1. 서 론

자연재해 중 지진의 발생은 세계적으로 계속하여 증가하고 있으며 규모 5.0 ~ 6.9 수준의 지진의 발생 횟수는 1935년 이후 꾸준히 증가하고 있다. 따라서 내진설계가 적용된 구조물에서 지진으로 인한 비구조요소의 손상이 발생되므로 비구조요소의 내진설계가 필요하다. 한반도 및 주변해역의 지진관측을 시작한 1978년 이후 지진의 발생 횟수는 세계의 지진 발생 추이와 유사하게 증가하고 있다(Korea Meteorological Administration, 2020)⁽¹⁾. 2016년 9월 경상북도 경주에서 발생한 지진(규모 5.8)과 2017년 11월 경상북도 포항(규모 5.4)에서 발생한 지진으로 인하여 사회간접시설물의 지진피해 사례가 보고되었으며 사회적으로 내진설계에 대한 관심이 증가하는 계기가 되었다.

배관은 다양한 산업 분야에서 이용되는 중요한 설비로서 상수도, 소방 등과 같이 생활 및 안전과 관련된 일상의 영역에서도 폭넓게 사용되고 있다. 배관은 건축물 및 시설의 주요 구조부에 고정되어 있으나 외부하중을 지지하지 않으며 주어진 고유기능을 수행하는 대표적인 비구조요소이다.

경주지진과 포항지진으로 소방시설 및 상수도 배관 등의 비구조요소에서 손상이 발생하였다. 지진으로 인한 배관의 주요 손상 원인은 구조물의 변형, 지반의 침하 및 단층으로 인해 발생하는 배관과 배관 사이의 상대 변위, 층간 변위 및 연결부의 변위허용량 초과로 나타났다. 이는 지진으로 인한 상대 변위가 지진에 취약한 배관요소의 설계허용량을 초과하여 손상이 발생하는 것으로 나타났다.

유럽과 미국 등에서는 내진설계 기준에 따라 지진에 대한 비구조요소의 안전성을 확보할 것을 요구하고 있다(ISO, 2013; ASCE, 2016; IBC, 2015)^(3,7,8). 특히 미국의 경우 배관을 포함한 소방시설의 내진설계 기준이 제시되었다(NFPA, 2013)⁽¹⁶⁾. 일본은 소방법 기준으로 배관에 대한 내진성능의 확보를 위한 유효한 조치를 강구하도록 하고 있으나 구체적인 방법, 지표 등에 대해서는 언급하고 있지 않다. 대한민국에서는 2016년 건축구조기준이 개정되고 소방시설의 내진설계기준(MOIS, 2016)⁽¹⁵⁾이 시행됨에 따라 주요 비구조요소인 배관에 대한 내진성능의 확보가 요구되고 있다. 그러나 이러한 기준들은 특정 요소의 적용규정과 지진하중에 대한 설계방법에 대하여 제시하고 있으나 해당 요소의 내진성능검증을 위한 평가기술에 대해서는 명확히 제시하고 있지 않다.

대한민국에서는 지진에 의한 인명피해 및 재산피해를 방지하기 위하여 건축물 내진설계기준(MOLIT, 2019)⁽¹⁴⁾과 내진설계기준 공통적용사항(MOIS, 2017)과 같은 기준이 강화되고 있으며 구조물에 설치되는 비구조요소의 내진성능을 향상하기 위한 연구 또한 활발히 진행 중이다. 또한 배관의 내진성능을 확인하기 위하여 배관계통 및 요소에 대한 실험적인 연구도 활발히 진행되고 있다(Choi et al., 2013)⁽⁵⁾.

Fig. 1. Pipe fitting and joint damaged by the Pohang earthquake

Fig. 2. Pipe deformation due to the relative displacement

본 연구에서는 2층으로 구성된 강재프레임을 제작하고 엘보와 티를 포함하는 그루브 조인트로 연결된 입상배관을 설치하였다. 2개의 엑츄에이터를 각층의 상부에 설치하고 지진에 의한 층간변위를 모사하기 위하여 면내방향으로 반복가력실험을 수행하였다. 입상배관의 주요 부위에서 변형률과 von Mises 응력을 측정하였으며, 이미지측정시스템을 이용하여 배관 이음이 적용된 피팅인 엘보와 티의 변형각을 측정하였다.

2. 지진에 의한 배관계통의 손상

지진으로 인한 배관계통의 손상에 대한 대표적인 예는 다음과 같다. 1994년 미국에서 발생한 North Ridge 지진으로 가스배관에서 209건의 가스 누출, 냉각수관 파손으로 병원이 폐쇄되는 피해가 발생하였다(Trifunac et al., 1997; Ayres et al., 1998)^(4,18). 1995년 일본의 Kobe 지진은 배관의 연결부, 고정부 등이 파손되었으며 약 1600건의 누수가 발생하였다(Shorozu et al., 1996)⁽¹⁷⁾. 지진으로 인한 배관계통의 손상은 주로 지지부, 이음부 및 분기관 등의 피팅부에서 발생되었다. 주요 파손 원인은 배관의 상대변위, 층간변위, 건축구조물의 변형 및 연결부의 변위허용량 초과 등으로 변위지배적인 비선형 거동에 의한 파손으로 나타났다. 대한민국에서는 2016년 발생한 경주지진과 2017년 발생한 포항지진의 영향으로 소방배관, 상수도관 및 가스배관의 손상이 발생되었다(Gasnews, 2017)⁽⁶⁾. 포항지진 당시 상수도관에서 누수가 45건이 발생하였으며 상ㆍ하수도관에서 6건의 손상이 발생하였다. Fig. 1은 포항지진 이후 관찰된 배관의 손상 사례를 나타내었으며 주요 손상부는 이음, 곡관 및 분기관 등의 피팅으로 나타났다.

ASCE 7에서는 배관과 같은 연성 부품은 지진으로 인한 지지점 사이의 상대변위가 관성력보다 더 중요할 수 있음을 제시하고 있다(ASCE, 2016)⁽³⁾. 배관은 Fig. 2와 같이 두 지지점 사이의 서로 다른 거동으로 발생하는 위상차에 의한 상대변위의 영향을 받으며 변위지배적인 반복 거동에 의해 파손이 발생할 가능성이 있다. 그러므로 지진에 취약한 요소인 배관의 이음 또는 피팅에 대한 지진안전성 평가를 수행하고자 한다면 주요 요소에서 상대변위로 발생하는 변형각에 대한 고려가 필요하다. 현재 배관의 연결방법 중 용접을 하지 않고 배관을 연결하는 방법이 증가하고 있으며 이들의 안전성을 확인하는 것은 중요하다. 이 연구에서는 국내의 수계소화설비 배관에 널리 사용되는 무용접 조인트인 그루브 조인트에 대한 지진거동 특성을 면내반복가력실험을 통하여 확인하고자 하였다.

3. 이미지측정시스템을 이용한 변형각 측정

3.1 이미지측정시스템

이미지측정시스템은 휴대성과 설치의 간편성을 고려하여 계측을 위한 센서로 CMOS 카메라(IMI Technology, IMC-3622US, 5472 x 3648 pixels, 18 fps)와 노트북을 사용하였다. CMOS 카메라와 노트북은 USB(Universal Serial Bus) 연결을 이용하여 데이터전송을 수행하게 된다. 또한 원거리에 위치한 배관계통의 변형각을 측정하기 위해 필요한 변위를 획득하기 위하여 렌즈(COMPUTAR, V1228-MPY, 8mm)를 카메라에 설치하여 실험을 수행하였다.

Fig. 3. Deformation angle measurement in a structure using an image processing method

Fig. 4. Test setup for analyzing the seismic behavior of the riser piping system

Table 1. Specifications of the test specimen

Part name	Specifications	Quantity
Pipe	KS D 3507, 100A 3.0T	-
Elbow	KS D 3507, 100A 3.0T, 90° elbow	4
Tee	KS D 3507, 100A 3.0T	2
Joint	Groove Joint (Flexible), Steel, Manufacturer B	6
	Groove Joint (Rigid), Steel, Manufacturer B	12

4. 실험 방법 및 절차

4.1 실험의 구성

소방배관과 스프링클러 시스템은 인명안전을 위해 지진이 발생한 후에도 반드시 기능하여야 하는 소방 설비이며 비구조요소중 하나이다. 건축물 내진설계기준에서는 구조물과 주요 비구조요소는 내진설계가 적용되어야 하며 소방시설은 소방시설의 내진설계기준에 따라 설치되어야 한다. 대한민국의 건축물 내진설계기준은 미국의 IBC를 참조하였으며 IBC는 ASCE 7을 기반으로 한다. 또한 소방시설의 내진설계기준은 NFPA 13을 참조하여 작성되었다.

이 연구에서는 Fig. 4와 같이 구조물의 2층을 모사하는 강재프레임을 설치하고 소방설비의 내진설계기준과 NFPA13을 참조하여 그루브 조인트가 적용된 입상배관을 설치하였다. 구조물기둥의 상단과 하단은 힌지로 연결하여 입상배관에 하중이 집중될 수 있도록 구성하였다. 층간변위를 모사하기 위하여 250kN 엑츄에이터를 1층과 2층 사이의 프레임에 연결하였으며 100kN 엑츄에이터는 2층의 상부 프레임에 연결하였다. 프레임의 두께는 200mm이고 각 층의 바닥에서부터 천장까지의 높이는 2,800mm이다. 바닥으로부터 305mm, 천장으로부터 610mm 이내에 지진분리이음으로 유동식 그루브 조인트를 설치하였다. 흔들림 방지 버팀대는 길이 1,000mm를 초과하는 입상관의 최상부에 설치되어야 하며 버팀대 사이의 거리는 8,000mm를 초과하지 않아야 한다. 따라서 실험대상인 그루브 조인트가 적용된 입상배관의 높이는 640mm이며 양 끝은 로드셀과 고정하였다.

티에서 분기된 배관은 두 개의 90° 엘보를 이용하여 수평관과 연결된다. 수평관의 흔들림 방지 버팀대는 상부 엘보의 중심에서부터 600mm거리에 설치되는 것으로 가정하였다.

입상배관은 Table 1과 같이 소방용으로 사용되는 일반적인 규격의 제품으로 구성하였다. 각각의 층마다 2개의 엘보와 1개의 티가 포함되며 배관의 이음은 그루브 조인트가 사용되었다. 그루브 조인트는 Fig. 5와 같이 배관을 맞대어 고정하는 고정식과 배관과 배관사이에 공간을 두어 굽힘과 인장-압축에 대응할 수 있는 유동식으로 구분할 수 있다. 유동식 그루브 조인트는 지진발생 시 최소 ±1° 이상의 변형이 가능하여야 한다. Fig. 6은 실험에서 사용한 고정식 및 유동식 그루브 조인트를 나타내었다.

Fig. 5. Principle of groove joint

Fig. 6. Groove joint types that were used in the test

이 연구는 입상배관이 내진 설계된 구조물에 설치되는 것으로 가정하였다. 따라서 Table 2의 건축물 내진설계기준의 최대허용층간변위를 고려하여 실험을 수행하였으며 여기서 sx는 x층의 층고이다. Malhotra 등의 연구에 의하면 재현주기 475년 이하, 규모 7.2 수준의 지진으로 발생하는 건물의 반복거동에 의한 하중재하횟수는 15회 이상으로 제시되어있다 (Malhotra et al., 2003)⁽¹²⁾. 흔들림 방지 버팀대의 지진안전성을 평가하기 위한 실험 방법인 ANSI/FM 1950은 초기하중에 대하여 15회 반복가력을 수행한 다음 가력 하중을 증가시켜 손상의 유무를 파악하여 한계하중을 결정한다(ANSI, 2016)⁽²⁾. 따라서 이 연구에서는 구조물의 단방향 최대 층간변위를 0.02sx로 하여 정현파(sine wave)로 15회 반복가력 하였다. 2층 엑츄에이터의 가력속도와 가력변위(최대 120mm)는 1층 엑츄에이터의 가력속도와 가력변위(최대 60mm)의 2배로 하였다. Fig. 7은 각 층에 설치된 엑츄에이터에서 가력된 변위를 나타내었다.

Table 2. Allowable side sway

Seismic grade
Special	I	II
0.010$h_{"s" "x"}$	0.015$h_{"s" "x"}$	0.020$h_{"s" "x"}$

Fig. 7. Forced displacements to the actuators

Fig. 8. Seismic simulation test

반복가력실험은 외력에 의한 변수를 최소화 하면서 배관 구성품의 최대변형을 유도하기 위하여 면내 방향으로 수행하였다. 실험 전 배관 내부에 물을 채우고 사용압력을 고려하여 2MPa의 내압을 가압하였으며 레귤레이터가 설치된 에어펌프를 이용하여 내압을 실험이 종료할 때 까지 유지하였다. Fig. 8(a)는 2층 강재프레임에 설치된 입상배관이며, Fig. 8(b)는 최대 변위로 가력 하였을 때의 변형된 입상배관을 나타내었다.

Fig. 9. Sensor installation positions and deformation angle measurement positions

Table 3. Deformation angles at the critical components of the riser pipe system

Description	Deformation angle ($\theta$)	Target	Maximum deformation angle
			+	-	Range
Side sway (1story)	1	1, 2	1.29	1.30	2.59
Side sway (2story)	2	3, 4	1.30	1.30	2.60
Tee1	3	5, 6, 7, 8	0.37	0.90	1.26
Tee2	4	16, 17, 18, 19	0.42	0.67	1.08
Elbow1	5	8, 9, 10	0.56	0.73	1.29
Elbow2	6	12, 13, 14	0.91	1.48	2.39
Elbow2 3D	7	11, 13, 15	1.57	1.82	3.39
Elbow3	8	19, 20, 21	0.01	0.31	0.32
Elbow4	9	23, 24, 25	0.11	0.21	0.32
Elbow4 3D	10	22, 24, 26	0.28	0.20	0.48

5. 실험 결과 및 분석

이 연구에서는 2층 강재프레임에 설치된 그루브 조인트가 적용된 입상배관을 대상으로 건축물 내진설계기준에서 제시된 최대허용층간변위에 대하여 면내방향으로 15회 반복가력하고 그 결과를 분석하였다. 실험결과 그루브 조인트가 적용된 입상배관에서 누수, 균열 등의 사용성 문제를 초래하는 손상은 나타나지 않았다.

이미지측정시스템을 이용하여 강재프레임의 각층과 입상배관의 지진에 취약한 요소인 엘보, 티에 대하여 변형각을 측정하였다. 모든 엘보와 티는 중심점을 기준으로 이음부에서 배관의 외경 거리에 위치한 변위의 좌표를 이용하여 변형각을 산정하였다. 각 층의 상부 엘보에서는 피팅-이음-배관의 조합에 의한 변형 형상을 분석하기 위하여 외경의 3배 떨어진 위치를 추가하여 변형각을 산정하였다. 변형각의 최대, 최소 및 폭은 Table 3에 나타내었다. 1층과 2층의 층간 변형각($\theta_{1}$, $\theta_{2}$)은 단방향 최대 약 1.3° 수준이며 최대 변형각의 폭은 약 2.6°이다. 1층에서 측정된 티($\theta_{3}$)와 엘보에서 측정된 변형각($\theta_{5}$, $\theta_{6}$, $\theta_{7}$)은 2층의 동일위치에서 측정된 변형각($\theta_{4}$, $\theta_{8}$, $\theta_{9}$, $\theta_{10}$)과 비교하여 크게 나타났다. 1층과 2층 동일 위치의 엘보의 최대 변형각에 대한 폭의 비는 $\theta_{5}$(엘보1)가 4.1, $\theta_{6}$(엘보2)이 7.5, 엘보2에서 외경의 3배인 지점(엘보2 3D)인 $\theta_{7}$은 7.1 로 나타났다. 2층과 비교하여 1층의 엘보 및 티의 변형각은 최소 4.1배에서 최대 7.5배 더 크게 측정되었다. 그루브 조인트가 적용된 입상배관에서 가장 큰 변형각이 발생한 위치는 1층의 $\theta_{7}$이며, 최대 변형각의 폭은 3.39°이다. 따라서 2층 강재프레임에 설치된 그루브 조인트가 적용된 입상배관의 변형은 1층에 집중됨을 확인할 수 있었다.

Fig. 10. Relative deformation angles

Fig. 11. 3-axis strain and von Mises stress measured at the elbow2

Fig. 11은 1층 엘보2의 3축 변형률과 이를 이용하여 산정된 von Mises 응력을 나타내었다. 엘보와 티의 최대 및 최소 변형률과 그 폭을 Table 4에 나타내었다. Table 4에서 1층 아래에 위치한 엘보1은 축방향(axial)의 변형률 폭이 가장 크며 1층 상부에 위치한 엘보2는 둘레방향(hoop)의 변형률 폭이 가장 크게 나타났다. 티는 축방향의 변형률 폭 보다 45°각도(cross)에서의 변형률 폭이 크게 나타났다. 2층과 비교하여 1층의 엘보와 티에서 측정된 변형률 폭이 크게 나타났다. 따라서 2층 강재프레임에 설치된 그루브 조인트로 연결된 입상배관의 지진으로 인한 변형은 1층의 배관에 집중되는 것을 확인할 수 있었다. Table 5는 배관의 재료인 KS D 3507의 탄성계수 (E: 193,000MPa), 포아송 비($\nu$: 0.29) 및 측정된 3축 변형률을 이용하여 산정된 von Mises 응력을 나타내었다(Kim et al., 2019)⁽⁹⁾. 2층과 비교하여 1층의 엘보에서 von Mises 응력이 크게 나타났으며, 엘보1에서 가장 큰 von Mises 응력이 측정되었다. 1층의 상부에 설치된 엘보2는 고정식 그루브 조인트와 유동식 그루브 조인트가 같이 사용되어 큰 변형각에 비하여 응력이 크지 않음을 확인할 수 있었다. 그러나 1층 엘보1은 고정식 그루브 조인트만을 사용하여 연결되어 비교적 큰 응력이 측정된 것으로 나타났다. 각각의 지점들에서 측정된 von Mises 응력은 배관 재료의 항복강도(200MPa) 이하이며 그루브 조인트가 적용된 입상배관의 내진성능은 충분한 것으로 나타났다.

6. 결 론

이 연구에서는 소방설비의 내진설계기준과 NFPA 13을 참조하여 2층을 모사하는 강재프레임을 제작하고 그루브 조인트가 적용된 입상배관을 설치하였다. 입상배관은 소방용으로 사용되는 일반적인 규격의 제품으로 각각의 층마다 2개의 엘보와 1개의 티를 포함하여 구성하였다. 반복가력실험은 건축물 내진설계기준의 최대허용층간변위를 고려하여 면내방향에 대하여 수행하였다. 실험결과 누수, 균열 등의 사용성 문제를 초래하는 손상은 발견되지 않았다.

이미지측정시스템을 이용하여 주요 구성 요소의 변형각을 측정하였다. 엘보와 티에서 측정된 변형각의 첫 번째 사이클에서 불연속점이 나타났으며 실험 종료 후 잔류변형각이 발생하였다. 이는 강재프레임의 거동으로 인하여 그루브 조인트가 적용된 이음부에서 길이 방향으로 변형이 발생한 것으로 판단된다. 1층의 상부 엘보의 변형각의 폭은 3.39°, 1층 아래쪽 엘보의 변형각의 폭은 1.29°이며 2층 엘보의 변형각의 폭은 0.5° 이하로 나타났다. 1층과 2층의 티의 변형각은 각각 1.26°와 1.08°로 1층의 티에서 발생하는 변형각이 2층보다 0.18° 크게 나타났다. 2층 높이의 구조물에 설치된 입상배관의 변형은 1층에 집중되며 가장 큰 변형각의 폭이 발생하는 위치는 1층의 상부 엘보로 나타났다.

엘보와 티에 설치한 3축 변형률 센서로부터 변형률과 von Mises 응력을 측정하였다. 측정된 1층의 최대변형률이 2층보다 크며 변형각과 달리 1층 아래쪽 엘보에서 측정된 변형률이 가장 크게 나타났다. 최대 von Mises 응력도 1층의 아래쪽 엘보에서 128.28 MPa로 가장 크게 나타났다. 1층 엘보의 최대 von Mises 응력은 2층 엘보 보다 2.6배 이상 크다. 각층의 상부에 설치된 엘보는 고정식 그루브 조인트와 유동식 그루브 조인트가 같이 사용되었다. 유동식 그루브 조인트가 변형에 대응하여 유연하게 거동하므로 큰 변형각에 비하여 응력이 크지 않은 것으로 나타났다. 그러나 고정식 그루브 조인트로 고정된 아래쪽 엘보는 비교적 큰 변형률과 응력이 측정된 것으로 나타났다. 입상배관의 각 지점들에서 측정된 von Mises 응력은 재료의 항복강도 이하로 나타났으며 내진성능을 만족하는 것을 확인할 수 있었다.

이 연구의 결과는 구조물의 층간변형에 따른 입상배관의 거동특성을 이해할 수 있으며 그루브 조인트가 적용된 입상배관의 지진안전성을 평가하고자 할 때 기초자료로 고려될 수 있을 것이다.