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[이항준의 소방내진] 건축물에서 발생하는 진동 주기, 가속도, 지진계수 관계

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이항준 소방기술사(에듀파이어기술학원장) | 기사입력 2022/04/11 [11:19]

[이항준의 소방내진] 건축물에서 발생하는 진동 주기, 가속도, 지진계수 관계

이항준 소방기술사(에듀파이어기술학원장) | 입력 : 2022/04/11 [11:19]

▲ 이항준 소방기술사(에듀파이어기술학원장)

진앙에서 발생한 충격은 건축물로 전달된다. 이때 전달된 충격파는 다양한 양상의 진동을 만들게 된다. 진동 주기는 각각의 건축 구조ㆍ비구조 요소, 높낮이 등에 따라 다양하게 나타난다. 

 

“지진파는 왜 다양한 양상으로 나타나 영향을 미치는 걸까” 이 질문은 원초적이면서 아주 단순한 질문일 수 있지만 내진을 기술적으로 이해하기 위해선 개념을 알아야 한다. 이는 다음 그림으로 설명할 수 있다. 

 

▲ 건축물 간 발생하는 진동에 따른 지진분리장치의 설치  © 소방방재신문


그림과 같이 길이가 각각 다른 철사 A, B, C에 추가 매달린 상태에서 아래쪽 판에 충격을 가하면 길이가 짧은 A 추는 빠른 진동 주기로 흔들리게 된다. 길이가 긴 C 추는 상대적으로 늦은 진동 주기로 흔들린다.

 

이를 지반 위의 건축물로 가정하고 지진이 발생했다고 가정한다면 여러 형상과 크기, 높이의 건축물들은 각각 다른 주기를 갖고 있다는 걸 알 수 있다. 동일한 건축물일지라도 나뭇가지를 땅에 꽂은 상태에서 충격을 준 것처럼 고층부의 흔들림이 커지면 진동과 가속도 역시 커지게 된다.

 

이런 이유로 ‘건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00 : 2019)’에 따른 한계상태설계법(Limit state design)은 지반 상태와 건축물의 높이에 따른 진동과 가속도를 고려한다. 

 

지하층 등 상대적으로 낮은 층의 경우 지진계수가 작아지며 최상층의 경우엔 지진계수를 높여 적용한다. 이때 지진계수는 설계자의 의도에 따라 높이를 세분화해 계산할 수 있고 이를 활용해 등가 정적 하중으로 산정한다. 

 

‘소방시설의 내진설계 기준’ 별표1의 단주기 응답지수별 소화배관의 지진계수를 적용한 뒤 허용응력법으로 직선보간해 산정해 보면 지진구역 Ⅰ(서울, 인천, 대전, 부산, 대구, 울산, 광주, 세중)의 지진계수는 0.41이 나온다. 지진구역 Ⅱ(제주, 강원북부)의 지진계수는 0.36으로 산정된다.

 

다시 말해 허용응력법은 건축물 전체를 지진으로부터 보호하기 위해 진동과 가속도를 일괄해 적용하기에 그 만큼 과하게 적용된다는 걸 의미한다.

 

이는 지반에 의한 영향과 건축물의 높이에 따른 영향을 고려하지 않음에 따라 저층부든, 고층부든 동일한 지진계수를 과하게 적용할 수 있다는 의미가 되므로 ‘소방시설의 내진설계 기준’ 제3조의2(공통 적용사항)에서도 허용응력법 외에는 0.7을 곱해 적용할 수 있도록 규정하고 있다.

 

허용응력법은 ‘스프링클러설비의 화재안전기준’ 별표1에 따라 배관을 규약배관방식으로 설계하는 것과 유사하며 한계상태설계법은 수리계산방식으로 설계해 배관 구경을 조정하는 것과 유사한 접근법으로 볼 수 있다. 

 

이처럼 진동 주기, 건축물의 높이에 따른 가속도 등에 의한 영향은 다양하게 나타나기 때문에 소화 시스템에도 다양하게 영향을 미치게 되는 것이다. 

 

이항준 소방기술사(에듀파이어기술학원장)

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