The Study on the Necessity of Seismic Design for Fire Protection System and the Establishment of Standard

소방시설 내진설계의 필요성과 기준정비에 관한 연구

The Study on the Necessity of Seismic Design for Fire Protection System and the Establishment of Standard

신이철·한병찬*·박선규**·이현진***·권영진***

Yi-Chul Shin · Byung-Chan Han* · Sun-Gyu Park** · Hyun-Jin Lee*** · Young-Jin Kwon***

호서대학교대학원, *(^주)AMS Eng.,

**목원대학교 공과대학건축학부, ***호서대학교 소방방재학과

(2008. 6. 23. ^접수/2009. 4. 16. ^채택)

요 약

최근세계적으로대규모지진들이발생하고있다. ^{이러한지진의피해는진동에의한피해보다지진으}

로소방시설이기능을상실하여전기및가스설비의파손으로발생하는화재를진압하지못한 2^차적피해

가더크다. 따라서현재우리나라의지진발생추이를확인할필요가있다. 본연구에서는미국과일본 의소방시설의지진피해사례및내진설계기준을분석하였으며, 우리나라와유사한미국의기준과비교 한결과소방시설내진설계기준의적용범위가우리나라의건축구조물의특성에매우비효율적인것으로 나타났다. ^{이에따라국내현실을감안하여적용범위를설정하도록제안하였다}.

ABSTRACT

In this paper, provisions related with the seismic design and equipments of fire protection system are being considered. The provisions from various international codes on seismic design fire protec- tion system were reviewed. The codes, reviewed are, Japanese code, NFPA guideline and Korean Code. It is noted that all the codes excepted to Korean Code consider earthquake effect to evaluate seismic forces and behaviors. But, korean provision are not covered in seismic response in all. A brief description on limitations in Korean Code is also presented.

Keywords :Seismic design, Fire protection System, Earthquake

1. 서 론

1.1연구목적및필요성

최근중국의쓰촨성지진과더불어수년간세계적으 로대형지진이빈번히발생하여큰인명및재산피해 가 발생하고 있어 국내에서도 지진의 위험성에 관한 관심이 증대하고있다.

한국은지진에비교적안전한곳으로 볼수있으나,

한국의지진기록을살펴보면현재는휴지기에속하며,

다수의활성단층에서지진발생가능성이상존하고있 다는것을알수있다. 특히적은규모의 지진이발생 하여 구조물이붕괴되지는않더라도소방시설이 지진

에의해선파손되어기능을상실한다면, 건물내 화재 발생시 진압이 원활하지 못해 인적·물적피해가 증

가할수있다. 실제 1906년미국 샌프란시스코 지진

의경우지진피해중에서약 90% ^{정도가화재로인한}

것이었으며, 1995년의일본고베지진에서도도시의중 심지역에서대규모 화재가 발생하여인명 및재산피 해가적지 않았다. 이와같은 지진시화재에 의한 2

차피해를줄이기위해서소방시설의내진설계는반드 시필요하며, 소화능력을보유·유지시키는것이 중요 하다고할수있다.

1.2연구의내용및범위

소방시설의 내진설계의 개념은 내진성능이 향상된 소방시설의경우지진재해시피해가발생하더라도기

†E-mail: eecholee@nate.com

능을 수행 할수있다는 것이다. 이는 화재로부터건 물과 인명을 보호하고, ^{이를 통해대응 및회복 시간}

을 단축시키며 종국적으로 도시 전체의 복구 기간을 단축할 수있게된다. ^미국, ^{일본등선진외국의경우}

오래전부터 건물의 내진설계는물론소방시설이나 기 타 비구조 설비에 대한 내진조치를 의무화하여 지진 발생시화재피해에 대비하도록하고있다. 국내에서 도몇년전부터 주요산업시설물들의내진설계필요 성에대한 의식과함께기준 마련및법제화등의제 도화가 진행되고있다. ^{하지만소방관련시설및설비}

에관한내진설계 규정이나기준은 마련되어 있지않 은실정이다. 따라서소방시설의내진설계기준을도출 하고 이를의무화하기위한적절한 방안마련이 시급 한상황이다.^5,10)

본연구는국외 지진시소방시설의피해사례에대 하여 알아보고 국외 내진설계 관련법 분석을 토대로 국내소방시설내진설계의현실태의문제점을분석하 고기준의발전방향을 모색하고자한다.

2. 소방시설의 지진피해 사례조사

2.1미국캘리포니아로스릿지지진

1994년 1월 17일 산페르난도의 로스릿지에서 규모

6.8의강진이 발생하여 LA 전지역에 큰 지반운동이

일어났다. 이지진으로 58명의사망자와 1,500명의부

상자가발생하였으며, 80,000~125,000에이르는건축물 과구조물들이붕괴되거나파손되었다.

본지진에있어소방시설의피해중가장큰특징은 수직방향의가속도에의하여스프링클러설비가큰피 해를받아화재를 효과적으로진압하지못한것이다.

피해 상황을 자세히 정리하면 소방시설의 각 구성 부품이천정이나벽등과같은강한구체와의서로다 른흔들림에의해서파손되었고, ^{분기관주변의이동}

에의하여 관통하고있는관의공간부족으로 배관조 인트 나사부가 심각한 피해를 입었다. 또한 취약하거 나부적절하게시공된브레이스의파괴는스크류조인 트의파괴및배관의이동에 기여하였다.

2.2일본효고현남부지진

1995년 1월 17일효고현남부의고베시, 니시노미야 시, ^{아시야시 등넓은 범위에서진도} 7^{이상의 강진이}

발생하였다. 건물, 고속도로, 철도 고가의 도괴, 화재,

토사 붕괴 등이 잇따랐다. ^{새벽시간에발생하여 발화}

요인이상대적으로적었음에도불구하고, 효고현각지 에서 화재가 일어났으며, ^{특히 고베시 중심부의 밀집}

상가등에서수일간화재가발생하여대규모도시화재 로발전하였다. 이로인한 사망자는 5,450명이상, 부

상자는 26,800^명이상, ^{건물파괴는} 10^{만건에이르는}

것으로보고되었다.

본지진의특징은 수도, 전기, 가스등의라인이 곳 곳에서 단선되어철도및고속도로등도불통이 되었 으며, ^{복구에 반년이상이소요되었다}.

소방시설의손상유무에따른손상율을종류별로 Figure 1^{에나타내었다}. ^{손상율은스프링클러및방화문}, 포소 화설비, 실내소화전설비가높은것으로나타났다. 즉,

손상율이 큰순서로 살펴보면, 스프링클러 40.8%, 방

화문 30.7%, 포소화설비 24.1%, 옥내소화전 23.7% 순

이었다.

3. 우리나라의 지진발생 추이전망

최근한반도의지진활동을살펴보면, Figure 2와같 이연평균발생건수가과거약 20회에서 90년대 들어

35회로증가하는추세이다. 1978년지진관측이본격적

으로시작된이후현재까지국내에서발생된규모 5.0

이상의지진은 1978년속리산지진과홍성지진을 시작

으로의주, 백령도, 울진지진등을들수있다. 이러한 지진으로 인한 피해는 일본에 비하여 상당히 적으나 이는남부지방의경우에해당되며중부지방인서울등 에서발생할경우그피해는매우클것으로예상된다.

4. 국내외 소방시설 관련 내진기준

4.1미국의소방시설내진설계기준

미국은 소방시설의 내진설계를 위하여 화재기준과 건축기준을동시에참고해야한다. 즉내진하중및구 조물 관련 기준은 건축기준을 참고하고, 설비의 내진 Figure 1. Damage of fire protection system.

설계상세는 화재기준을참고해야한다. (Table 1)

미국의소방시설의내진해석및설계와관련하여적

용 기준을 분석하면 설비에 대한 지진력은 SEAOC

(1996), NEHRP(1997) ^및 IBC(2006)^{의식에따라서계}

산한다. 또한 설비기기에 대한 설계 가이드라인으로

IBC(2006)^{은배관설비에대한지진하중계산식을규정}

하여배관을간편설계할수있도록규정하고있다.⁶⁾

스프링클러 설비관련 내진기준은 NFPA 13^{에 내진}

설계에있어커플링, 분리, 이격, 내진브레이스의기준 을규정하고있다.⁷⁾

이러한내진설계기준의적용범위는 Table 2와 Table 3에나타낸바와같다. 미국에서는기본적으로약진지 역을제외한모든지역의소방시설에대하여내진기준 을적용하도록 하고 있으며, 내진기준 적용의 정도는 도입하는 지진하중의크기를통해이루어지고있다.

Figure 2. Frequency of occurrence of earthquake.

Table 1. Application Standard for Seismic Design of Fire Protection System (U.S.A)

화재기준 건축기준

· UFC

· IFC

· NFPA 13(2002)

· (2007)

· ASCE 7-02 (9)(9.6.3.11.2)

· ASCE 7-05 (13)(13.6.8.2)(13.6.8.3)

· IBC(2006) (1613.5.6)

· NFPA(5000)

· CBC(2001) (1632)(1632.5)

Table 2. Scope of Application on Seismic Design of Fire Protection System (U.S.A)

기준 내용

NFPA 13 · ^{스프링클러설비또는지상의소방시설배관은지진에의해손상을받지않도록조치해야한다}.

· ^{다만동적내진해석에의하여설비의성능이}, ^{설비가설치되는구조물의성능과동동이상임을확}

인하는경우에는적용되지않는다.

IBC 2006

· 모든구조물은지진운동의효과에저항할수있어야한다. 다만, 지진설계그룹‘A'의경우에는구

조요소에만지진운동효과에대하여저항할수있도록한다.

· 스프링클러설비의내진설계제외대상은다음과같다.

· - 매우적은지반가속도(지진등급참조)

· - 구조물이내진설계그룹 ‘A’ 또는 ‘B’에있는경우에대하여다음조건에해당되는경우

① 구조물이 ASCE 7에의해설계되는경우

② 단주기응답스팩트럼에대한지진그룹 ‘A’, ‘B’, ‘C’의내진설계 102.2절에대한단독또는 2개주거

③ 목구조의내진저항시스템에대하여 1616.1절에규정되어있는해석이요구되지않는 2308

절규정을만족할때

④ 농가구창고구조물로써 1613-1623절의조건을만족할때

⑤ 지진등급(Mapped)상, 구조물이단주기응답스팩트럼가 0.15g 이하이거나, 1초주기이 0.04g

이하일때(내진설계그룹 ‘A’)

⑥ 지진설계(Design)상, 구조물이응답스팩트럼가 0.167g 이하이거나, 1초주기이 0.04g 이하 일때(내진설계그룹 ‘A’)

4.2일본의소방시설내진설계기준

일본의 법체계는우리나라와유사하게 건축법과소 방법으로 양분화 되어 규정하고있다. 소방시설에 관

한 내진설계 규정은 Table 4^{와 같이「소방법 시행규}

칙」의 9항에명시하고 있으며, 자세한 사항은「소방 용설비 등의운용기준」에서이런 유효한조치의 내 용을구체적으로제시하고 있다.

일본의 소방시설에관한 내진설계규정은 소방시설 관련법과 기준 등에서 내진설계요건의 기본사항만을 제시하고 상세한 내진설계 기술기준은 주로「건축설 비내진설계·시공지침(2005)」를참조하도록 규정하 고있다.

일본에서 소방시설에 대한 내진지침으로 운용하고 있는 「건축설비 내진설계·시공지침(2005)^」에관하

여상세히 살펴보면지진의피해를 교훈으로 하여수 정·보완 되어져 왔다는 것을 알수있다. 지상 60m

이하의 건축물에 있어서 건축설비 내진의 안전성은

1978년미야기현지진의건축설비등의피해를교훈으

로하여 「건축설비내진설계·시공지침(1982)」를제 정하였다. 지침에서는진도 6 정도를가정하여허용응 력도법에의해설계하도록하였으며, 설비기기의지진 입력값은 국부진도법에 의해 구하도록 하였다. 이후

1995년효고현남부대지진의피해로인해건축용도와 의 관련을 고려하면서, 동시에 설비가 전체적으로 균 형있게내진설계·시공되도록해야한다는필요성이

제기되었다. 이에따라 「건축설비내진설계·시공 지

침(1997)^{」에개정되었으며},^{9)이후단위계 등의소폭을}

수정하여 「건축설비 내진설계·시공 지침(2005)」로 현재이용하고있다.⁸⁾

4.3우리나라의소방시설내진설계기준

최근사회적으로 부각된학교시설에 대한내진보강

사업이 2009^{년부터본격적으로시작되는국내의 건축}

설비내진설계관련 기준은 1988년에제정된 ‘건교부

의 건축물의구조기준 등에 관한 규칙’ 제 14조 9항

‘비구조 부재및건축설비의내진설계’에관한규정에 서언급하고 있다. 그러나 구체적인 기준이 제시되어 있지 않으며, 내진설계 시간단한 조치사항만 언급되 어있다고 할수 있다. 또한 설비의 내진대책은 해당 분야전문가의판단에의해안전성을확보하도록하였다.

이후 2000년 5월개정에서건축물의 골조에정착되

는비구조 부재및건축설비는지진하중에대한 조치 를하도록하고지진하중과하중계산방법을제시하였

다. 2005년대한건축학회에서는건축구조설계기준(KBC

2000)을개정·보완하여 KBC 2005를제정하였다. 본

기준에서는설비의종류를이전보다세분화하여기준 을제시하고 있다. 그러나 소방시설에 대한 구체적인 내진기준이나지침은없으며, 실질적으로활용하기위 한내진설계및시공지침은상당히부족한실정이다.^1-4)

KBC 2005는미국의 IBC 2000을국내실정에 맞게

Table 3. Seismic Design Category Based on Shot-Period and 1-Second Response Accelerations (IBC 2006)

단주기영역 1초주기영역

SDS 내진등급 SD1 내진등급

I or II III IV I or II III IV

SDS≤0.167g A A A SD1≤0.067g A A A

0.167g≤SDS≤0.33g B B C 0.067g≤SD1≤0.133g B B C

0.33g^≤SDS≤0.50g C C D 0.133g^≤SD1≤0.2g C C D

0.5g≤SDS D D D 0.2g≤SD1 D D D

Table 4. The Application Standard for Seismic Design of Fire Protection System (Japan)

소방법시행규칙 9항 소방용설비등의운용기준

·탱크, ^{가압송수장치}, ^비

상전원, ^{배관 등}(^이하

“^저수조등”^이라함)^에는

지진에의한진동을견 디기 위한유효한조치 를취해야한다.

1) ^{가압송수장치의흡입관칙과토출관등에가요성이음장치를사용하여접속할것}. 2) ^{가요성이음장치의길이는내경} 80mm ^이하는 500mm ^이상, ^{그이상은내경}

의 10^배이상.

3) ^가요성이음장치는「가압수송장치의주변배관에사용하는가요성관이음장치 에관하여」를따를것.

4) ^저수조등(^탱크, ^{가압송수장치}, ^비상전원, ^배관등)^{은벽과바닥에고정하되그}

설계및시공은「건축설비내진설계·시공지침」에따를것.

Table 6. Seismic Design Category Based on Shot-Period and 1-Second Response Accelerations (KBC 2005)

단주기영역 1^{초주기영역}

SDS 내진등급 SD1 내진등급

II I 특 II I 특

SDS≤0.17g A A A SD1≤0.07g A A A

0.17g^≤SDS≤0.33g B B C 0.07g^≤SD1≤0.14g B B C

0.33g≤SDS≤0.50g C C D 0.14g≤SD1≤0.2g C C D

0.5g^≤S^DS D D D 0.2g^≤S^D1 D D D

Table 5. Scope of Application on Seismic Design of Fire Protection System (KBC 2005)

기준 내용

KBC 2005

·구조물에영구히설치되는건축, 기계및전기설비등의비구조요소는 0306.9의규정에따라결 정된등가정적하중과변위에견디도록설계하여야한다. 단, 다른구조물에의하여지지되는공 작물의중량이전체중량의 25%^{를초과하는경우에는} 10^{의규정에따른다}.

·비구조요소는비구조요소가설치되는구조물과동일한내진설계범주(0306.4.3)^{에속하는것으로}

간주한다. 단, 다음의요건에해당하는비구조요소는 IBC 2000규정과마찬가지로 0306.9의규정 을적용하지않아도된다.

(1) 내진설계범주 ‘A’의건축물에설치된비구조요소

(2) ^{내진설계범주} ‘B’^{의건축물에설치되고}, ^{중요도계수} Ip가 1.0^{인건축비구조요소로서내력벽}

이나전단벽에의하여지지되는난간이외의것.

(3) 내진설계범주 ‘B’의건축물에설치된기계및전기비구조요소

(4) ^{내진설계범주} ‘C’^{의건축물에설치되고}, ^{중요도계수} I^p가 1.0^{인기계및전기비구조요소} (5) ^{모든내진설계범주의건축물에설치되고}, ^{중요도계수} Ip가 1.0^{인기계및전기비구조요소로}

서덕트나파이프와의연결부가유연한재료로구성되어있고, 바닥으로부터설치높이 1.2m

이하, 중량 1,800N 이하이면서구조물의기능에큰영향을주지않는것

(6) 내진설계범주 ‘D’의건축물에설치되고, 중요도계수 Ip가 1.0인중량 100N 이하의기계및 전기설비비구조요소로서덕트나파이프와의연결부가유연한재료로만들어진것

Table 7. Seismic Design Grade of the Structure (KBC 2005)

내진등급 용도및규모 중요도계수, Ip

도시계획구역 그외지역

(특)

지진후피해복구에 필요한중요시설을 갖추고있거나유해 물질을다량저장하 고있는구조물

연면적이 1,000m^{2이상인위험물저장}

및처리시설, 병원, 방송국, 전신전화국,

소방서, 발전소, 국가또는지방자치단체 의청사, ^외국공관, ^{아동관련시설}, ^노인

복지시설, ^{사회복지시설및근로복지시}

설, 15층이상아파트및오피스텔*

1.5 1.2

I

지진으로인한피해 를입을경우대중에 게큰위험을초래할 수있는구조물

연면적이 5000m²이상인공연장, 집회 장, ^관람장, ^전시장, ^운동시설, ^판매및

영업시설, 5^{층이상인숙박시설}, ^오피스

텔, 기숙사및아파트, 3층이상의학교

1.2 1.0

II ^내진등급(특)이나 I

어디에도해당되지

않는구조물 내진등급(^특) ^및 I^{에해당되지않는건축물} 1.0 0.8

* KBC 2008 규준(안)에서내진등급 I로조정

재정립하여제정한것으로건물규모별적용범위에있

어서는 3^{층이상건축물}, ^연면적 1,000m^{2이상건축물}

에대하여내진해석및설계를의무화하고있다.

KBC 2005^{에서제시하고있는일반설비관련기준}

은 Table 5~7과 같다. KBC 2005의 비구조요소 관련

내진기준은 IBC 2000^{과매우 유사하여} Table 5^와같

이기준에서는 비구조요소에 대해등가정적하중과 변 위에 견디도록 설계하는 것을 요구하고 있으며 예외 규정을 두고있다. 만약미국의예와마찬가지로소방

시설내진대책을 KBC 2005의기준을준용할경우국

내구조물중에서소방시설의내진대책을강구하지않

아도되는경우는내진설계범주 ‘A’ 및 ‘B’의모든소

방시설과 ‘C’ 중에서도시계획지역이외지역의구조물

에설치되는소방시설이다.

이와같은기준을소방시설내진기준적용범위로설 정하는경우소방시설의내진기준을적용해야하는구 조물을 지반종류별로구분하면 Table 8과같다.

우리나라공동주택은대부분이 15층이상이기때문 에내진등급 ‘특’에해당되고, 일부 15층미만인 아파 트는 내진등급 I에 해당된다. 15층 미만 아파트의경 우지진지역 1에서는지반조건이 S^A, S^B이면내진설계

범주 C 이하, 지반조건이 S^C~S^E이면내진설계범주 D

에 속하고, ^지진구역 2^{에서는 지반조건이} S^A~S^C이면

내진설계 범주 C에속한다.

따라서우리나라의 고층공동주택의대부분이 내진 설계범우 D에속하게된다. 특히국내대부분의주요 구조물들은 도시계획구역 내에 위치하고 있으며, ^지

반조건상 S^B에해당되는경우가많아서 이러한 기준 을 그대로 적용하는 경우 매우 비효율적일 가능성이 있다. 그러므로소방시설의내진기준적용범위설정에

있어 KBC 2005 ^{기준을준용하는것은현시점에서어}

려울것으로판단된다. 따라서본연구에서는국내현

실을감안하여 표 Table 9 같은적용범위를 설정하도

록제안하였다.

5. 결 론

우리나라는대규모의 지진가능성은낮지만 90년대 이후 연평균 지진발생수가 35회로 증가하였으며, 다 수의활성단층이존재하여지진의가능성은항상상존 하고 있기때문에 안전지대라고 할수 없다. 특히 해 외사례를통하여지진에의한소방시설파손으로기능 Table 8. Scope of Seismic Design Considering Soil a Condition (KBC 2005)

지반조건

지진지역 1* ^지진지역 2**

SDS SD1 내진등급 SDS SD1 내진등급

특 I II 특 I II

SA 0.293 0.117 C B B 0.293 0.117 A A A

SB 0.366 0.146 D C C 0.366 0.146 C B C

SC 0.439 0.234 D D D 0.439 0.234 D C C

S^D 0.527 0.336 D D D 0.527 0.336 D D D

SE 0.732 0.497 D D D 0.732 0.497 D D D

*^지진지역 1 : ^지진지역 2^{를제외한전지역},

**지진지역 2 : 강원도북부, 전라남도남서부, 제주도

Table 9. Scope of Application on Seismic Design of Fire Protection System (Suggestion)

기준(^안) ^내용

기준(안) ^{·내진해석및설계가이루어진모든건축물의소방시설은지진에의해손상을받지않도록조치해야한다}.

·다만동적내진해석에의하여설비의성능이, 설비가설치되는구조물의성능과동동이상임을확 인하는경우에는적용되지않을수있다.

규정예외(^안)

·다음조건을갖는경우에는스프링클러설비또는지상의소방시설배관에있어서는내진조치를제 외할수있다.

- KBC 2005^{에서규정하는내진설계범주} ‘A’, ‘B’, ‘C’^{의구조물에설치되는경우}

- KBC 2005^{에서규정하는내진설계범주} ‘D’^{에있어서내진등급이} ‘I’ ^및 ‘II’ ^{범위의구조물에설}

치되는경우, ^다만 25^{층또는층고} 100m^{을초과하는공동주택및오피스텔은제외}

을 상실한 후에 발생되는화재 시 2차적피해에 대한 심각성을확인할수있었다.

해외법규분석을 토대로하여 우리나라의소방시설 내진설계에관한법규의문제점을분석한결과다음과 같은결과를 도출하였다.

1) 소방시설내진기준의적용범위설정에있어미국

의 IBC2000를참고한 현 KBC2005의기준을 준용할

경우 국내구조물특성에 적합하지않아매우 비효율 적인것으로사료되었다. 이에따라국내실정에맞는 등급설정이 필요하며, ^{소방시설 내진기준 적용범위를}

내진 해석및설계가이루어진모든 건축물로확대하 여야할것으로판단되었다.

2) 예외규정의경우건축물의구조가초고층화됨에

따라 25층또는건물높이 100m을초과하는 공동주택

및오피스텔을 예외규정에서 제외하여야 할것으로 사료된다.

이에따라 향후건축물에서의 소방시설의내진설계 기법및보강설비에관한연구가지속적으로진행되어 야하며, 차후소방시설의내진설계는소방시설공사업 법에입법되어관리되어야할것으로판단된다.

감사의 글

본 연구는 소방방재청 프로젝트「소방시설 내진설

계기준마련에관한연구」중일부로서, 관계자분들께 감사드립니다.

참고문헌

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