설비배관의 지진대비 안전확보 방안

     지진 흔들림 방지 버팀대 (sway brace)를 활용한 횡력저항 시스템 (ER)

 

슬라브 하부에 매달리거나, 구조체를 관통하는 설비배관의 시공 시 [그림 1]과 같이 단순하게 매달림의 용도로 배관이 설치되어 지진 발생 시 구조체와 일체거동을 하지 못하여 설비배관의 탈락이나 파괴가 발생할 수 있다. 이러한 경우에 자주 쓰이는 보강방법으로는 브레이스의 설치가 있다.

[ 그림 1. 일반적인 매달린 설비배관의 시공 모습 ]

브레이스는 소방시설의 설치, 유지 및 안전관리에 관한 법률에 따르면 “지진 흔들림 방지 버팀대”로 볼 수 있는데, 지진 흔들림 방지 버팀대는 지진이 일어나는 동안 단일 장치로서 건물과 함께 움직이는 소화용 배관의 원활한 동작을 돕기 위해 계산된 기계장치로서의 역할을 하는 것이 목적이다. 지진 흔들림 방지 버팀대의 종류로는 종방향 및 횡방향의 움직임을 구속하는 양방향 흔들림 방지 버팀대와 모든 방향을 구속하는 4방향 흔들림 방지 버팀대, 스프링클러의 가지배관의 움직임을 방지하는 가지배관 고정대로 분류할 수 있다. 흔들림 방지 버팀대 보강의 간격은 지진의 정도, 건물의 위치, 설비배관의 크기와 유형 등에 따라 다르게 설계되어야 한다.

[그림 2]와 같이 4방향 흔들림 방지 버팀대의 경우 입상배관에서 주로 사용하는데, 길이 1m를 초과하는 입상배관의 최상부에서는 4방향 흔들림 방지 버팀대를 설치해야하고, 길이가 긴 입상배관에 설치된 4방향 흔들림 방지 버팀대는 길이 8m 이내에 하나씩 설치해야한다. 입상배관의 최상부의 4방향 흔들림 방지 버팀대가 수평배관에 부착된 경우, 4방향 흔들림 방지 버팀대는 입상배관의 중심선으로부터 0.6m 이내에 설치되어야 하며 버팀대의 하중은 수직 및 수평방향의 배관을 모두 포함해야 한다. [그림 3]은 4방향 흔들림 방지 버팀대 제품의 예시이다.

[ 그림 2. 4방향 흔들림 방지 버팀대의 규정 ]

[ 그림 3. 4방향 흔들림 방지 버팀대 제품 예시
(좌 4방향 흔들림 방지 버팀대, 우 4방향 흔들림 방지 버팀대 역할을 할 수 있는 내진클램프) ]

횡방향 및 종방향의 흔들림 방지 버팀대 중 횡방향 버팀대는 [그림 4]의 상부그림과 같이 주배관 및 교차배관에 사용 가능하다. 가지배관의 경우 직경 65mm 이상인 배관에 설치해야하고, 흔들림 방지 버팀대의 간격은 최대 구간이 12m를 초과하면 안 된다. 또한 마지막 버팀대와 배관 단부사이의 거리는 1.8m를 초과하면 안 된다. 종방향 버팀대의 [그림 4]의 하부 그림과 같이 버팀대 최대 간격은 24m를 초과하면 안되고, 마지막 버팀대와 배관 단부사이의 거리는 12m를 초과하면 안 된다. 이때 4방향 흔들림 방지 버팀대는 횡방향 및 종방향 흔들림 방지 버팀대의 역할을 동시에 수행할 수 있다. [그림 5]는 횡방향 및 종방향 흔들림 방지 버팀대 제품의 예시이다.

[ 그림 4. 횡방향(상) 및 종방향(하) 버팀대의 규정 ]

[ 그림 5. 횡방향(좌) 및 종방향(우) 버팀대의 제품 예시 ]

가지배관 고정대는 배관 직경 65mm이하인 배관을 고정할 때 사용한다. 이러한 배관은 주로 스프링클러에 사용되며 고정대의 재료는 강재가 아닌 와이어를 사용하여 설치된다. 가지배관 고정대는 가지 배관 말단 헤드 (스프링클러 헤드)에 설치된 행거로부터 0.6m 이내에 설치해아하고 헤드는 천장이나 보 등과 충돌하지 않도록 100mm 이상 이격하여 설치한다. [그림 6]은 가지배관 고정대 제품의 예시이다.

[ 그림 6. 가지배관 고정대의 예시 ]

     변위흡수장치의 설치 및 내진스토퍼 사용 (ER)

 

지진 발생 시 구조재의 변위가 발생하면 비구조재 또한 변위가 발생한다. 이때 비구조재에 변위를 흡수할 수 있는 장치(이하 댐퍼)나 변위를 제한하는 장치(이하 내진스토퍼)등을 설치하여 비구조재의 큰 변위로 인한 파손이나 탈락을 방지할 수 있다. 설비배관에 설치되는 댐퍼는 구조체에 사용되는 것과 동일한 역할을 하고, 내진스토퍼는 지진하중에 대하여 과도한 변위가 발생하지 않도록 제한하는 장치를 뜻하며 목적에 따라 [그림 7]과 같이 활동 방지형, 활동 및 전도 방지형 등으로 구분 가능하다. 또한 [그림 8]은 댐퍼의 활용 예시이다.

[ 그림 7. 내진스토퍼의 역할에 따른 형태 (상 활동방지형, 하 활동 및 전도 방지형) ]

내진스토퍼의 설치 위치는 가압송수장치 등의 기계가 움직이지 못하도록 설치해야하며, 가압송수장치에 가해지는 수평지진하중 이상을 견딜 수 있도록 시공해야한다. 이때 내진스토퍼의 설계 반영 시 설치 개수 및 위치선정 등은 대상의 구조와 내진스토퍼의 제조사의 사양에 따라야 한다.

[ 그림 8. 댐퍼의 활용 ]

내진스토퍼를 설치할 때 간략한 구조검토의 예시는 다음과 같다.

[ 그림 9. 내진스토퍼 설계 예시 ]

[그림 9]의 가압 송수장치가 30 kN 이라고 가정한 경우 가압 송수장치에 가해지는 수평지진하중        은 아래의 식으로 계산된다. 

이때 가동중량이 10 kN 이하인 경우 장변방향의 양쪽 모서리에 직경 12mm이상의 앵커볼트로 고정해야하고 10 kN 이상인 경우 직경 20mm이상의 앵커볼트로 고정해야한다.
(여기서        는                                이고,      는 가동중량이다. 가동중량은 가압 송수장치 배관의 기타 부속품 무게를 포함하기 위한 중량으로 1.15를 곱하여 사용한다.)

수평지진하중        가 17.25 kN이 산정 되어 앵커볼트는 직경 20mm이상을 사용하고, 스토퍼 및 앵커볼트의 설계 하중은 약 20 kN으로 산정하여 사용한다. 이때 앵커볼트의 개수는 아래 [표 1]의 설비중량에 따른 앵커볼트 직경 및 개수 표를 참고한다.

[ 표 1. 설비중량-앵커볼트 호칭에 따른 앵커볼트의 개수 산정 (안전율 포함됨) ]

     설비배관 사이의 접합부 설계 (ER)

 

지진 발생피해 사례를 살펴보면 설비배관과 설비배관 사이의 접합부에서 많은 피해가 발생하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 배관 사이의 변위에 대한 적절한 변위흡수가 이루어지지 않기 때문이다. 설비배관이 길면 길수록 배관과 배관 사이의 변위가 커져 이를 흡수할 수 있는 장치가 필요할 수밖에 없고, 이를 위한 장치를 신축이음쇠라고 한다. 신축이음쇠는 배관의 신축, 팽창 흡수 및 진동과 소음 흡수 등 내진설계와 적합하고 볼 수 있고, 소방시설의 설치, 유지 및 안전관리에 관한 법률에 따르면 “지진분리이음”으로 볼 수 있다. 신축이음쇠는 고정식 커플링과 유동식 커플링으로 나눌 수 있는데, 고정식 커플링은 빗면의 힘에 의해 어긋난 조인트 커버의 키가 홈의 안쪽과 바깥쪽을 모두 잡아주어 배관을 고정하는 방식이나 “지진분리이음”으로는 사용이 불가능하다. 유동식 커플링은 각 조인트에서 신축과 팽창, 편심과 회전, 진동과 소음을 흡수할 수 있도록 설계되어 유연성이 뛰어나 내진성능을 발휘한다.

[ 그림 10. 고정식 커플링 (상)과 유동식 커플링 (하) ]

이와 같은 제품들은 소방시설 내진설계 기준 제정 이후 신축 건물에 지정되어 사용되고 있다.

지진분리이음은 [그림 11]와 같이 모든 입상배관의 상/하 단부의 0.6m 이내에 설치해야한다. 다만 길이가 0.9m 미만인 입상배관은 신축이음쇠를 생략할 수 있고, 2.1m 이하의 입상배관은 하나의 신축이음쇠로 설치해야한다. 2층 이상의 구조물인 경우 바닥으로부터 0.3m, 천장으로부터 0.6m 이내에 설치해야 하고, 연결부가 수평인 경우 0.6m 이내의 수평부에 설치해야 한다. 입상배관 또는 기타 수직배관의 중간 지지부가 있는 경우에는 지지부의 윗부분 및 아랫부분으로부터 0.6m 이내에 설치해야한다.

[ 그림 11. 지진분리이음의 설치 ]

위의 지진분리이음은 배관과 배관 사이의 접합부 한 면에 대한 내진접합 아이디어로 볼 수 있다. [그림 12]는 배관과 배관 사이의 배관 하나를 조인트로 설계하여 구조체가 진동하더라도 배관은 진동하지 않도록 제작되어진 것으로, 소방시설의 설치, 유지 및 안전관리에 관한 법률에 따르면 “지진분리장치”에 속한다. 다시 말하자면 지진분리이음으로 연결된 건물에서 상대적으로 움직이는 변위를 최소화하고 예상되는 배관의 움직임을 충분히 수용하여 배관의 파손을 방지하기 위해 사용하는 장치이다. 일반적으로 배관 부속품, 배관과 커플링 장치 등을 이용한 집합체 장치를 사용하거나 모든 방향으로 움직임이 가능한 배관과 커플링 장치를 통칭한다. 지진분리장치는 건축물의 인입배관부분에 설치해야하며 4방향 변위를 모두 수용할 수 있어야 한다. 또한 이때 지진분리장치 1.8m 이내에 4방향 버팀대를 설치해야하고 버팀대는 지진분리장치 자체에는 설치해서는 안 된다.

[ 그림 12. 소방시설 내진설계 기준의 지진분리장치 예시 ]

     배관에 설치되는 장비의 직접고정 (ER)

 

배관에 설치되는 기구들은 스프링클러, 환기구 등 구조체 안쪽이나 바깥쪽으로 노출되는 경우가 많다. 이는 바깥쪽으로 노출되어있는 만큼 탈락하여 인명피해를 유발하거나 기능 손실등의 문제점을 야기할 수 있다. 스프링클러와 같이 작은 기구는 배관에 직접 설치 가능하지만 9kg 이하의 디퓨저 및 덕트, 환기구 등 중급 기구의 경우 천장틀에 확실히 접합되어야 한다. 천장틀에 달리는 기구는 변위를 제한하여 다른 기구 (조명 등)와 충돌을 방지해야한다. 이때에 쓰이는 천장틀의 경우 이러한 기구의 무게를 충분히 견디지 못할 수 있는데, 이때에는 와이어 등 무게를 직접적으로 받칠 수 있는 보강재를 설치해야한다. 내진성능이 확보된 천장틀이어야 한다. 20kg 급의 HVAC 설비 등 대형 기구의 경우 구조체에 직접 매달릴 수 있도록 제한해야하며 이때 이 기구에 대하여 대각 브레이스 등의 보강을 조치해야한다. [그림 13]은 디퓨저 및 덕트의 적절한 설치 예시로 기구가 포함되는 천장틀에 와이어 보강이 된 모습이다.

[ 그림 13. 디퓨저 및 덕트의 적절한 설치 예시 ]

     설비배관의 변위를 고려한 구조체의 관통부 (ER)

 

지진 발생 시 구조재와 비구조재의 거동이 상이하여 발생할 수 있는 피해는 쉽게 찾아 볼 수 있다. 특히 설비배관의 경우, 지진으로 인한 배관의 상대적인 변위로 인한 응력파손과 움직임으로 인해 주변 구성품과의 부딪힘에 의한 파손으로 대별한다. 그러므로 다른 부품과의 충돌에 의한 파손을 방지하기 위해 충분한 이격거리를 확보를 의무화하고 있다. 특히 벽, 바닥 또는 기초를 통과하는 모든 배관에는 반드시 충분한 이격거리 확보를 의무화하고 있다. 그러나 화재의 확산 등의 문제로 중요하지 않은 곳, 충돌이 발생해도 배관에 많은 영향을 주지 않는 부서지기 쉬운 부재를 관통할 경우에 한하여 신축이음쇠를 사용할 경우 이격거리 확보가 면제된다.

이와 같은 제품들은 소방시설 내진설계 기준 제정 이후 신축 건물에 지정되어 사용되고 있다.

위의 소방시설의 설치, 유지 및 안전관리에 관한 법률에 따르면 배관의 크기에 따라 이격 거리가 달라지는 것을 확인할 수 있다. 이는 소형배관의 경우 대형배관에 비해 유연성을 갖는다고 판단할 수 있는데, 이는 관통구의 크기를 작게 설계하여도 문제가 되지 않을 것으로 해석된다. [그림 14]는 관통구 및 슬리브 설계 사례인데, 이와 같이 충분한 공간을 가지고 배관이 관통하게 된다.

[ 그림 14. 관통배관의 설계 예시 ]

그러나 이러한 이격거리를 확보하게 된다면 관통구가 화재 확산의 연결통로가 될 수 있다. 그러므로 배관과 관통구 사이에는 방화성능 물질로 충진해야 하며, 이 물질은 지진 발생 시 변위를 흡수하여 배관에 영향을 주지 않는 신축성 재질을 사용해야 한다.

또한 이러한 관통형 배관은 [그림 15]와 같이 떨어진 곳에 행어나 브레이스 등의 보강재를 사용하여 배관이 쉽게 움직이지 못하도록 고정해야한다.

[ 그림 15. 관통구 및 설비배관의 설계 ]

Department of Architecture _ Prefabricated Building Structural Lab. 

 T 031) 219 - 2499 / F 031) 219 - 2945  / 우) 16499    경기도 수원시 영통구 월드컵로 206 아주대학교 산학협력원 804호

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