기호설명

하첨자

1. 서 론

최근 발생한 지진들은 발전소, 병원, 산업 시설과 같은 중요 시설에서 구조 요소에 비해 비구조 요소가 상대적으로 더 큰 피해가 발생하는 경향이 있다. 이러한 비구조 요소의 손상은 기능적 연속성을 심각하게 저해하며, 재난 대응과 회복력 측면에서 중요한 장애 요소로 작용한다.

스프링클러 설비 배관은 건축물 내에서 화재 확산을 억제하고 인명 및 자산을 보호하는 핵심적인 비구조 요소로서, 대규모 지진 이후에도 정상적으로 작동되어야 한다. 그러나 기존의 지진 피해 사례들을 통해 배관 시스템은 비구조 요소 중에서도 특히 취약한 부위로 반복적으로 보고되고 있으며, 그 손상은 직접적인 기능 상실뿐만 아니라 2차 피해로 이어질 수 있다.^(1,2)

1994년 노스리스(Northridge) 지진 당시, HVAC 시스템, 스프링클러 배관, 급수 배관 등 다양한 유틸리티 설비 배관에서 호칭경 25 mm 미만의 배관이 광범위한 손상이 발생하였으며, 이에 따라 병원 건물의 일시적인 폐쇄 및 대피가 발생하였다. 2010년 칠레 중남부 지역에서 발생한 대지진 역시 이와 유사한 양상을 보였다. 해당 지역의 4개 병원이 완전 가동 불능 상태에 빠졌고, 12개 병원은 전체 기능의 75% 이상을 상실하였으며, 이는 대부분 천장재, 조명기구, 스프링클러 배관 시스템과 같은 비구조 요소의 손상에 의한 것이었다. 주요 공항 역시 스프링클러 누수 및 비구조 요소의 손상으로 인해 폐쇄되었다. 1995년 일본 고베 지진에서는 배관 연결부와 고정장치가 손상되어, 1,600건 이상의 누수가 발생하였다. 일본 소방청에 따르면, 지진으로 인한 배관 시스템의 손상은 주로 Support, flange, Welding joint, Thread joint, Grooved coupling과 같은 연결부위에서 발생하는 것으로 나타났다. 이러한 손상의 주요 원인으로는 배관의 상대 변위, 횡 변위, 건축 구조물의 변형, 연결부위 과도한 변위 등과 같은 비선형 거동에 의한 원인으로 나타났다.

대한민국에서 발생한 2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진에서도 소방, 가스, 수도 배관 계통에서도 유사한 피해가 발생하였으며, 손상 위치는 일본 사례와 유사한 양상을 보였다.⁽³⁾

이와 같은 사례들은 소방시설 배관의 내진 안전성 평가의 중요성을 부각시키고 있으며, 구조 해석의 정밀도 향상과 설계 기준 강화로 이어지고 있다. 특히, 배관 연결부의 내진 성능 검토는 필수적인 요소로 인식되고 있다.

소방시설 배관의 대표적인 연결 방식인 Grooved coupling(Fig. 1), Welding joint(Fig. 2), Thread joint(Fig. 3)는 각각 시공성, 경제성, 유지관리 측면에서 장단점을 가지며, 지진 하중에 대한 반응 특성 또한 다르다. 특히 연결 방식의 유연성과 강성은 소방시설 배관 시스템의 거동에 큰 영향을 미치므로^(2,3), 내진 성능 평가에 있어 체계적인 비교 분석이 요구된다.

Grooved coupling은 일정 수준의 변형을 허용하며 지진 하중을 분산․흡수하는 장점이 있지만, 변위가 임계값에 도달할 때 간극이 닫히며 강성이 급격히 증가하는 비선형 거동이 발생한다.^(4-6) 이와 같은 비선형 특성은 실제 구조물의 지진 응답을 정확히 예측하는 데 큰 영향을 미친다. 여러 연구에서도 Grooved coupling의 횡 변위에 따른 지진 취약성이 보고된 바 있다.⁽⁷⁾ 그러나 대다수 제조사의 기술자료는 변형률(Strain) 및 유연성 계수(Flexibility factor) 중심으로 작성되어 있으며, 구조 해석에 필수적인 하중-변위(Force-Displacement) 곡선이나 강성 특성 데이터는 제공되지 않는 상황이다. 이러한 자료 부족은 해석 모델이 Grooved joint를 단순 선형 스프링으로 이상화하고, 강성 변화나 응력 집중 현상을 반영하지 못하는 한계를 발생한다.

본 연구에서는 소방시설 배관 시스템에서 가장 많이 사용하는 세 가지 연결 방식에 대해 Bentley사의 AutoPIPE 프로그램을 활용한 정적 지진 해석(Static seismic analysis) 방법을 적용하여, 세 가지 배관 연결 방식별 하중, 변위, 응력 특성을 비교․평가하였다. 특히 Grooved Coupling 변위에 따른 하중과 모멘트, 응력 집중 발생 여부를 중점적으로 분석하였다. 내진 평가 방법은 ASME B31.1 Code 기준에 의하여 평가를 진행하였으며, 유연성 계수 및 응력 집중 계수(Stress Intensification Factor)도 기준에 명시되어 있는 계수를 적용하였다.

해석에 적용된 지진 조건은 Earthquake-1, Earthquake-2, Earthquake-3의 세 가지 지진 하중 케이스로 구분되며, 각각 구조물의 X-Y, Y-Z, X-Z 축 방향으로 작용하는 하중 조합을 의미한다. 이러한 조합은 실제 지진 발생 시 구조물에 작용하는 다양한 방향의 하중을 반영하기 위한 것으로, 각각의 하중 조합 구성은 Fig. 4에 제시되어 있다.

본 연구는 이러한 내진 해석을 통해 소방시설 배관 연결 방식에 따른 구조적 거동과 내진 성능에 미치는 영향을 정확하게 파악함으로써, 소방시설 배관 연결 방식의 선택 기준과 내진설계 및 해석 시 실무적 적용을 위한 기초 자료를 제공하는 데 기여하고자 한다.

Fig. 1 Grooved coupling.⁽⁸⁾

Fig. 2 Welding joint.

Fig. 3 Thread joint.

Fig. 4 Seismic load combination based on coordinate axes.⁽⁹⁾

2. 이론적 배경

2.2 그루브 조인트의 이선형 모멘트-회전 관계

Grooved coupling은 소방시설 배관 및 건축설비 배관 시스템에서 두 파이프 조인트 간 회전을 허용한다. 이러한 Grooved coupling은 일반적으로 2.5° ~ 3.5° 범위의 회전을 흡수할 수 있으며, 이 범위를 초과할 경우 조인트 간 간격(Gap)이 닫히고 회전 강성(Rotational stiffness)이 급격히 증가하는 이선형(Bi-linear) 거동 특성을 나타낸다. 이러한 Grooved coupling의 굽힘 거동은 Fig. 5와 같이 이선형 모멘트 회전관계(Bi-linear moment rotation relationship)로 표현할 수 있으며, 초기 구간에서는 상대적으로 낮은 강성으로 작용하다가 특정 회전각 이상에서 강성이 급격히 증가하는 구조적 특성을 갖는다.⁽¹³⁾ 해당 그래프는 Grooved coupling의 회전 변형에 따른 모멘트 발생 특성을 나타내며, 전체 거동은 다음과 같이 네 개의 구간으로 구분된다.

- CR(Clearance Region) : Coupling 간 간극이 존재하여 회전 저항이 거의 없는 구간.

- Y(Yield Point) : Coupling 간 접촉이 시작되어 강성이 발현되기 시작하는 지점.

- M(Maximum Moment) : 최대 모멘트에 도달하는 구간으로, 이후 강성 저하 발생.

- NC(Near Collapse) : 구조적으로 붕괴에 근접하는 손상 영역.

Grooved coupling의 유연한 거동을 해석 구조 프로그램에 정확히 구현하기 위해서는, Coupling의 이선형 특성에 대한 구체적인 물성값이 확보되어야 한다. 초기 회전 구간에서는 낮은 강성을 가지며, 일정 회전각(약 3.3°) 이후 간극이 닫히면서 강성이 크게 증가하는 이선형 거동 특성을 보인다. Fig. 6 그래프와 같이 초기 하중 단계(회전각도 3.3°, A-B 구간)에서는 회전강성 값이 252.18 N․m으로 유연한 성질을 가지고 있지만, 간극이 닫힌 이후(회전각도 3.3° 초과, B-C 구간) 회전강성은 11603 N․m로 증가한다. 여기서 회전각 3.3°는 Zulfiqar의 기술보고서에서 제시된 예시 모델의 기하학적 조건에서, 유연 커플링 중심부에서의 회전에 따라 Tie-link 말단부에서 변위가 발생하는 조건을 기준으로 설정된 값이다. 이 값은 실험 또는 제품 스펙상의 직접 측정값은 아니며, 비선형 모델링 구현을 위한 이론적 해석 기반의 기하학적 유도 값으로 활용된다.⁽¹⁴⁾

Grooved coupling과 같은 유연한 커플링을 해석하기 위해서는 이선형 거동특성 범위 내에서 제작사 카탈로그 및 기술보고서를 참조하여 Y-shear, Z-shear, torsion, Y-bending, Z-bending 등의 특성치를 선정하고 입력 변수로 적용해야 한다.

간극 폐쇄 이후의 강성 증가 구간은 Fig. 7에 나타낸 바와 같이 타이 링크(Tie-link) 프레임 구조를 통해 모델링 되며, 이때의 스프링 강성은 회전에 의해 발생하는 링크 변위를 기반으로 식(3)을 이용해 계산된다.⁽¹²⁾

(3)

$K_{t}=\dfrac{F}{\triangle}$ where F=$\dfrac{\delta M}{2l},\: \triangle =l\bullet\sin(\delta\theta)$

Fig. 5 Idealization of moment-rotation relationship.

Fig. 6 Bi-linear moment-rotation relationship of grooved coupling.

Fig. 7 Grooved coupling tie-link modeling.

3. 연구 방법

3.1 내진 해석 시나리오

본 연구에서는 Fig. 8에 제시된 트리형(Tree-type) 스프링클러 배관 배치를 기반으로 소방시설 배관 연결 방식에 따른 내진 성능을 평가하였다. 배관 지지장치(Hanger, U-bolt)와 횡방향, 종방향, 가지 배관용 Seismic Brace는 소방시설 내진설계 기준을 준용하였으며, 내진 평가는 Bentley사의 AutoPIPE 2023 프로그램을 활용하여 수행하였다.

소방시설 배관 연결방식에 따른 내진 성능 평가를 위해 Table 1과 같이 세 가지 Scenario를 구성하였다. Scenario 1은 우수한 유연성을 갖는 Grooved coupling 방식을 적용한 모델이며, Scenario 2는 배관 연결 방식 중 강도(Strength), 강성(Stiffness) 측면에서 우수한 성능을 보이는 Welding joint를 적용하였다. 마지막으로 Scenario 3은 시공성 및 경제성이 우수한 Thread joint을 적용한 시나리오이다.

Fig. 8 Tree-type layout of fire protection systems.

Table 1 Classification of scenarios by piping joint method

Division	Connection Type	Remarks
Scenario 1	Grooved Coupling	High flexibility
Scenario 2	Welding Joint	Excellent strength and stiffness
Scenario 3	Thread Joint	Superior constructability and cost-efficiency

4. 해석 결과 및 분석

본 논문에서는 서로 다른 배관 연결 방식인 Welded joint, Grooved coupling, Thread joint에 대해 Autopipe를 활용하여 정적 지진하중을 적용한 구조해석을 수행하였다. 해석 결과는 Fig. 9에 제시된 바와 같이, 세 가지 접합 방식은 지진 하중 조건 별로 서로 다른 응답 특성을 나타냈다. Welded joint는 전체 하중 Load case에서 가장 낮은 응력비를 보이며, 이는 가장 강성이 높은 구조적 연결 방식임을 시사한다. 반면, Thread joint는 각 Load case에서 가장 높은 응력비를 나타냈으며, 특히 Earthquake-3 하중 조건에서 47% 이상의 최대 응력 비율을 나타냈다. 이러한 결과는 Thread joint에서 발생하는 응력 집중 현상이 주요 원인이다.

Grooved coupling은 Earthquake-1 조건에서는 Thread joint와 유사한 응력 수준을 보였지만, Earthquake-2, Earthquake-3 조건에서는 상대적으로 안정적인 성능을 나타냈다.

Fig. 10은 서로 다른 지진 하중 조건 하에서 변위 응답값(Displacement)을 비교한 그래프이다. 각 지진 하중에서 Grooved coupling 방식이 가장 큰 변위 응답을 보였으며, 최대 38.43 mm에 도달하였다. 이는 Grooved coupling의 유연한 연결 특성으로 인해 하중을 효과적으로 흡수하면서도, 상대적으로 더 큰 변형을 허용하기 때문이다. 이는 구조적으로는 완화 효과를 가지지만, 과도한 변위는 접합부 누설이나 구조적 손상 가능성을 내포한다. 반면 Welded joint, Thread joint는 유사한 응답 패턴을 나타냈으며, Earthquake-1, Earthquake-2 하중조건에서 변위가 24.3 ~ 24.4 mm 수준으로 유지되었다. Thread joint는 구조적 취약점에도 불구하고, 일정 수준의 강성을 유지하며 변위 응답이 안정적으로 나타났다.

아래 Table 5는 소방시설 배관 내진 해석을 통해 산출된 각 Scenario별 최대 힘(Force) 및 모멘트(Moment) 값을 정리한 것이다. 해당 결과는 지진 하중 작용 시 배관 연결 방식에 따른 구조적 차이를 분석하는 데 핵심적인 자료로 활용된다. 특히 Grooved coupling이 적용된 Scenario 1에서는, 일정 변위 범위 내에서는 유연하게 거동하지만, 상대적으로 큰 힘과 모멘트가 발생하였다. 이는 Gap이 닫히는 임계 변위에는 도달하지 않았으나, 초기 스프링 강성에 의해 일정 수준 이상의 저항력이 작용한 결과로 해석된다.

반면, Scenario 2와 Scenario 3은 각각 Welding joint와 Thread joint를 적용하였음에도 불구하고, 모든 지진 하중 조건에서 최대 힘 및 모멘트가 동일하게 나타났다. 이는 내진 해석 모델에서 두 연결 방식에 동일한 유연성 계수(Flexibility Factor)를 적용하였기 때문에 구조 강성 차이가 반영되지 않았기 때문이다.

이러한 분석 결과는 단순한 수치 비교를 넘어서, 실제 배관 시스템 설계 시 고려해야 할 중요한 기준으로 적용할 수 있다. 특히 Table 5에서 제시된 최대 Force 및 Moment 값은 배관 서포트(Hanger, Seismic brace) 및 앵커 부재(Anchor component) 설계 시 기준 하중으로 활용되어야 하며⁽¹⁸⁾, Grooved coupling과 같이 비선형 거동을 수반하는 요소에 대해서는 충분한 여유 강도 및 변위 허용성을 고려한 설계가 필요하다.

Fig. 9 Comparison of stress ratios for different piping connection types under seismic load case.

Fig. 10 Comparison of displacements for different piping connection types under seismic load case.

4. 결론 및 향후 연구 방향

본 연구는 소방시설 배관 시스템에 적용되는 다양한 연결 방식(Grooved coupling, Welding joint, Thread joint)에 대해 내진 해석을 수행하고, 지진 하중 조건에서 내진 성능을 비교․분석 하였다. 특히 Grooved coupling의 비선형 거동 특성은 모멘트-회전 관계를 이선형 모델로 이상화함으로써 구조 해석에 적용되었으며, 이를 기반으로 정적 하중 조건에서의 연결부의 강성 변화와 응력 비율을 평가하였다.

해석 결과, Grooved coupling은 유연한 연결 특성으로 인해 지진 하중에 대한 변위를 상대적으로 흡수하는 경향을 보였으며, 최대 변위는 크게 나타났으나, 응력은 일정 수준 이하로 유지되었다. 다만, 특정 조건에서 간극이 폐쇄되고 Tie link가 작동할 경우, 연결부의 강성이 급격히 증가하면서 일부 구간에서 응력이 상승하는 특성이 확인되었다. Thread joint는 연결부의 강성이 높아 변위는 제한적이었지만, 상대적으로 높은 응력이 발생할 가능성이 있어 구조적 취약성에 대한 고려가 필요하다.

이러한 분석 결과는 배관 연결 방식이 내진 성능에 직접적인 영향을 미친다는 점을 시사하며, 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.

(1) Welding joint는 소방시설 배관의 강성 확보 및 내진 성능 측면에서 가장 안정적인 연결 방식으로 나타났다.

(2) Grooved coupling은 일정 수준의 유연성을 제공하여 변위 흡수에 유리하나, Tie link 작동 이후 급격한 강성 증가로 인해 응력이 증가할 수 있으며, 이에 따른 해석을 위해서는 비선형 거동의 반영이 필수적이다. 특히 큰 변위를 수반하는 구간에서는 구조적 안전성 확보를 위한 지진 조건(Seismic brace)에 대한 검토가 필요하다.

(3) Thread joint는 지진으로 인한 변위는 작으나 세 가지 연결 방식 중 가장 큰 응력 집중 비율이 발생하였으며, 내진 설계 시 정밀한 응력 검토를 통한 내진 안전성 확보가 필요하다.

본 연구 결과는 플랜트, 가스설비, 발전소와 같은 중요 국가 기반 시설에서는 신뢰성 확보를 위해 Welding joint 방식의 채택이 내진 안전성 측면에서 유리함을 시사한다. 반면 일반 건축물의 소방시설 배관에서는 단순한 강도 기준뿐만 아니라, 시공성, 경제성, Sealing 성능, 변형 허용률을 함께 고려한 합리적인 연결 방식 선택이 중요하다.

Grooved coupling 해석의 경우 대부분의 기술 문서와 카탈로그는 변형률(Strain) 또는 유연성(Flexibility) 계수 기반 데이터 위주로 제공되고 있어, 실제 구조 해석에 필요한 하중-변위 곡선, 스프링 강성 변화 특성과 같은 물성 정보가 부족한 실정이다. 이에 따라 Grooved coupling의 비선형 거동을 정밀하게 반영하는 모델링에 한계가 존재하였다. 이러한 해석 정확도를 위해 다음과 같은 후속 연구가 필요하다.

(1) 구조 해석의 정밀도를 높이기 위해, Grooved coupling의 비선형 응답 특성을 반영한 해석 모델 정립이 필요하며, 이를 위해 제조사에서 하중-변위 관계 곡선, 단계별 강성 변화 특성, Grooved Coupling 작동 전후 응답 정보 등 상세 물성 데이터를 제공해야 한다.

(2) 실제 Grooved joint의 작동 조건을 모사한 실험을 통해 하중, 변위, 강성 값 등을 측정하고, 이를 기반으로 한 모델 검증이 이루어져야 한다.

(3) 더 나아가, 다양한 연결 방식에 대해 응답 스펙트럼 기반의 해석을 수행하여, 소방시설 배관 연결 방식별 신뢰성 확보를 동적해석 차원에서 내진 성능 평가가 필요하다.

본 연구는 Grooved Coupling의 유연성 기반 연결 방식이 갖는 구조적 장점과 한계를 동시에 제시함으로써, 향후 실험 기반 검증을 통한 정밀 해석 체계 개발의 필요성을 강조하였다. 이러한 노력이 병행될 경우, 지진과 같은 외력 하에서의 배관 연결부 거동을 보다 현실적이고 신뢰성 있게 예측할 수 있을 것으로 기대된다.