최근 지구촌 여기저기에서 화산폭발과 지진으로 인한 피해가 수시로 보고되고 있다. 우리나라도 지진 안전지대가 아니다. 지난 경주지진과 포항지진 피해로 인해 아직까지 두려움으로 인한 고통에서 벗어나지 못하고 있다. 피해복구에 미진한 부분도 있다.
지진은 피해를 최소화하는 것이 무엇보다 중요하다. 이를 위해서는 내진설계가 이뤄져야 한다. 내진설계는 지진이 일어났을 때 자체 하중과 횡압력에 버틸 수 있도록 구조물을 더 튼튼하게 짓는 것을 말한다. 철근 콘크리트 구조의 경우 철근을 더 많이 넣어 하중 강도를 높이거나 기둥 등 지지기반을 추가하는 등의 설계방식을 내진설계라고 부른다.
건물 내진설계도 중요하지만 건물 내 공조, 소방 등 다양한 기계설비들에 대한 내진설계도 중요하다. 대한설비설계협회와 기계비구조요소 내진설계에 대한 필요성과 중요성, 개선방안, 현장 내진설계 및 구조협업 사례 등에 대해 공동기획을 준비했다.
비구조요소 지진피해 커
대규모의 지진이 발생하면 지진피해사례는 비구조요소의 손상이 주요원인이다. 특히 국내와 같은 중진 지역에서는 지진피해의 양상이 비구조요소에 더욱 집중된다.
하지만 비구조 내진설계 시 장비기초는 구조체로 간주하고 장비가 기초를 이탈하거나 전도되지 않도록 내진설계를 진행하고 있으나 실제 장비기초는 지진 발생 후 기초가 자리를 이탈해 장비가 파손되고 장비와 연결된 배관의 파손을 초래하고 있다.
실제 지진피해가 발생하는 여러 나라에서 장비기초 내진설계가 이뤄지고 있으며 ASCE 7-10 코드를 참고해 제정된 국내 건축구조기준의 비구조요소 내진설계에는 장비기초 내진에 대한 부분이 없어 혼선을 초래하고 있다.
특히 건축만 내진설계가 적용됐다면 건축물 구조체는 강건하게 지진을 견디겠지만 비구조요소는 외부하중에 대한 저항능력을 갖지는 않는다. 소방, 통신, 수도, 전기, 가스, 기계설비 등의 고유한 기능을 보유하고 있어 손상 시 건축물 기능 상실을 유발해 2, 3차 피해를 일으키게 된다.
많은 금액을 들여 완공한 건물 중에서 재난상황을 방송해야 하는 방송국, 전력을 공급해주는 발전소, 재난피해 상황을 제어하는 지자체 청사, 지진으로 인해 대피한 학교 체육관 등에서 단수와 누수, 단전과 통신 마비, 추위와 더위 등 건물이 기본적으로 유지해야 할 제 기능을 못 하면 건물 내부에 사람들은 큰 불편을 감내해야만 한다.
이후 많은 민원과 함께 설계 및 시공의 책임도 뒤따를 것이기 때문에 법규가 다소 미흡하더라도 최소한의 요소들은 안전성을 확보해 낙하로 인한 인명피해, 가스폭발, 화재 등의 2차 피해까지 발생하지 않도록 해야 한다.
처음에 준비하지 않으면 지진 이후 재난폐기물 발생 및 처리비용, 피해 복구금액은 상당한 금액이 투자되고 기간도 많이 소요될 수밖에 없다.
업계의 관계자는 “FEMA E-74에 따르면 1971년 미국 San Fernando지진은 전체 피해액의 약 3%가 구조체 파손에 의한 것이며 나머지 97%는 비구조체 파손에 의한 것으로 보고됐다”라며 “지난 2016년 경주지진의 경우 비구조요소에 의한 피해는 전체 피해의 54%에 달하는 것으로 보고됐다”고 강조했다.
내진설계 도입 동향
2018년 11월 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙에 의거 구조안전 및 내진설계확인서에서 비구조요소 또한 내진설계대상임을 명확히 했으며 2019년 3월14일 국토교통부 제정한 KDS 41 17 00 : 2019 건축물 내진설계 기준으로 설계기준이 수립됐다.
특히 기계설비법이 제정됨에 따라 설비설계의 내진 중요성이 주목받고 있다. 건축물의 내진설계기준(KDS 41 17 00)에서는 비구조요소에 대한 내진설계 규정을 대폭 확충해 합리적인 내진설계가 될 수 있도록 세분화했으며 2021년 12월9일 국토교통부령 제919호에 따라 건축물의 구조기준 등에 관한 규칙이 일부 개정되며 내진대상이 되는 특등급 건물의 범위를 더욱 넓어지게 됐다.
당시 개정 이유로 국민의 건강정보, 금융정보 등이 구축·관리되는 데이터센터와 다수의 사람이 수용되는 교정시설의 중요도 등급을 상향해 안전관리를 강화하겠다고 강조했다.
특히 기계설비 기술기준 ‘[별첨12]방음·방진·내진설비의 설계 및 시공’ 기계설비설계의 적정성은 건축법 시행령 제 91조의 3 제2항 제2호에 따른 관계 전문기술자와 협의해야 하며 내진설계 책임구조기술사가 승인토록 명시하고 있다.
기계 비구조요소에 반영되는 내진설비의 경우 건축기계설비기술사 또는 공조냉동기계기술사가 기계설비시스템에 대한 적정성을 검토하고 내진설계 책임구조기술사와의 협업을 통해 설계승인이 돼야 한다.
업계의 한 관계자는 “현재 KDS 41 17 00 : 2019 건축물 내진설계 기준에서 제시된 비구조요소의 내진설계 관련내용은 내진설계를 위한 다양한 조건들을 제시하고는 있지만 실제 적용될 내진설비 방식이나 규격에 대해서는 설계자가 결정할 수 있게 돼 있다”라며 “배관위주의 소방내진과는 달리 다양한 형상과 시스템에 대한 현장시공이 가능한 내진장치가 필요하므로 건축구조 전문가와 협업을 통해 설계자가 결정한 시스템의 지진에 대한 안정성을 검토할 필요가 있다”고 지적했다.
국내 내진설계 제도상 문제점은
내진설계 법규 및 기준에서 설계주체는 건축구조기술자에게 있으나 건축구조기술자 입장에서는 승인된 장비로 공사가 진행될 때 검토하고 승인하는 단계를 내진설계로 인식하고 대응하는 상황이다. 문제는 여기서 발생한다. 국내 건설 입찰방식을 통한 발주조건에서는 모든 공정의 예산과 설계계산이 검증된 설계도서를 제출하게 돼 있다.
기계 비구조요소에 반영되는 내진설비의 경우 건축법 시행령 제91조의 3항에 의해 연면적 1만m² 이상의 건축물은 건축 기계설비기술사 또는 공조냉동기계기술사가 기계설비시스템에 대한 적정성을 검토하고 내진설계 책임구조기술사와의 협업해 설계승인이 되도록 해야 한다.
또한 내진 대상 건물의 경우 기계설비법에 의한 착공 전 확인서 작성 시 설계사가 확인하도록 기술기준에 명시돼 있다. 2022년 개정된 소방시설의 내진 설계기준 해설서에는 소방시설의 내진제품(시스템)의 내진설계는 소방시설설계업에 등록된 소방기술사 또는 기술사사무소, 건축구조기술사가 구조안정성(구조계산, 해석, 유연성, 기능 유지 등)을 확인하도록 개정됐다.
즉 제도상 건축구조기술자가 주체이지만 기능설계가 요구되는 기계, 전기, 소방 등 분야에서는 관련 기술자의 검토 협업의 중요성이 커지고 있다. 건축물의 용도 및 규모에 의거 결정된 건축물의 중요도 등급이 특등급인 경우 해당 건물에 내진설계 반영해야 하며 비구조요소의 중요도 계수(Ip)가 1.5인 경우 해당 설비에는 내진설계가 반영돼야 한다.
중요도 계수가 1.5로 산정되는 대상은 주로 화재 혹은 위험 물질의 노출 방지, 내진 특등급 건물 내 비구조요소 등 지진 후에 기능유지가 요구되는 것들이다.
특히 기능유지가 요구되는 기계 및 전기 비구조요소 제조자는 정밀해석과 진동대 실험 등을 통해 해당 설계지진 시에도 위험물질이 유출되지 않음을 증명해야 한다. 그러나 방송통신설비의 내진설계기준(전파연구원)이 유일한 동적 실험방법으로 고시돼 있으며 건축기계설비 및 전기설비 실물 진동대 실험 등을 통한 비구조재의 지진 위험성 평가 및 기준이 마련되지 않아 현실과 제도가 맞지 않는 문제점이 발생하고 있다.
개선방향은
이에 따라 엔지니어링 대가에 의한 정당한 내진설계 비용지급과 설계단계에서의 내진설계 반영이 시급하며 국가건설기준(KDS, KCS), 기계설비법 개정 시 정부의 기계, 전기 비구조요소 연구용역 결과를 반영해 설계, 계산, 승인, 시공이 명확히 정리될 수 있도록 통합 정비가 필요하다.
또한 정부에서 ICC-ES, ASME, ASCE, 등 비구조요소 내진성능에 대한 시험방법 조사연구를 통해 내진성능이 검증된 비구조요소 제품이 설치될 수 있도록 국내 진동대 실험 평가방법 및 시험기준 제정도 시급하다. 특히 장비는 내진성능이 인증된 제품 적용을 확대하는 의미에서 ER(Engineering Required)을 PR(Prescriptive)로 전환하고 내진설계를 확대해야 한다.
이는 결국 기계설비법 기계설비 기술기준 기계 비구조요소 성능기준을 추가 개정해야 하는 부분이다.
업계의 한 관계자는 “우수중소기업을 중심으로 기계 비구조요소 제품 및 기술개발, 기술 표준화가 이뤄질 수 있도록 제조사에 대한 지원이 절실하다”라며 “현재 소방시설의 내진기준이 제정된 이후 흔들림 방지 버팀대의 경우 KFI(한국소방산업기술원)인증 제도가 도입돼 시행되고 있으나 40개 이상의 제품 인증기업이 존재하고 있을 정도”라고 말했다.
이 관계자는 “외산 제품을 지양하고 국내 내수시장 활성화의 취지와는 별개로 최저가 제품만 반영되는 현실 속에 내진설계 프로그램 보유와 기술지원을 하는 국내 직접 제조시설을 보유한 업체는 소수밖에 존재하지 않는다”고 지적했다.
결국 저가 중국산 제품을 수입해 KFI인증을 취득하고 현장에 대응하고 있어 실제 중국기업만 수익을 창출하는 구조로 국내 소방 내진시장이 전락했다. 이에 따라 기계 비구조요소시장만큼은 앞선 선례를 되풀이하지 않고 K-기술로 지진에 대한 안전성을 확보하고 해당 무역 상대국의 기술장벽을 극복할 수 있도록 적극적인 우수중소기업의 수출지원 활성화가 무엇보다 시급한 상황이다.
국내 현장 내진설계 및 구조협업 사례
바닥 설치형 장비에 대한 내진설계는 크게 3가지 방식으로 구분될 수 있다. 먼저 내진 앵커 고정방식은 바닥 설치형 장비 중 내진 앵커로 바닥에 고정하는 방식으로 장비 진동이 매우 낮거나 전동기로 구동되지 않은 정적인 장비에 적용한다.
내진스토퍼 설치방식은 열원장비 내진 대상 장비 중 가장 높은 펌프는 작동할 때 발생 진동이 높아 부가하중식 방진베이스와 방진장치가 적용된다.
그러나 지진발생 시 방진기 적용으로 장비가 쉽게 이동, 전도될 수 있어 평상시 작동에 지장이 없도록 6mm 이내의 간격을 두고 4방향에 내진스토퍼 설치가 필요하며 내진스토퍼의 지진하중에 대한 안정성 여부에 대한 검토가 필요하다.
통상 장비의 내진스토퍼의 경우 운전중량에 의한 등가정적하중 계산방식에 의한 내진 계산서를 내진승인도서로 제출하면 된다.내진스프링 마운트 설치방식은 앵커와 내진스토퍼 방식과 달리 내진 스프링 마운트을 적용하는 방식으로 진동저감을 위한 스프링 마운트 자체가 변위를 제한하기 위한 시스템으로 구성돼 있다.
이에 따라 지진력에 의한 응력에도 안정성이 확보될 수 있도록 설계된 시스템이다. 내진 스프링 마운트는 별도의 내진스토퍼를 필요로 하지 않으므로 현장시공 시 공간확보가 용이한 것이 특징이다.
바닥설치형 장비에 대한 내진시스템은 설계 지진력이 가해졌을 때 발생하는 응력이나 변위값이 내진설비의 허용응력과 허용변위를 초과하는지에 대해 비교하며 문제가 없는 경우 해당 설비의 정착부는 지진에 대한 문제가 없는 것으로 판단하면 된다.
천정형 배관&장비 중 공통 가대용 내진 브레이싱은 천정에 설치되는 기계비구조요소로 대표적으로 장비, 배관, 덕트가 있다. 이중 배관과 덕트는 연속체로 구성돼 시스템의 중력 하중을 지지하기 위한 가대시스템으로 구성된다.
공통 가대는 현장에 따라 다양한 형태로 구성되며 2개의 수직부재로 구성된 단순 형태의 가대부터 복잡한 구조의 가대까지 다양하게 구성될 수 있다.
가해지는 지진력에 따라 발생하는 응력 및 변위가 다양해 가대를 보호하기 위한 브레이싱 시스템의 설치도 복잡하게 구성된다.
이러한 형태의 공통 가대는 단순한 수치적인 계산만으로 문제여부를 판단할 수 없으므로 건축구조전문가와 검토 협업을 통해 안정성 여부를 판단해야 한다.
고정형 브레이싱은 지진력에 의해 움직임이 발생하는 방향과 일치하도록 설치가 되면 인장과 압축에 대한 저항을 가질 수 있다. 또한 고정형 브레이싱은 성능이 검증된 KFI인정 제품을 공동 가대용 구조물에 설치 가능여부를 건축구조전문가와 협업을 통해 검토 후 적용할 수 있다.
비고정형 브레이싱은 고정형과 달리 인장에 대한 저항만을 가지기 때문에 세장비에 대한 제한사항이 없으므로 현장 여건에 맞춰 자유롭게 길이를 조정해 설계할 수 있다. 또한 와이어로프의 시험성적서에 대한 DATA를 기준으로 건축구조전문가와 협업을 통해 규격을 결정할 수 있다.
천정설치용 장비 내진시스템은 천정에 설치되는 기계비구조요소 중 장비의 경우에는 전산 로드로 고정되는 방식이 있다. 전산 로드로 고정되는 방식의 경우 등가정적하중 계산식을 적용한 내진계산서로 안정성 여부를 검증할 수 있다.
이 경우 고려해야 할 부분은 지진력에 의해 전산 로드의 좌굴이 발생해 변경되는 것을 방지하기 위한 로드 보강대와 변위를 제한하기 위한 브레이싱이 필요하며 브레이싱 설치는 내진인증을 받은 내진앵커를 적용해야 한다.
천정에 전산 로드를 이용해 고정될 때는 장비 상부에 덕트, 배관 등의 간섭 물로 인해 장비를 고정하기 위한 전산볼트가 정위치에 설치되기 어려운 문제점이 발생할 수 있다. 이 경우 2단 가대를 이용해 천정의 전산 로드 고정부를 설치 가능한 위치로 배치하며 천정형 장비를 연결하기 위한 2차 프레임을 구성해 장비를 고정할 수 있다.
장비를 고정하기 위한 2단 가대에 대한 구조 검토가 진행돼야 하며 2단 가대가 구조적으로 문제가 없는 경우 장비의 설치가 허용될 수 있다. 천정에 전산 로드로 고정될 때는 장비의 변위를 제한하기 위한 브레이싱의 설치가 필수이며 이에 따라 주변의 다른 비구조요소들과 간섭으로 인해 설치가 어려운 경우 전산 로드에서 구조 형강으로 방식을 변경할 수 있다.
천정형 배관&장비 중 공통 가대용 내진 브레이싱은 천정에 설치되는 기계비구조요소로 대표적으로 장비, 배관, 덕트가 있다. 이중 배관과 덕트는 연속체로 구성돼 시스템의 중력 하중을 지지하기 위한 가대시스템으로 구성된다. 
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