[논문]4방향흔들림방지버팀대의 구조 안정성 및 내진 성능 연구

오수언; 이항준; 좌성훈

doi:10.15683/kosdi.2022.9.30.646

4방향흔들림방지버팀대의 구조 안정성 및 내진 성능 연구
Study of Structural Stability and Seismic Performances of 4-Way Sway Prevention Brace 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.18 no.3 = no.57, 2022년, pp.646 - 659

오수언 (Seoul National University of Science and Technology) , 이항준 (Make soon Inc.) , 좌성훈 (Seoul National University of Science and Technology)

초록
AI-Helper

연구목적: 본 연구에서는 기존 소방 시설에 사용되고 있는 흔들림방지버팀대에 비하여 설치 면적을 효율적으로 감소시키고, 안정성과 내진 성능이 우수한 4방향 흔들림방지버팀대를 개발하였다. 개발된 4방향 흔들림방지버팀대의 성능 및 신뢰성을 인장 및 압축 시험과 내진 시험을 통하여 검증하였다. 연구방법: KFI 인증 기준에 따라 정적시험으로서 수평 및 수직 배관에 4방향 흔들림방지버팀태을 설치하여 인장 및 압축 시험을 수행하였으며, 정격 하중에 최대 움직임을 측정하였다. 또한 동적시험으로서 물이 채워진 배관에 4방향 흔들림방지버팀태를 설치하고 가속도센서를 통하여 입력 가진파에 대한 시험응답스펙트럼을 측정하였다. 또한 내진 시험 후 배관 및 흔들림방지버팀대의 이탈, 파손 및 국부변형을 관찰하였다. 연구결과: 인장 및 압축 실험을 수행한 결과, 인장 및 압축 시에 배관의 최대 움직임은 규정 기준 대비 50%~70% 이하로서 4방향 흔들림방지버팀태의 성능이 매우 우수함을 알 수 있었다. 4방향 흔들림방지버팀태의 내진 시험결과, 시험응답스펙트럼이 요구응답스펙트럼을 포괄하고 있음을 알 수 있었다. 시험 종료 후에 배관 및 흔들림방지버팀대의 이탈이나 파손 및 국부변형 등은 발생하지 않았으며, 시설물의 구조적 안정성이 유지됨을 확인할 수 있었다. 결론: 본 연구에서는 정적 실험 및 동적 실험을 통하여, 개발된 4방향 흔들림방지버팀대가 KFI 인중 기준을 만족하고 있음을 알 수 있었고, 기존 흔들림방지버팀대에 비하여 효율성과 경제성 및 안정성과 내진 성능이 우수함을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: In this study, we developed a 4-way sway prevention brace that efficiently reduces the installation area and has excellent stability and seismic performance compared to the conventionl sway prevention brace used in existing firefighting facilities. The performance and reliability of the developed 4-way way prevention brace were analyzed by the tensile, compression tests and seismic tests. Method: As the static test, 4-way sway prevention braces were installed on the horizontal and vertical pipes to perform the tensile and compression tests based on the KFI certification standard and the maximum movement was measured at the rated load. As a dynamic test, 4-way sway prevention braces were installed in the pipes filled with water, and the test response spectrum to the input excitation wave were measured through the acceleration sensors. After the seismic tests, separation, failure, and local deformation of the pipes, and 4-way sway prevention braces were not observed. Result: The results of the tensile and compression tests indicated that the maximum movement of the pipe during tension and compression was 50% to 70% or less compared to the certification values, indicating that the performances of the 4-way sway prevention braces were very excellent. The results of the the seismic tests indicated that the test response spectrum of the 4-way sway prevention braces is within the required response spectrum. Conclusion: In this study, it was found that the 4-way sway prevention braces satisfied the KFI certification standard and were superior compared to the existing sway prevention brace in terms of the stability, cost, and installation area.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. Structure of lateral and longitudinal sway prevention brace device (a) Lateral direction (b) Longitudinal direction sway prevention brace device
그림 Fig. 2. Picture of a lateral and a longitudinal sway prevention brace stalled at the same time
그림 Fig. 4. Detailed structure of 4-way sway prevention brace device
그림 Fig. 3. Example of 4-way sway prevention brace
그림 Fig. 5. Transmission of horizontal seismic loads according to the direction of seismic waves
그림 Fig. 6. Generation of longitudinal and lateral horizontal seismic loads and lateral moments acting on the conventioanl sway prevention brace
그림 Fig. 7. Component force acting on 4-way sway prevention brace installed in the horizontal pipe
그림 Fig. 8. Photo of tensile and compression tests of 4-way sway prevention brace installed in horizontal pipe
표 Table 1. KFI certification standards of sway prevention brace for different pipe diameters and installation angles
표 Table 2. Measurement result of maximum displacement for lateral and longitudinal sway prevention brace during tensile load
표 Table 3. Measurement result of maximum displacement for lateral and longitudinal sway prevention brace during compression load
그림 Fig. 9. Photo of tensile test of 4-way sway prevention brace stalled in vertial pipe
표 Table 4. Results of tensile tests for 4-way sway prevention brace stalled in vertial pipe
표 Table 5. Results of compression tests for 4-way sway prevention brace stalled in vertial pipe
그림 Fig. 10. Required Response Spectrum (SDS=7.94m/s², damping = 5 %)
표 Table 5. Results of compression tests for 4-way sway prevention brace stalled in vertial pipe(Continue)
표 Table 6. Shake table test parameter
그림 Fig. 11. Picture of seismic test (dynamic test) of 4-way sway prevention brace
그림 Fig. 12. Resonant frequency of the facility measured at each point(A1-A4)
그림 Fig. 13. Acceleration time history of shake table excitation in X-direction
그림 Fig. 14. Test response spectrum(TRS) of input excitation wave
표 Table 7. Predominant resonance frequencies from resonant frequency search test

AI 본문요약
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문제 정의

통상적으로 사용되는 흔들림방지버팀대는 배관을 지진으로부터 보호하기 위해 종방향(축방향) 또는 횡방향(축직각방향) 지진파에 대하여 개별로 지지하는 구조 및 후시공 앵커볼트에 의해 고정하는 구조를 갖고 있다. 본 연구에서는 기존 흔들림방지버팀대의 내진성능을 향상시키고, 설치 면적 등을 효율적으로 감소시킬 수 있는 4방향 흔들림방지버팀대를 개발하였으며, 개발된 4방향 흔들림버팀대의 성능 및 신뢰성을 인장 및 압축 시험의 정적시험과 동적 내진 시험을 통하여 검증하였다.
본 연구에서는 기존에 사용되었던 흔들림방지버팀대의 내진 성능을 향상시키고, 설치 면적 등을 효율적으로 감소시킬 수 있는 4방향 흔들림방지버팀대를 개발하였으며, 개발된 4방향 흔들림버팀대의 성능 및 신뢰성을 인장 및 압축시험의 정적시험과 동적 내진시험을 통하여 검증하였다. 개발된 4방향 흔들림방지버팀대는 1 개의 배관연결장치에 2 개의 지지대를 종방향 및 횡방향으로 연결하여 4방향을 지지하는 구조를 적용하여, 진동 및 지진의 흔들림으로 부터 발생하는 모멘트를 상대적으로 감소시킬 수 있는 구조를 갖고 있다.

제안 방법

수평 배관 및 수직 배관에 4방향 흔들림방지버팀태를 설치하여 인장 및 압축 실험을 수행한 결과, 배관의 최대움직임은 규정 기준 대비 50%~70% 이하로서 4방향 흔들림방지버팀태의 성능이 매우 우수함을 알 수 있었다. 4방향 흔들림방지버팀태의 내진 성능을 평가하기 위하여 물이 채워진 배관에 4방향 흔들림방지버팀태를 설치하고 가속도센서를 통하여 입력 가진파에 대한 시험응답스펙트럼을 측정하였다. 시험결과 시험응답스펙트럼가 요구응답스펙트럼를 포괄하고 있음을 알 수 있었으며, 시험 종료 후 배관 및 흔들림방지버팀대의 이탈이나 파손 및 국부변형 등은 발생하지 않았으며, 시설물의 구조적 안정성이 유지됨을 확인할 수 있었다.
본 연구에서는 기존에 사용되었던 흔들림방지버팀대의 내진 성능을 향상시키고, 설치 면적 등을 효율적으로 감소시킬 수 있는 4방향 흔들림방지버팀대를 개발하였으며, 개발된 4방향 흔들림버팀대의 성능 및 신뢰성을 인장 및 압축시험의 정적시험과 동적 내진시험을 통하여 검증하였다. 개발된 4방향 흔들림방지버팀대는 1 개의 배관연결장치에 2 개의 지지대를 종방향 및 횡방향으로 연결하여 4방향을 지지하는 구조를 적용하여, 진동 및 지진의 흔들림으로 부터 발생하는 모멘트를 상대적으로 감소시킬 수 있는 구조를 갖고 있다. 수평 배관 및 수직 배관에 4방향 흔들림방지버팀태를 설치하여 인장 및 압축 실험을 수행한 결과, 배관의 최대움직임은 규정 기준 대비 50%~70% 이하로서 4방향 흔들림방지버팀태의 성능이 매우 우수함을 알 수 있었다.
특히 실제 건축 구조물에 설치된 수계설비와 동일한 조건을 구성하기 위하의 배관 내 물이 채워진 상태로 설치하여 실험을 진행하였다. 배관 주요 위치부의 내진 시험 시의 거동특성을 파악을 위하여 8개의 3축 가속도 센서(A1~A8)를 설치하여, 가속도 응답을 측정하였다. Fig.
수직배관에 대해서 흔들림방지버팀대가 횡방향 버팀대 단독으로 설치된 경우와 4방향 버팀대로 설치된 경우에 대한 인장 및 압축 시험을 수행하였다. Fig.
4와 같은 구조로 설계되어 있다. 수평배관 4방향 버팀대의 사용에 있어 보조 장치(클립)을 추가하여 일반 행거의 역할을 할 수 있는 구조(수평배관 4방향 버팀대를 횡방향, 종방향 버팀대 단독+일반 행거 겸용 구조)를 채택하여 호환성을 우수하게 하였다.
흔들림방지버팀대가 단독으로 설치된 경우를 가정하여 설계한 시험용 지그를 인장/압축 시험기에 설치한 후 배관구경 및 설치각도별 규정 하중으로 시험하였다. 규정한 시험하중으로 압축하중과 인장하중은 각각 1분 동안 가한 후 부품의 이탈, 균열 및 변형 등을 확인하고 하중방향의 최대 움직임을 측정하였다.

대상 데이터

진동대 2기에 총 4개의 강재 고정치구를 바닥에 일렬로 고정하고 배관 및 버팀대 설치용 H형강을 설치하였다. 강재 고정치구의 전면과 후면에 길이 12 m, 직경 100A 강관을 흔들림방지버팀대를 이용하여 설치하였다. 특히 실제 건축 구조물에 설치된 수계설비와 동일한 조건을 구성하기 위하의 배관 내 물이 채워진 상태로 설치하여 실험을 진행하였다.

이론/모형

일반적으로 국내 건축물에 설치되는 비구조 요소의 내진안전성을 검증하기 위한 시험방법으로 미국의 ICC-ES AC 156(Acceptance Criteria for Seismic Certification by Shaking Table Testing of Nonstructural Components)가 대표적으로 사용되고 있다. ICC-ES는 IBC(International building code)를 근간으로 하고 있으며, 본 연구에서도 IBC 2015 및 KBC 2016(Korean building code) 기반으로 4방향 흔들림방지버팀대의 내진 시험을 수행하였다.
내진 성능 시험은 부산대학교 지진방재연구센터의 진동 시험기를 이용하여 수행하였다. 진동대 2기에 총 4개의 강재 고정치구를 바닥에 일렬로 고정하고 배관 및 버팀대 설치용 H형강을 설치하였다.
8과 같이 인장 및 압축 시험을 진행하였다. 인장 및 압축 시험은 흔들림방지버팀대의 KFI 인정기준에 의거하여 진행하였다. Table 1은 KFI 인증 기준의 정격 하중 및 인장 및 압축에 따른 흔들림방지버팀태의 움직임의 최대 허용 범위이다.

성능/효과

수직배관의 경우 수평배관에 비하여 흔들림방지버팀대의 최대움직임은 적었으며, 지지대 각도별로 최대움직임을 측정한 결과 모든 경우에 대해서 KFI 기준 규정 대비 약 70% 이하의 최대움직임을 나타내고 있어서, 기준 규정을 충분히 만족하고 있음을 알 수 있었다. 결론적으로 인장 및 압축 시험의 결과로 4방향 흔들림방지버팀대의 성능을 확인할 수 있었다.
Table 4와 Table 5는 수직배관에 대해서 4방향 흔들림방지버팀대의 인장 및 압축시험 결과를 나타내고 있다. 수직배관의 경우 수평배관에 비하여 흔들림방지버팀대의 최대움직임은 적었으며, 지지대 각도별로 최대움직임을 측정한 결과 모든 경우에 대해서 KFI 기준 규정 대비 약 70% 이하의 최대움직임을 나타내고 있어서, 기준 규정을 충분히 만족하고 있음을 알 수 있었다. 결론적으로 인장 및 압축 시험의 결과로 4방향 흔들림방지버팀대의 성능을 확인할 수 있었다.
개발된 4방향 흔들림방지버팀대는 1 개의 배관연결장치에 2 개의 지지대를 종방향 및 횡방향으로 연결하여 4방향을 지지하는 구조를 적용하여, 진동 및 지진의 흔들림으로 부터 발생하는 모멘트를 상대적으로 감소시킬 수 있는 구조를 갖고 있다. 수평 배관 및 수직 배관에 4방향 흔들림방지버팀태를 설치하여 인장 및 압축 실험을 수행한 결과, 배관의 최대움직임은 규정 기준 대비 50%~70% 이하로서 4방향 흔들림방지버팀태의 성능이 매우 우수함을 알 수 있었다. 4방향 흔들림방지버팀태의 내진 성능을 평가하기 위하여 물이 채워진 배관에 4방향 흔들림방지버팀태를 설치하고 가속도센서를 통하여 입력 가진파에 대한 시험응답스펙트럼을 측정하였다.
시험 종류 후 배관 및 흔들림방지버팀대의 이탈이나 파손 및 국부변형은 발생하지 않았으며, 시설물의 구조적 안정성이 유지됨을 확인할 수 있었다.
14는 입력 가진파의 요구응답스펙트럼(RRS) 및 시험응답스펙트럼(TRS)을 나타내고 있다. 시험결과 TRS가 RRS를 포괄하고 있음을 알 수 있었다.
4방향 흔들림방지버팀태의 내진 성능을 평가하기 위하여 물이 채워진 배관에 4방향 흔들림방지버팀태를 설치하고 가속도센서를 통하여 입력 가진파에 대한 시험응답스펙트럼을 측정하였다. 시험결과 시험응답스펙트럼가 요구응답스펙트럼를 포괄하고 있음을 알 수 있었으며, 시험 종료 후 배관 및 흔들림방지버팀대의 이탈이나 파손 및 국부변형 등은 발생하지 않았으며, 시설물의 구조적 안정성이 유지됨을 확인할 수 있었다.
Table 3는 압축시험 시 발생한 최대 움직임을 나타내고 있다. 압축시험 시 4방향 흔들림방지버팀태에서 발생하는 최대움직임은 인장 시에 발생하는 최대움직임이 대체적으로 동일한 경향을 보임을 알 수 있었다. 전체적으로 인장, 압축 시의 흔들림방지버팀태의 최대움직임은 규정 기준 대비 대략50% 이하로서 흔들림방지버팀태의 성능이 매우 우수함을 알 수 있었다.
압축시험 시 4방향 흔들림방지버팀태에서 발생하는 최대움직임은 인장 시에 발생하는 최대움직임이 대체적으로 동일한 경향을 보임을 알 수 있었다. 전체적으로 인장, 압축 시의 흔들림방지버팀태의 최대움직임은 규정 기준 대비 대략50% 이하로서 흔들림방지버팀태의 성능이 매우 우수함을 알 수 있었다.
인장 시 종방향지지대의 최대움직임이 횡방향지지대의 최대움직임보다는 큼을 알 수 있었다. 종방향지지대에 걸리는 최대움직임에 대하여 배관호칭100A 이하의 시험 결과를 종합해 보면, 50, 65, 80, 100A 배관의 경우 인장하중에 대한 최대 움직임은 지지대 설치각도 90도의 경우 5.6, 7.2, 5.0, 12.7mm이었으며, 이는 KFI 규정 기준 25.4mm 이하로서 성능을 만족함을 알 수 있었다. 또한, 지지대 설치각도 60도의 경우 5.
8mm 이하를 만족하였다. 지지대 설치각도 45도의 경우 8.6, 6.2, 5.9, 10.4mm(규정기준은 17.8mm), 지지대 각도 30도의 경우 7.5, 8.8, 9.7, 11.8mm(규정 기준은 12.7mm)이였으며, 설치 각도에 상관없이 모든 경우 규정 기준 이하의 최대 움직임을 나타내고 있어 개발된 4방향 흔들림방지버팀대가 규정 기준의 성능을 잘 만족하고 있음을 알 수 있었다. 또한 배관호칭125A 및 150A의 경우도 설치각도별 최대움직임은 모두 규정 기준 이하로 규정 기준을 잘 만족하고 있음을 알 수 있었다.
특히, 수평배관 4방향 흔들림방지버팀대의 성능을 확인하기 위하여 65A의 배관에 대해서 4방향 흔들림버팀대의 인정된 시험 하중(7,117N(정격하중)×1.5=10,676N) 보다 높은 시험 하중 [8,963N(200A 정격하중)×1.5=13,445N]으로 시험한 결과를 비교하여도 흔들림방치버팀대의 성능에는 이상이 없음을 확인하였다.
한편 개발된 4방향 흔들림방지버팀대에 대하여 각 지지대에 작용하는 분력을 구조적으로 검토 하였으며, 어떠한 방향으로 지진파가 전달되더라도 그 합력은 100%가 되며, 구조적으로 취약하지 않음을 확인하였다.

후속연구

앞으로 국내 내진 장비의 성능 인증 기준이 동적 내진시험에 대한 기준도 필요함을 본 연구를 통해 알 수 있었다.

참고문헌 (14)

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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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