비정형 구조물 배관의 내진해석 및 평가에 관한 연구 : 소화배관의 변위 형상에 따른 모드해석 및 평가 중심 = A Study on Seismic Analysis and Evaluation of Irregular Hydrant Pipe Structures:Focused on Mode Analysis and Evaluation according to the Displacement Shape of Hydrant Pipe

국문 초록 (Abstract)

본 연구는 소방의 내진설계에 대한 수행에 있어서 소방설비 설계사의 자체 능력이 아닌 내진제품의 제조 및 판매업체에 의존하여 설계해왔기 때문에, 계속적인 기술력의 저하로 인한 사회적 비용의 상승과 더불어 내진설계의 기술력에 대한 욕구가 팽배해 왔다. 내진설계에 대한 관심과 연구는 사회적 비용을 절감하고, 기술에 대한 개척과 앞으로 나아갈 성능위주 내진설계를 통한 기술력 향상을 꾀하고자 하는 목적과 내진제품의 제원을 파악하고 설계 및 시공 시 규격화된 내진제품을 적용함으로써 신뢰성 있고 안전한 System 확보에 대한 목적으로 소화배관의 내진설계 동적해석을 구현하기 위하여 구체적인 소방설비 내진설계 분야의 동적해석 설계 기준에 관한 연구이다.

지진과 지진에 의한 화재의 발생은 인적⋅물적 피해를 원래상태 즉, 지진과 화재 이전 생활로의 복귀를 늦추거나 복귀불능을 만든다. 발생한 지진에 대한 적절한 대처는 원상태 생활로의 빠른 복귀를 할 수 있으며, 복귀불능 등을 방지할 수 있다. 이 연구에서는 소화배관의 내진설계를 건축물에 적합하고 안전한 설비를 적용을 구현하기 위하여 연구를 하였다.
소화설비 배관에 대한 내진의 필요성과 국내⋅외 법규적 조사 및 검토를 통해 필요한 연구로의 한발을 내딛었으며, 동적해석을 위한 방법 및 검증절차를 통한 기술력 향상을 꾀하였다.

연구결과를 요약하며 다음과 같다.
첫째, 동적해석을 통한 내진설계 시스템 구축 기술
건축물의 중요도가 높고 고층이거나 비정형 구조물의 내진설계에 대한 소화배관의 재료 및 구조 특성인 유연성과 구조안전성을 고려하여 동적해석을 통한 내진설계 시스템 구축 기술을 제시한다.
둘째, 동적해석 내진설계를 하기 위한 설계지침서 개발
동적해석을 통한 내진설계 표준화 및 기술기준을 위한 설계지침서를 개발하고자 한다.
셋째, 내진제품의 정량적 제원 표준화
내진설계 시 적용하는 내진제품에 대해 조사하고 검토하여 제원을 정량적 자료로 제출함으로써 동적해석에 사용된 내진제품 신뢰성 확보 기술을 실현하였다.
넷째, 건축물의 축소현상에 따른 배관 굽힘현상 방지
수직직선배관에 건축물 상하로 받는 축력에 의한 건축물의 축소현상으로 발생하는 소화배관의 굽힘에 대해 수직직선배관의 좌굴에 의한 쇼트닝 방지 기술과 지진분리이음(연성글로브조인트)을 설치 시 누수현상이 발생할 수 있는데 누수현상 방지까지 포함한다.
다섯째, 건축물의 내진설계 zoning방안을 구현
내진설계 시 사양위주의 규정을 적용할 수 없는 구조물이나 구역에 지진분리장치로 영향구역을 완전 분리하여 동적해석을 위한 내진설계 zoning방안을 구현하였다.
여섯째, 사양위주의 내진설비를 적용하기 어려운 건축물의 내진설계
공장, 창고, 기계실 등 천정이 높은 용도 등의 건축물과 병원, 기계실 등 설비가 복잡하여 내진설계 사양위주 설계 시 적용이 어려운 구조는 법적 사항을 준수할 수 없는 경우가 있을 수 있으므로 ‘소방시설의 내진설계기준’제2조(적용범위) ②항에 “특수한 구조 등으로 특별한 조사·연구에 의해 설계하는 경우에는 그 근거를 명시”1)에 근거한 소방시설의 내진설계 시 소화배관에 대한 동적해석법을 적용하여 설계할 수 있다.
일곱째, VE를 통한 내진설비의 비용절감
동적해석을 통한 내진설계를 할 경우, 내진제품을 사용하는 개수가 감소되어 노무비의 감소로 VE를 통한 비용절감을 할 수 있다.
여덟째, 건축물의 안전성과 기술향상의 구현
개발된 소방시설 소화배관의 동적해석 내진설계 지침서를 활용하여 소방설비 내진설계를 적용하는 건축물의 안전성 확보와 내진설비 설계자의 기술향상을 구현하고자 구체적이고 정량적인 가이드 제시가 될 것으로 기대한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study aims to develop and improve the technology through seismic design centered on performance-based seismic design. Another point of this paper is to ensure a safe and reliable system by identifying the specifications of seismic products and applying standardized seismic products within the design and construction. At most times, the design of seismic products has relied heavily on the capability of manufacturers and sellers of the products, rather than the capability of fire protection equipment designers. As a result, it led to a continuous decline in the technology of seismic design, and the increase of the social cost. For that reason, there has been widespread public support for enhanced seismic design. The object of this study is to develop the criteria for dynamic analysis design in the seismic field of fire fighting facilities and implement the dynamic analysis of seismic design of the hydrant pipes.
The occurrence of an earthquake and the fire caused by the earthquake can severely damage the human and external resources. Moreover, the damage created by the earthquake makes it difficult to restore to its previous state, which is, to rehablitate the damages caused by the earthquake and the fire. More appropriate response after the happening of the earthquake can make a difference, such as returning quickly to its original state, or preventing the point of no return. On this basis, this study was conducted to implement and the seismic design on the pipes, and apply it to the facilities to make it more suitable for the building and its safety.
This paper examined the domestic and foreign legal issues surrounding the fire extinguish system and found out the necessity of the earthquake-resistant hydrant piping. Furthermore, this paper focused on improving the technology through the methods and verification procedures for the dynamic analysis.

The results of this study can be summarized into eight major points.

First, the technology for constructing the seismic design system through dynamic analysis
The paper presents the technology for constructing a seismic design through dynamic analysis which considers the flexibility and structural characteristics of the hydrant pipes for seismic design that is high-rise or amorphous structures with higher importance to buildings.
Second, development of the design guidelines for seismic design's dynamic analysis
This study attempted to develop design guidelines for the standardization of seismic design and technical criteria through dynamic analysis.
Third, standardization of quantitative specifications for seismic products
This study presents the technology to secure the reliability of seismic products that is used for dynamic analysis by investigating and reviewing seismic products that are applied through the seismic design and submitted specifications as the quantitative data.
Fourth, prevention of the hydrant pipe bending due to the column shortening
The bending of the hydrant pipe caused by the column shortening in the buildings due to the axial force being up and down in the vertical-straight pipe can be occurred by the technology for preventing column shortening—which is resulted from buckling the vertical type, and the installation of flexible coupling. Therefore, the leakage prevention needs to be done in the installation.
Fifth, implementing a seismic design "zoning plan" for the buildings
When there is a structure or a region that is unable to apply the specification-based regulations by seismic separation device, we can develop a
"zoning plan" for dynamic analysis to divide the impacted zone.
Sixth, seismic design of the building that is difficult to apply specification-based seismic facilities
Buildings with high ceilings such as factories, warehouses, or machinery rooms, and structures like hospitals or machine rooms that are difficult to apply when designing earthquake-resistant design specifications and may not comply with legal requirements. Hence, according to Article 2, Paragraph 2 of the 'Seismic Design Standards for Fire Protection Facilities'-“In the case of designing after a special investigation, by the reason of a particular features of the structure, or other causes, the basis for this reasoning should be specified"--it leads to the application of hydrant pipe's seismic design through dynamic analysis.
Seventh, reduction of the cost of seismic facilities through VE
In the case of seismic design through dynamic analysis, the number of seismic products is reduced, and therefore the costs can be decreased by the labor cost reduction as VE.
Eighth, the implementation of the structural safety and technological improvement
This study can give a specific and quantitative guidance on: (i) Securing the safety of the buildings through applying the seismic design to the fire-fighting facilities; (ii) Improving the skills of designers of the seismic facilities using the developed seismic design guidelines.

목차 (Table of Contents)

• 제 1장 서론 01
• 1.1 연구의 배경 및 목적 01
• 1.2 연구의 내용 및 방법 07
• 제 2장 지진이론 및 국내 지진 발생 현황 12
• 2.1 지진발생의 원인 및 규모 14
• 2.1.1 지진의 개념 14
• 2.1.2 지진의 요소 17
• 2.2 국내의 지진피해 24
• 2.2.1 국내 지진활동의 개념 24
• 2.2.2 최근의 지진규모와 피해현황 26
• 2.3 소방설비의 지진피해 28
• 2.3.1 지진과 화재 28
• 2.3.2 소방시설별 피해현황 분석 29
• 2.4 내진설계의 개념 32
• 2.4.1 내진설계의 필요성 32
• 2.4.2 내진설계의 동적해석 34
• 2.4.2.1 내진설계의 해석 34
• 2.4.2.2 내진설계 시 동적해석의 필요성 35
• 2.4.2.3 동적해석 시 ’내진설계 기준’의 필요성 40
• 2.4.2.4 동적해석을 통한 시스템 구축 44
• 제 3장 국내⋅외 내진설계 동적해석 관련 기준 46
• 3.1 국내의 내진 관련 기준 48
• 3.1.1 비구조요소의 동적해석을 위한 법적 검토 48
• 3.1.1.1 설계스펙트럼가속도의 기준검토 48
• 3.1.1.2 내진설계범주의 선정을 위한 법적 검토 55
• 3.1.2 소방시설 설계기준검토 69
• 3.1.2.1 소방시설의 내진설계 기준 검토 70
• 3.1.2.2 건축물의 내진설계 기준 검토 71
• 3.1.3 내진에 대한 지진하중 해석 72
• 3.1.3.1 비구조요소의 설계지진하중 72
• 3.1.3.2 건축구조에 의한 지진하중 74
• 3.1.4 동적해석법에 의한 구조해석 75
• 3.1.4.1 응답스펙트럼해석법 76
• 3.1.4.2 시간이력해석법 79
• 3.1.4.3 층응답스펙트럼 80
• 3.1.4.4 간략층응답스펙트럼 81
• 3.2 해외의 내진 관련 기준 84
• 3.2.1 해외 내진설계 기준현황 84
• 3.2.2 스프링클러설비와 관련된 내진기준(NFPA 13) 분석 106
• 제 4장 소방시설의 내진해석 동적해석 적용 108
• 4.1. 내진해석 개요 109
• 4.2 내진설계 동적해석을 위한 방법 112
• 4.2.1 Project - 시뮬레이션에 의한 내진설계 동적해석 112
• 4.2.2 내진제품 종류 검토 124
• 4.2.2.1 볼조인트 검토 125
• 4.2.2.2 멀티 조인트 검토 127
• 4.2.2.3 인라인 조인트 검토 129
• 4.2.2.4 흔들림방지버팀대 133
• 4.2.2.5 가대 137
• 4.2.2.6 행가 141
• 4.2.2.7 지진분리이음 146
• 4.2.2.8 앵커볼트 151
• 4.3 내진설계 동적해석의 검증(보고서에 대한 해석) 155
• 4.4 동적해석의 기타 기술 171
• 4.4.1 건축물 축소현상에 대한 대책 171
• 4.4.2 건축물의 부분 구역을 위한 내진기능 177
• 4.4.3 사양위주 내진설비를 적용하기 어려운 건축물의 내진설계
• 178
• 4.4.4 내진제품의 적용 부품수량 비교 180
• 제 5장 소화배관 내진설계의 동적해석 가이드라인 개발 182
• 5.1 설계 지침서의 목차 182
• 5.2 ‘소방시설 소화배관의 동적해석 내진설계 지침서’의 내용 184
• 5.2.1 목적 184
• 5.2.2 적용의 범위 184
• 5.2.3 용어의 정의 185
• 5.2.4 기호의 정의 185
• 5.2.5 공통적용사항 186
• 5.2.6 소화배관의 동적해석 189
• 5.2.7 소화배관의 해석 업무절차⋅입력 값 결정 및 결과확인 191
• 5.2.8 동적해석 구성제품의 내진성능 기준 196
• 5.2.9 소화배관의 동적해석 내진설계 책임기술자 200
• 5.2.10 보고서 양식 201
• 5.2.11 동적해석의 설계도서 202
• 제 6장 도서 변경 및 준공에 따른 제출서류 204
• 6.1 동적해석을 위한 도면 204
• 6.2 설계지침서 206
• 6.3 보고서 208
• 제 7장 결론 209
• References 217
• ABSTRACT 221
• 감사의 글 225

참고문헌 (Reference)

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2. “화재공학 원론”, 권경옥, 김운형, 오규형, 도서출판 동화기술, , 2015

3. “소방시설 내진설계 기준 마련에 관한 연구”, 권영진 외, 소방청, , 2007

4. “비구조요소의 등가정적 및 동적 내진설계 고 찰”, 전수찬, 이철호, 한국강구조학회지 , pp.9, , 2020

5. “공동주택 소방시설의 내진설계 개선에 관한 연구”, 박시효, 경기 대학교 건설 산업대학원, , 2018

6. “소방시설의 내진설계 필요성과 실효성에 관한 연구”, 김 종 희, 서울시립대학교 도시과학대학원, , 2012

7. “스프링클러설비 배관의 내진설계 개선방안에 관한 연 구”, 이혜영, 경기대학교 건설⋅산업대학원, , 2016

8. “GPS를 이용한 한반도 및 동아시아의 지각속도 측정과 해 석”, 박필호, 연세대학교 대학원, , 2002

9. “사교의 비정형정도에 따른 지진응답특성과 지진해석방법 에 관한 연구”, 류동현, 연세대학교 대학원, , 2008

10. “지진 재난지역주민의 재난관리서비스 만족도에 미치는 영 향요인 분석”, 최민영, 충북대학교, , 2019