지진 발생 시 소방배관의 안전성은 무엇보다 중요하다. 국내의 경우 국가화재안전기준(NFSC)에 따라 사양위주의 설계를 하고 있지만 특별한 성능이 요구되는 건물에는 공학적인 성능위주 설계를 적용하고 있다. 소방배관의 경우 트리방식을 적용하여 왔다. 하지만 여러 단점으로 인해 최근에는 그리드방식, 루프방식을 적용하고 있다. 국내 소방 배관 내진설계는 NFPA 13 의 cook book 방식을 적용하고 있지만, 신뢰성을 확보하기 위해서는 공학적인 해석이 필요하다. 국내에서 적용 중인 NFPA 13 기준은 ASCE 와 ASME 의 지침을 준용한 것으로 지진이나 배관의 공학적 해석이 부족한 기술자들이 사용하도록 만들어 놓은 설계방식이다. 국내 내진설계는 버팀대에 대한 검토만 진행되고 있다. 하지만 신뢰성 있는 해석을 위해서는 배관의 내압, 지속 하중에 의한 힘, 지진과 같은 하중 조건에서의 다양한 해석이 요구된다. 공학적 내진해석을 통해 트리방식 배관은 그리드나 루프 방식의 배관에 비해 안전성이 떨어지는 것을 알 수 있었으며, 응력 기반의 내진해석 방식과 변형률 기반의 해석방식을 비교한 결과 변형률 해석이 Over Stress 범위에서는 보수적인 결과 값을 보였다. 배관의 내진해석은 일률적인 계산을 통한 해석보다 공학적 해석을 통해 엔지니어가 본인의 의도에 맞게 해석을 하는 것이 좀 더 합리적이며, 여러 가지 해석조건을 고려하여 분석되어야 한다.
지진 발생 시 소방배관의 안전성은 무엇보다 중요하다. 국내의 경우 국가화재안전기준(NFSC)에 따라 사양위주의 설계를 하고 있지만 특별한 성능이 요구되는 건물에는 공학적인 성능위주 설계를 적용하고 있다. 소방배관의 경우 트리방식을 적용하여 왔다. 하지만 여러 단점으로 인해 최근에는 그리드방식, 루프방식을 적용하고 있다. 국내 소방 배관 내진설계는 NFPA 13 의 cook book 방식을 적용하고 있지만, 신뢰성을 확보하기 위해서는 공학적인 해석이 필요하다. 국내에서 적용 중인 NFPA 13 기준은 ASCE 와 ASME 의 지침을 준용한 것으로 지진이나 배관의 공학적 해석이 부족한 기술자들이 사용하도록 만들어 놓은 설계방식이다. 국내 내진설계는 버팀대에 대한 검토만 진행되고 있다. 하지만 신뢰성 있는 해석을 위해서는 배관의 내압, 지속 하중에 의한 힘, 지진과 같은 하중 조건에서의 다양한 해석이 요구된다. 공학적 내진해석을 통해 트리방식 배관은 그리드나 루프 방식의 배관에 비해 안전성이 떨어지는 것을 알 수 있었으며, 응력 기반의 내진해석 방식과 변형률 기반의 해석방식을 비교한 결과 변형률 해석이 Over Stress 범위에서는 보수적인 결과 값을 보였다. 배관의 내진해석은 일률적인 계산을 통한 해석보다 공학적 해석을 통해 엔지니어가 본인의 의도에 맞게 해석을 하는 것이 좀 더 합리적이며, 여러 가지 해석조건을 고려하여 분석되어야 한다.
The stability of firefighting pipes is crucial in the event of an earthquake. In Korea, specification-based designs are used in accordance with NFSC. However, engineering performance-based designs are used for buildings that have special requirements. For firefighting pipes, tree type pipe networks ...
The stability of firefighting pipes is crucial in the event of an earthquake. In Korea, specification-based designs are used in accordance with NFSC. However, engineering performance-based designs are used for buildings that have special requirements. For firefighting pipes, tree type pipe networks are usually utilized in buildings; however, they are characterized by several limitations. Hence, grid type and loop type networks are being utilized lately. Earthquake-resistant designs for firefighting pipes in Korea utilize NFPA 13 as the cookbook. Nevertheless, an engineering analysis is required to verify its reliability. The NFPA 13 standard used in Korea is a design method for engineers who lack earthquake engineering analysis knowledge of pipes and adapt ASCE and ASME guidelines. Earthquake resistant designs in Korea review braces only. Hence, various analyses under load conditions, such as the internal pressure of a pipe, force exerted by a continuous load, and an earthquake, are required to ensure reliability. An engineering earthquake-resistance analysis showed that tree type pipe networks are less stable than grid and loop type pipe networks. A comparison of earthquake-resistance analysis based on stress and strain revealed that strain analysis exhibited a conservative result value in the range of over-stress. Therefore, for the earthquake-resistance analysis of pipes, it is rational that engineers perform analysis to achieve the required standards through engineering analysis rather than uniform calculations, which should also be analyzed considering various analysis conditions.
The stability of firefighting pipes is crucial in the event of an earthquake. In Korea, specification-based designs are used in accordance with NFSC. However, engineering performance-based designs are used for buildings that have special requirements. For firefighting pipes, tree type pipe networks are usually utilized in buildings; however, they are characterized by several limitations. Hence, grid type and loop type networks are being utilized lately. Earthquake-resistant designs for firefighting pipes in Korea utilize NFPA 13 as the cookbook. Nevertheless, an engineering analysis is required to verify its reliability. The NFPA 13 standard used in Korea is a design method for engineers who lack earthquake engineering analysis knowledge of pipes and adapt ASCE and ASME guidelines. Earthquake resistant designs in Korea review braces only. Hence, various analyses under load conditions, such as the internal pressure of a pipe, force exerted by a continuous load, and an earthquake, are required to ensure reliability. An engineering earthquake-resistance analysis showed that tree type pipe networks are less stable than grid and loop type pipe networks. A comparison of earthquake-resistance analysis based on stress and strain revealed that strain analysis exhibited a conservative result value in the range of over-stress. Therefore, for the earthquake-resistance analysis of pipes, it is rational that engineers perform analysis to achieve the required standards through engineering analysis rather than uniform calculations, which should also be analyzed considering various analysis conditions.
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문제 정의
본 연구에서는 전세계적으로 통용되고 있는 ASME B31.1 Power Piping Code에 따른 내진설계 방법(정적해석)을 적용하여 여러 소방배관 형상에 따라 배관에서 발생되는 변위와 응력 그리고 모멘트를 활용 분석하여 소방배관의 구조적 안전성을 판단할 수 있는 기준마련에 도움이 되고자 한다(9).
1차 응력은 재로의 파괴 과정이 항복 강도를 초과할 경우 즉시 파괴가 발생하지만 2차 응력은 연속부에서의 응력 집중으로 한번 작용으로는 절대 파괴에 이르지 않으면 서서히 소성변형이 증가되어 파괴되는 차이가 있다. 본 연구에서는 지진과 같은 반복하중이 배관에 작용할 때 1차 응력에 대한 안전 여부를 재료의 허용응력(Allowable stress)과 비교하고자 한다.
제안 방법
반면 동적인 해석은 그 원인이 다양해 예측되거나 검증된 데이터가 없어 정확한 분석을 못하는 경우가 대부분이다. 따라서 본 연구에서 적용된 입력 지진은 소방내진설계 기준에 따라 계산된 등가지진하중을 Figure 1의 Grid, loop, Tree type 배관형상에 Table 1의 파이프 물성을 고려하여 Table 2의 수평 및 수직 방향의 정적 지진가속도를 적용시켜 해석했다. X, Y, Z 축에 대한 기준은 Figure 2와 같다.
현재 통상적으로 적용하고 있는 공학적 배관 내진해석 방식은 응력 기반 해석방식과 변형률 기반 해석방식으로 구분된다. 응력 기반 해석과 및 변형률 기반 해석으로 소방 배관의 지진에 대한 구조적 안전성을 평가해본 결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
응력 기반 해석은 ASME B31.1 Power Piping Code 104.8.2 Stress Due to Occasional loads 로서 식 (1)을 기반으로 구조적 안전성을 평가하였고, 변형률 기반 해석은 최근 법제화된 집단에너지 시설 기준에 의거하여 인장: 1%, 압축 Min{ 1%, 30 × 배관두께/배관외경(%)}로 평가하였다.
하지만 본 연구에서는 지진 하중을 Figure 1과 같이 그리드, 루프, 트리 형식의 소방배관에 적용시켰을 때 응력 및 변형률로서 지진에 대한 안전성을 Bentley, 2018 “Autopipe advanced” 를이용하여 해석하고자 한다(10).
성능/효과
1) 그리드 타입 및 루프 타입 배관 방식이 트리 타입 배관 방식에 비해 지진 발생 시 배관의 안전성이 뛰어남을 알 수 있었다.
2) 배관의 내진성능에 대하여 응력 기반 해석과 변형률 기반 해석을 비교 분석한 결과 변형률 기반 해석이 보수적인 결과 값으로 해석되었다. 따라서 초고층 건물 및 발전소 등 국가기반시설 소방배관 내진 설계 시에는 응력 기반 해석과 더불어 변형률 기반 해석을 통해 좀 더 보수적인 값을 이용한 설계가 되어야 한다.
3) 국내에서 주로 사용하고 있는 소방내진설계는 버팀대에 대한 검토만 진행되고 있는데 배관에는 내압, 지속하중에 의한 Force, 지진과 같은 일시적 하중에 의한 Force 등 배관의 설치조건에 따라 가정하여야 하는 힘이 존재하므로 적용 가능한 모든 조건을 고려하여 내진 해석 및 설계가 이루어져야 한다.
4) 내진 해석은 데이타로 끝나는 해석이 아닌 현장에서 시공하는 엔지니어가 알 수 있도록 Seismic Stress ISO 을작성하여야 한다. 또한 배관 서포트의 위치 및 형식, Force, Displacement 값을 한눈에 알기 쉽도록 작성하여야 시공하는 엔지니어가 설계자의 의도를 알고 시공을 할 수 있다.
참고문헌 (14)
Korea Meteorological Administration, http://www.kma.go.kr/(2017).
NEMA, "Seismic Design Criteria of Fire-fighting Facilities" (2016).
Ministry of Trade and Industry a Law Examination, "Heating Facility standard of District Heating System" (2018).
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 & Engineering, Vol. 31, No. 4, pp. 86-94 (2017).
J. O. Lee, K. Y. Oh and D. S. Bang, "Comparison of Methods to Improve Seismic Performance Depending on the Use of Expansion Joint", International Journal of Innovative Technology and Exploring Engineering, Vol. 8, Issue. 8S2, pp. 670-674 (2019).
NFPA 13, "Standard for the Installation of Sprinkler Systems, Ch.9" (2016).
American Lifelines Alliance, "Seismic Design and Retrofit of Piping Systems" (2002).
B. Liu, X. J. Liu and H. Zhang, "Strain-based Design Criteria of Pipelines", Journal of Loss Prevention in the Process Industries, Vol. 22, No. 6, pp. 884-888 (2009).
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