrofit of Piping Systems" (2002).
MOLIT, "Rules on Structural Standards Etc. of Buildings" (2017).
ASME B31.3, "Code for Pressure Piping" (2014).
C. A. E. Eng'g S/W, "CAESAR II Technical Reference Manual" (2013).
Ferdinand P. Beer, E. Russell Johnston, and David Mazurek, "Vector Mechanics for Engineers (Statics)", McGraw-Hill, US (2007).
Ferdinand P. Beer, E. Russell Johnston, and David Mazurek, "Mechanics of Materials", McGraw-Hill, US (2015).

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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