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• 1. 서 론
• 2. 실험체 제작 및 실험계획
• 2.1 골조 구조물 설계 및 제작
• 2.2 옥내소화설비 시공
• 2.3 실험 계획
• 3. 진동대 실험 수행
• 4. 실험결과 및 분석
• 4.1 가속도 수준 결정
• 4.2 진동대 실험결과 분석
• 5. 결 론
• 감사의 글

1. 서 론

 최근 수년간 세계적으로 대형 지진이 빈번히 발생하여 많은 인명 피해 및 재산 피해가 발생하고 있다. 이에 국내에서도 지진의 위험성에 대한 관심이 증가하고 있다. 한반도는 비교적 지진에 안전한 곳으로 볼 수 있다. 그러나 지진기록을 살펴보면 발생빈도가 낮은 휴지기에 속하며, 한반도 내에 다수 분포하고 있는 활성단층에서 지진 발생 가능성이 상존하고 있다는 것을 알 수 있다.⁽¹⁾ 

특히, 중소 규모의 지진이 발생하여 구조물의 붕괴로 인한 피해가 아닌 전력설비, 통신설비, 소화설비 등 주요 기간 설비의 기능상실로 인하여 보다 큰 피해가 일어날 수 있다.

 예로 1989년 미국 샌프란시스코 프리에타(Loma Proeta) 지진의 경우 상․하수도관, 송전선, 가스관 등 라이프라인에 큰 손상이 발생하였고 지진과 동시에 화재가 발생하여 많은 피해를 입었다. 또한, 1995년 일본 효교현 남부지진에서는 건물, 고속도로, 철도 고가의 파괴와 도심 중심부 상가 등에서 수일간 화재가 발생하였다. 이와 같이 구조물의 붕괴로 인한 피해가 아니라 화재로 인한 2차 피해를 줄이기 위해 화재발생시 소화능력을 유지할 수 있도록 소화설비의 내진 성능확보는 반드시 필요하다고 할 수 있다.⁽²⁾

 국내에서도 1995년 일본 고베지진 발생 이후 지진에 대한 관심의 증가와 함께 많은 연구가 진행되어 왔다. 하지만 선진국에 비해 건축 설비에 대한 내진설계 기준이 미비하며, 국내 실정상 많은 자료들을 외국의 기준을 참조하고 있다. 그러나 이는 100% 신뢰할 수 없다. 따라서 국내 실정에 맞는 국내 건축 설비의 내진 설계 기준의 마련이 필요 하다.

 건축 설비 시설물에 대한 내진안전성을 확보하기 위해서는 내진성능 평가 또는 내진검증을 수행해야 한다. 내진성능평가 및 검증을 위해 수행되는 진동대 실험은 지진 시 시설물의 거동특성과 내진성능평가를 위해 널리 사용되고 있다. 또한, 기존 시설물에 대한 내진성능 평가, 지진 취약 시설 내진성능평가, 시설물 안전성 분석 등 적용범위가 넓어지고 있는 추세이다.⁽³⁾

본 연구에서는 수계 소화설비의 내진성능 평가를 위하여 진동대 실험을 수행하였다. 골조 구조물에 수계 소화설비인 옥내소화전 설비(배관, 펌프, 수조, 소화전)를 설치하여 총 4차례의 가진을 통하여 실험을 하였다. 내진형 배관으로 루프형 배관을 설치하였고, 일반 배관은 수평배관을 옥내소화전에 연결하여 설치하였다. 그리고 일반설비와 내진설비의 거동차이를 확인하기 위해 각 설비는 기존 건축물에 시공되어 온 일반형 설비와 내진형 설비를 동시에 시공하였다. 또한 각종 설비의 거동특성을 파악하기 위하여 각 설비들의 변위 응답, 가속도 응답, 가속도 응답스펙트럼 분석 과정을 통하여 수계 소화설비에 대한 내진성능을 평가하였다. 

2. 실험체 제작 및 실험계획

2.1 골조 구조물 설계 및 제작

 본 연구는 구조물의 내진성능을 평가하기 위함이 아니라 수계형 소화설비(비구조 요소)에 대한 내진성능을 평가하기 위한 실험으로서 골조 구조물에 대한 피해는 거의 없게 실험체를 설계하였다. 그림 1에 보이는 것과 같이 실험에 사용된 실험체는 지상 2층 철근콘크리트-철골조 구조물이다. 콘크리트 설계강도는 24Mpa, 철근 항복강도는 400Mpa이고, 실험체 전체 크기는 3,900mm×3,900mm×5,000mm 이다. 그리고 실험체의 내진설계를 위하여 지반조건은 지반분류 조건 중 보통암 지반으로 가정하여 S_B 지반으로 가정하였고, 중요도 계수는 일반적으로 지진에 가장 취약한 저층건축물로 가정하였다. 또한 반응수정계수는 1.0, 변위증폭계수는 4.0으로 적용하였다. 층고는 2.5m로 설계하였으며, 구조계산결과 기본진동주기는 x-방향 0.142초(장축), y-방향 0.029초(단축)로 나타났고 고유주기는 0.11초 정도로 나타나 단주기에 해당하는 구조물로 판단된다.

<그림1> 골조구조물 시험체 평면도

<그림2> 옥내소화전 설비 배치 개요

2.2 옥내소화설비 시공

그림 2와같이 완성된 골조 구조물에 옥내소화설비를 설치하였다. 실험에서 사용된 일반 배관과 내진형 배관은 외관상 비슷하나 구조물에 고정방법이 서로 다르다. 또한, 실제 배관에서는 소화용수가 채워져 있으나 가진 시험 중 용접부에서 누수가 발생하여 물이 쏟아지는 것을 우려하여 구간별로 게이트 밸브(Gate Valve)를 설치하여 누수량이 최소가 되도록 하였으며, 배관 시공 완료 후 철저한 확인을 통하여 불량시공을 방지하였다. 그리고 배관에는 물 대신 부식 우려가 없는 자동차 워셔액을 충진 하였고 시험 전 약 1.5kgf/cm²의 압력을 주입하였다. 수조에는 물이 채워져 있어야 하나 가진 중 대량의 물이 쏟아질 경우를 대비하여 콘크리트를 채워 실제 중량과 맞추었다. 이로 인해 가진 시 유체와 유체를 담고 있는 용기 사이에서 발생하는 상대적 운동인 슬로싱(Sloshing)으로 인한 이음부 파손 등은 고려하지 못하였다.

2.3 실험 계획

 소화설비의 변위 및 가속도를 측정하기 위하여 계측센서의 배치계획은 옥내소화전 설비의 거동을 분석할 수 있는 위치에 설치하였고, 배관 지점부(Hanger) 및 펌프설비에 변위계 및 가속도계를 설치하였다.(그림 3, 그림 4) 그리고 변위 데이터를 계측하기 위하여 변위계(LVDT)를 설치하여 진동대 변위 대비 1층 하부, 2층 하부 및 2층 상부의 변위를 측정하였고, 각 층의 내진형 배관과 일반 배관, 일반 마운트 펌프 및 내진 마운트 펌프의 변위 및 상대변위를 측정하여 값을 비교하였다. 또한 가속도 데이터 계측을 위하여 가속도 데이터는 가진 가속도와 진동대 및 구조물에 설치된 가속도계를 설치하였고, 각 층의 배관 및 펌프에서도 가속도계를 설치하여 가속도 데이터를 비교 분석하였다.

 특히, 배관은 형상이 원형이므로 계측센서를 고정하기 위하여 별도의 치구를 제작하여 변위계 및 가속도계를 고정하였다. 또한 구조체의 안전성을 모니터링 하기 위하여 구조상 가장 취약부위인 1층, 2층 H형강 연결부위에 변형률게이지(Strain Gauge)를 설치하여 가진에 의해 골조구조물의 이상 유무를 판단하고자 하였다.

3. 진동대 실험 수행

본 실험에서는 수계형 소화설비인 옥내소화전 설비를 총 4번의 가진을 통하여 수행되었으며, 각 설비는 기존 건축물에 시공되어 온 시설물과 실험에서 사용된 내진형 시설물의 거동을 비교평가하기 위하여 각 가진 실험에 일반형 시설물과 내진형 시설물을 동시에 시공하여 실험을 수행하였다.

그림 5는 진동대 위에 설치된 실험 모형의 형상을 보인 것이다. 그리고 옥내소화전 설비에 대한 내진성능을 평가하기 위하여 사용된 진동대는 부산대학교 KOCED(Korea Construction Engineering Development Program)⁽³⁾ 지진 실험센터 3기의 진동대중 Table B를 사용하였으며 그 사양은 표 1과 같다.

 실험에 사용된 El-Centro 지진파는 건축물 지진 해석 시 가장 널리 사용 하고 있는 지진 데이터중 하나이고, 1940년 5월 18일 미국 샌프란시스코 El-Centro에서 발생한 리히터 규모 7.1의 강진으로써 그 이전에는 강진발생시 지진계의 바늘이 튀어 기록을 제대로 기록할 수 없어 이를 위해 개발된 강진계로 기록된 최초의 강진기록이다.

<그림5> 옥내소화전설비 진동대 실험 모형 형상

<표1> 진동대 사양

 옥내소화전 설비의 지진응답을 살펴보기 위해 El-Centro 지진파 70%(최대가속도 0.25g), 100%(최대가속도 0.36g), 120%(최대가속도 0.43g) 가진 수준을 통하여 동적거동특성을 파악하였다. 그리고 각 단계별 가진 후에는 설비 이상변형, 누수 및 계측센서의 이상 유무 등을 체크한 후 다음 가진을 실시하였다. 그림 6은 본 실험에서 사용된 지진파 및 진동대 계측 가속도이다.

4. 실험결과 및 분석

4.1 가속도 수준 결정

 본 연구는 구조물에 대한 내진성능 실험이 아니라 단주기 건축물 내에 설치되는 비구조 요소(소화설비)에 대한 내진 실험이다. 이에 대한 검증을 하기 위해 구조물의 각층에 가속도계, 변위계를 설치하였다. 또한 구조상 가장 취약부위인 1. 2층 H형강 연결부위에 변형률게이지(Strain Gage)를 설치하여 구조물의 거동을 검토하였다. 표 2 통하여 구조물의 1층 바닥과 2층 천장의 변위차이가 크게 나지 않았고, 가속도 또한 값의 차이가 크게 나지 않은 것으로 보아 실험에 사용된 골조 구조물은 강성이 큰 구조물로 설계를 하였다는 것을 알 수 있다. 따라서 소화설비에 대한 내진성능 평가를 하기 위한 2층 구조물의 실험체는 하나의 구조물로 판단하여 각 층에 설치 된 소화 설비의 동적 거동을 평가 할 수 있다.

<표2> 골조 구조물 센서 배치도 및 El-Centro 지진파 가진 수준별 구조물 성능 평가

<표3> 지진구역계수, 재현주기 500년에 해당 (건설교통부, 1997)

<표4> 위험도 계수 (건설교통부, 1997)

<표5> 지진구역 구분 및 지역계수 (KBC 2009)

<표6> 가진 수준별 옥내소화전 설비 변위 응답 비교 (단위:mm)

 또한 본 연구에서는 지반가속도에 의한 설계지반운동 수준의 개념이 아니라 가속도 수준에 대해 소화설비가 어느 정도 Level에 거동을 하는지 수준을 결정하는 것이라고 할 수 있다. 이로 인해 내진등급의 등급판정 보다 어느 정도의 등급 수준에서 구조물에 설치되는 설비들은 내진장치를 해야 하는지 아닌지에 대한 지표를 나타내는 것이라고 할 수 있다.

내진설계기준연구(II)⁽⁴⁾에서 SB 지반 1등급 붕괴방지수준의 경우 암반 노두의 가속도는 표 3의 지진구역 Ⅰ의 구역 계수 0.11g, 재현주기 1,000년에 해당하는 위험도 계수 1.4를 곱하여 지반가속도 0.154g를 얻을 수 있다. 만약, 설계지진의 재현주기가 500년이 아닌 경우에는 표 4에서와 같은 위험도 계수를 곱하여 지진지역계수를 구할 수 있다.⁽¹⁰⁾그리고 소화설비는 건축물 내에 설치가 되므로 그림 7과 같이 설계응답스펙트럼 단주기 부분의 마루(Mound) 부분은 지반가속도 2.5배 수준이 된다. 따라서 재현주기 1,000년 수준의 지반가속도는 0.385g가 된다.

따라서 본 연구에 사용 된 El-Centro 지진파 100% 가진 수준(0.36g)은 그림 8에서 보는 것과 같이 토목기준 재현주기 1,000년(0.385g) 수준이라는 것을 알 수 있다. 그리고 El-Centro 지진파 50% 가진 수준(0.18g)과 70% 가진 수준(0.25g)은 비교적 낮은 등급에 속하는 것을 알 수 있다.

건축기준(KBC 2009)에 의하면 특 등급 구조물의 최대 설계 가속도 값은 0.176g이다. 여기에 해당하는 지반가속도(지역계수)는 표 5에서 지진구역 1에 해당하는 지역계수 0.22의 80%이다.(KBC 2009, 0306.3.3 설계스펙트럼 가속도)⁽⁵⁾ 여기에 2.5를 곱하면 0.44g가 된다. 이는 El-Centro 지진파 120% 가진 수준(0.432g)은 내진 특 등급의 수준인 것을 알 수 있다.

4.2 진동대 실험결과 분석

일반 배관, 내진형 배관, 펌프, 옥내소화전, 수조 등의 수계형 소화설비에 대한 내진성능실험을 실시하였다. 먼저, 실험체의 거동을 평가하기 위하여 구조물 1층 천장(2층 바닥)에 설치된 H형강 접합부의 변형률게이지를 통해 변형률 수준이 30~60με(Micro Strain, ×10⁶) 정도 발생하여 H형강의 항복수준인 2000με 수준보다 매우 작아 구조물의 안전성에는 이상이 없는 것으로 판단이 되었다.

수계형 소화설비의 진동대 실험을 통하여 나온 변위 응답 결과를 표 6에 정리하였다. 배관의 경우, 가진 수준에 따라 일반형 배관의 변위가 점차적으로 크게 발생하였고 내진형 배관의 경우 가진 수준이 증가함에도 불구하고 약 1mm도 되지 않는 변위가 발생한 것으로 보아 일반형 배관과 내진형 배관의 내진성능 차이가 극명하게 차이가 난다는 것을 알 수 있다. 마운트 펌프의 경우 일반 방진 마운트 펌프와 내진 마운트 펌프의 변위 차이가 약 2배 이상 차이가 났다. 또한, El-Centro 지진파 70% 레벨로 가진을 하였을 때, 펌프 양방향이 좌, 우로 심하게 요동치며 불안정한 모습으로 지속되다가 방진스프링이 이탈하는 현상이 나타났다. 그러나 입상배관의 경우 내진수준이 증가하여도 일반형과 내진형의 변위차이가 크게 나지 않은 것으로 나타났다.

그림 9~그림 12은 가진 수준별 옥내소화전 설비의 가속도 응답 비교를 나타내었다. 1층 배관과 2층 배관, 펌프에서의 가속도 응답에서 일반형 시설물과 내진형 시설물의 가속도 응답차이가 크게 발생한 것으로 나타났다. 그러나 입상 배관의 경우 일반형 시설물과 내진형 시설물에서 큰 차이가 발생하지 않았다.

<그림9> 가진 수준별 1층 배관 가속도 응답 비교

<그림10> 가진 수준별 2층 배관 가속도 응답 비교

<그림11> 가진 수준별 입상 배관 가속도 응답 비교

<그림12> 가진 수준별 마운트 펌프 가속도 응답 비교

<그림13> 1층 일반형 배관 Low pass filter 분석 결과

<그림14> 가진 수준별 1층 배관 가속도 응답스펙트럼 응답 비교

<그림15> 가진 수준별 2층 배관 가속도 응답스펙트럼 응답 비교

<그림16> 가진 수준별 입상 배관 가속도 응답스펙트럼 응답 비교

<그림17> 가진 수준별 마운트 펌프 가속도 응답스펙트럼 응답 비교

<그림18> 옥내소화전 설비 주요 손상 부위 비교

특히, 그림 9에서의 1층 일반배관의 가속도 응답의 경우 El-Centro 지진파 50% 가진 수준에서 가속도 응답이 2g 수준까지 증폭 발생하였고 El-Centro 지진파 100% 가진 수준에서의 가속도 응답은 5g 수준까지 증폭이 발생하여, 입력 가속도에 비하여 약 15배 정도의 증폭현상이 발생하였다. 또한, 120% 가진 수준에서는 가속도 응답이 10g 까지 증폭 발생하였다. 이는 실제로 증폭된 값이라기보다 배관이 흔들리면서 다른 설비들과 충돌로 인한 노이즈 성분의 가속도 값으로 분석이 된다. 이러한 노이즈 성분의 가속도 값을 Low Pass Filter 분석을 MATLAB(Ver. 2011)⁽⁶⁾을 통하여 실제 순수한 거동 증폭에 의한 효과를 나타내었다. 여기서 Sampling Frequency(F_s )는 256Hz, Cut Off Frequency(F_c)는 10Hz, Nyquist Frequency(F_n)는 128Hz(F_s/2), 필터차수는 5차수 이다.

Low Pass Filter 분석을 통하여 충돌로 노이즈 성분의 가속도 값을 제거하여 그림 13에 나타내었다. El-Centro 지진파 70% 가진 수준에서는 최대 1.81g, 100% 가진 수준에서는 2.07g, 120% 가진 수준에서는 2.28g의 가속도 수준으로 분석이 되었다. 1층 일반배관의 경우 노이즈 성분의 가속도값을 제거하여도 가속도 응답이 큰 것으로 나타났다. 따라서 건축물 내에 설치되는 일반배관은 내진성능확보가 되어야 한다는 것을 알 수 있다.

그림 14~그림 17은 가진 수준별 옥내소화전 설비의 가속도 응답스펙트럼 응답 비교를 나타내었다. 1층 배관과 2층 배관의 경우, 가진 수준이 증가함에 따라 일반 배관의 가속도 응답스펙트럼 응답이 점차 증가하는 것을 보아 내진성능의 확보가 되지 않은 것을 알 수 있다. 반면에 내진 배관의 경우 가속도 응답스펙트럼의 변화가 가진 수준의 증가에도 많지 않은 것으로 보아 설비의 내진성능이 확보되었다고 볼 수 있다.

가진 수준별 입상배관의 가속도 응답스펙트럼의 응답을 보면 일반 배관과 내진 배관의 가속도 응답스펙트럼이 거의 일치하는 것으로 나타났다. 2층 배관의 경우 입력가속도 0.432g 수준에 비하여 일반배관의 가속도는 약 1.2g 수준까지 발생한 것으로 나타나 일반형 배관에서 가속도 증폭이 매우 크게 발생하는 것으로 나타났다. 이는 내진설계기준의 설계스펙트럼가속도거 최대 2.5배 정도 증폭된 현상과 일치하는 현상이다. 그러나 내진형 배관의 경우 가속도 증폭이 크게 발생하지 않아 일반형 배관에 비하여 비교적 안정적인 것을 확인 할 수 있다. 펌프에서 계측된 가속도 값을 살펴보면 내진 마운트형 펌프와 일반 방진 마운트형 펌프에서 가속도 값이 약 2~3배 정도 차이가 나는 것으로 보아 일반 방진 마운트는 내진 마운트형 펌프에 비하여 내진성능이 부족하다는 것을 알 수 있다.

 진동대 실험 후 배관 및 펌프의 손상 및 파괴형상을 그림 18에 나타내었다. 피해사례 분석 결과 일반 옥내소화전 설비의 경우 지진동에 매우 취약한 것으로 판단되었고, 펌프와 연결된 파이프 부분에서도 많은 변위가 발생하여 연결부 조인트 부분의 심각한 파손도 발견되었다. 특히, 펌프의 경우 자중이 커서 지진 시 관성력에 의한 하중을 많이 받는 설비이므로 반드시 내진형 마운트를 설치할 필요가 있다. 또한 배관 고정 장치 앵커볼트의 경우 지진 시 콘크리트 표면이 이탈되거나 크랙이 발견되어 지진동에 매우 취약한 것으로 분석이 되었다. 반면 내진형 고정 장치의 경우 이탈이 발생하지 않았고 콘크리트에도 손상을 주지 않은 것으로 보아 매우 견고하다는 것을 알 수 있다.

5. 결 론

본 연구에서는 옥내소화전 설비의 내진성능을 평가하기 위하여 일반형 설비와 내진형 설비의 진동대 실험을 수행하여 그 결과를 비교하였으며 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

1. 가진 수준을 증가시켜가며 옥내소화설비의 내진성능을 평가해본 결과, 일반형 설비와 내진형 설비의 성능 차이가 난다는 것을 알 수 있었다.

 2. 일반 배관의 경우 가진 수준의 증가에 따라 변위응답 및 가속도 응답이 큰 폭으로 증가 하였고, 내진 배관의 경우 가진 수준의 증가에도 변위 및 가속도 응답 차이가 크게 나지 않은 것으로 보아 내진 배관은 내진성능이 확보되었다고 할 수 있다.

3. El-Centro 70% 가진 수준에서 1층 일반배관의 이탈현상이 발생하여 가속도 증폭현상이 발생하였다. 따라서 배관의 경우에는 내진설치가 반드시 이루어 져야 한다고 판단이 된다. 여기서, 가속도 증폭현상이 발생한 것은 배관이 흔들리면서 옥내소화전과 충돌로 인한 노이즈 성분의 가속도 값으로 분석되었다.

4. 펌프에서 계측된 변위의 경우, 내진 마운트형 펌프 보다 일반 방진 마운트형 펌프에서 값이 약 2~3배 정도 차이가 났고, 가속도 응답에서도 가속도 값이 약 1.5~2배 정도 차이가 나는 것으로 보아 일반 방진 마운트는 내진성능이 부족한 것으로 판단이 된다.

5. 가진 수준별 옥내소화전설비의 가속도 응답스펙트럼을 분석한 결과, 일반형 시설물은 가진 수준이 증가함에 따라 응답이 크게 증가하는 경향을 확인 할 수 있었고, 내진형 시설물의 경우 가진 수준이 증가함에도 일정 수준의 응답을 보여주고 있었고 실험 후 시설물의 변화가 크게 없는 것으로 확인되어 내진성능이 확보 되었다고 할 수 있다.

 6. 상대적으로 작은 지진의 크기(El-Centro 50% 가진 수준)에서도 일반배관과 일반 방진 마운트형 펌프의 변위 및 가속도 응답이 크게 발생하였고, 배관 및 펌프가 탈락 하는 현상을 보아 작은 규모의 지진에서도 소화설비의 파괴로 인해 피해가 생길 수 있다는 것을 알 수 있었고, 소화설비 내진설계의 중요성에 대해 확인 할 수 있었다.

 7. 진동대 실험 결과를 바탕으로 지반운동에 대한 소방설비의 고정방법, 유연성 확보 등과 같은 내진설비 보강책이 반드시 필요하다고 판단이 되고, 내진성능을 확보하기 위하여 내진등급·시설별 내진 보강책을 규정해야 한다.

  추후 연구에서는 비선형 유한요소해석을 이용한 비구조 요소의 내진성능평가를 통하여 진동대 실험과 비교하여 응답특성 및 지진손상을 평가함으로써 비구조요소의 내진성능 평가 및 내진성능기준을 검증할 수 있을 것으로 예상된다. 그리고 지진파의 영향을 크게 미치는 요소는 지반조건이다. 따라서 지반의 조건을 달리하여 소화설비의 지진 증폭 현상 및 내진성능을 평가함으로써 국내 지반특성에 맞는 내진성능을 확보 할 수 있을 것으로 기대된다.

감사의 글

본 논문은 2010년도 차세대 핵심 소방안전기술 개발사업의 용도별 맞춤형 스프링클러 헤드 및 내진형 소방설비 개발 과제 및 국토해양부의 u-City 석·박사 과정 지원사업의 지원을 받아 수행되었습니다.