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[이항준의 소방내진] 수평지진하중과 세장비의 정의

이항준 소방기술사(에듀파이어기술학원장) | 기사입력 2022/08/25 [12:46]

[이항준의 소방내진] 수평지진하중과 세장비의 정의

이항준 소방기술사(에듀파이어기술학원장) | 입력 : 2022/08/25 [12:46]

▲ 이항준 소방기술사

‘소방시설의 내진설계 기준’ 제3조(정의)에는 수평지진하중과 세장비에 대한 정의가 명시돼 있다.


‘수평지진하중’이란 지진 시 흔들림 방지 버팀대에 전달되는 배관의 동적 지진하중 또는 같은 크기의 정적 지진하중으로 환산한 값을 허용응력설계법으로 산정한 지진하중이다.


‘세장비(L/r)’는 흔들림 방지 버팀대 지지대의 길이(L)와 최소 단면 2차 반경(r)의 비율을 말한다. 세장비가 커질수록 좌굴(buckling) 현상이 발생해 지진 발생 시 파괴되거나 손상을 입기 쉽다.


특정 진원에서 발생한 지진파로 인한 충격이 진동이라는 형태의 동적 하중으로 전달될 경우 천장 등에 고정된 배관의 자중에 의해 흔들림이 발생한다. 자중에 안전율 1.15를 준 것을 가동중량(용수충전 배관 무게)이라고 한다. 이때 지진구역(Ⅰ, Ⅱ)에서 발생하는 지진가속도를 고려해 지진계수를 산정한 후 수평지진하중을 적용한다.


지진가속도에 따라 동적 하중을 주게 되는 지진파에 고정된 배관에 가해지는 하중과 가속도가 커질수록 전달되는 하중도 커짐에 따라 흔들림 방지 버팀대가 지지할 수 있는 정격하중 이내로 설치한다.


하중이 크고 배관의 길이가 긴 소화 배관 특성상 커지는 모멘트에 의해 배관 파손 확률은 높아지게 된다. 이에 따라 부분적으로 나눠 모멘트를 줄일 수 있는 영향구역법(Zone of Influence)으로 설계를 해야 한다.


또 횡방향 흔들림 방지 버팀대가 지지하는 배관은 배관의 항복강도보다 배관의 길이와 하중에 따른 모멘트가 커질 경우 파손될 수 있다. 그래서 ‘소방시설의 내진설계 기준’ 별표 2에선 횡방향 흔들림 방지 버팀대의 경우 수평지진하중과 버팀대간 거리를 제한하고 있다.

 


수평지진하중과 배관에 발생하는 모멘트, 건축물 부착장치 형상(ABCD값)에 따라 작용하는 하중의 경우 최종적으로 앵커볼트나 건축물 부착장치 어댑터에서 고정지지해야 한다.


가장 중요한 성능은 ‘소방시설의 내진설계 기준’ 제3조의2에 따른 앵커볼트 하중으로 연결된다. 앵커볼트의 경우 설계가 잘못 적용된 사례가 많다. 이 부분에 대해선 차후 자세히 다룰 계획이다.


세장비를 뜻대로 풀이하면 ‘가늘고 긴 비율’이라 할 수 있다. 가늘고 긴 경우에는 쉽게 좌굴(버팀대에 압축응력, 1차 단면모멘트)이 가해지고 버팀대는 압축응력에 따라 원래대로 되돌아가려는 탄성(2차 단면모멘트)이 발생한다.


탄성한계의 끝을 항복점이라고 하며 이를 넘어서면 변형이 발생해 휘거나 주름이 잡히게 된다. 이를 좌굴이라고 하는데 세장비는 이를 300으로 제한한다.


300에 대한 출처를 확인해보니 ‘강관구조설계기준’에선 주요 압축재의 세장비를 200으로 제한하고 있었다. 기타 압축제는 250, 인장재는 각각 세장비를 300 이하로 규정한다.


다시 말해 구조적으로 인장이나 압축응역을 받을 경우 세장비로 제한하는데 흔들림 방지 버팀대 중 지지대는 인장과 압축 모두를 받기 때문에 세장비를 300 이하로 적용한다는 의미로 판단된다.


최소 단면 2차 반경의 개념은 지지대의 다념에 작용하는 모멘트의 개념이다. 지지대에 지진파로 인한 외력이 가해지면 1차 모멘트가 발생하게 된다. 이에 반하는 반력이 지지대 내부에서 모멘트로 계산된다. 이를 가상의 반경으로 구하는 게 최소 단면 2차 반경이다.


최소의 의미는 단면이 가장 짧은 부분이다. 강도가 가장 약해지는 곳을 기준해 적용한다는 것으로 볼 수 있다. 이는 지지대의 길이 설치 각도에 따라 지지할 수 있는 하중이 달라진다는 걸 의미한다.

 

이항준 소방기술사(에듀파이어기술학원장)

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