소방시설의 내진설계기준 - 가지배관 고정장치

가지배관의 경우 지진으로 인한 배관 파손 가능성이 상대정으로 낮으나 가지배관 단부의 움직임으로 인한 스프링클러헤드의 파손이 야기되므로 강재 와이어를 이용하여 가지배관의 단부를 고정해야 함

 

제13조(가지배관 고정장치 및 헤드)
① 가지배관의 고정장치는 각 호에 따라 설치하여야 한다.
1. 가지배관에는 별표 3의 간격에 따라 고정장치를 설치한다.
2. 와이어타입 고정장치는 행가로부터 600㎜ 이내에 설치하여야 한다. 와이어 고정점에 가장 가까운 행가는 가지배관의 상방향 움직임을 지지할 수 있는 유형이어야 한다. 3. 환봉타입 고정장치는 행가로부터 150㎜ 이내에 설치한다.
4. 환봉타입 고정장치의 세장비는 400을 초과하여서는 아니된다. 단, 양쪽 방향으로 두 개의 고정장치를 설치하는 경우 세장비를 적용하지 아니한다. 5. 고정장치는 수직으로부터 45° 이상의 각도로 설치하여야 하고, 설치각도에서 최소 1340N 이상의 인장 및 압축하중을 견딜 수 있어야 하며 와이어를 사용하는 경우 와이어는 1960N 이상의 인장하중을 견디는 것으로 설치하여야 한다. 6. 가지배관 상의 말단 헤드는 수직 및 수평으로 과도한 움직임이 없도록 고정하여야 한다.
7. 가지배관에 설치되는 행가는「스프링클러설비의 화재안전기준」제8조제13항에 따라 설치한다.
8. 가지배관에 설치되는 행가가 다음 각 목의 기준을 모두 만족하는 경우 고정장치를 설치하지 않을 수 있다. 가. 건축물 구조부재 고정점으로부터 배관 상단까지의 거리가 150㎜ 이내일 것 나. 가지배관에 설치된 모든 행가의 75% 이상이 가목의 기준을 만족할 것 다. 가지배관에 연속하여 설치된 행가는 가목의 기준을 연속하여 초과하지 않을 것
② 가지배관 고정에 사용되지 않는 건축부재와 헤드 사이의 이격거리는 75㎜ 이상을 확보하여야 한다.

 

1. 가지배관 고정장치의 개념

• 가지배관의 경우 지진으로 인한 배관 파손 가능성이 낮기 때문에 가지배관에 버팀대의 설치 등은 지진 대응 조치의 필요성이 낮음
  그러나 최근 발생한 지진 분석결과, 이러한 가지배관 단부의 움직임으로 인한 스프링클러헤드의 파손이 보고되고 있으므로 이 기준에서는 강재 와이어를 이용하여 가지배관의 단부(엘보, 티이 등)를 고정하도록 조치하고 있음
  고정와이어 이외 흔들림 방지 버팀대 등으로도 지지가 가능함
• 이 기준에서는 과도한 흔들림을 방지하기 위한 목적으로 와이어의 설치 위치를 행가로부터 600㎜ 이내로 환봉타입 고정장치는 행가로부터 150㎜ 이내로 규정하고 있음
  또한, 와이어 고정점에 가장 가까운 행가는 수직방향 운동을 지지하여야 함
  이는 고정 와이어가 압축에 저항할 수 없고 인장력에 의해서 횡방향 흔들림만을 방지할 수 있기 때문에 수직방향으로 작용하는 지진력을 부담할 수 없기 때문임
• 지진에 의한 헤드의 파손은 대부분 배관 흔들림에 의해 다른 부속품과의 충돌에 의한 것임
  특히 배관의 흔들림이 상,하 방향으로 발생할 때 헤드가 천장 또는 보와의 충돌이 우려가 있음
  그러므로 가지배관을 고정하여 헤드가 천장 또는 보와 충돌하지 않도록 해야 함
• 가지배관에 설치되는 시험배관은 가지배관 고정장치 기준에 따름

 

헤드설치를 위한 고정와이어 설치 예

 

2. 가지배관 고정장치의 상세 설계

2.1 가지배관 고정장치의 설치

•  가지배관 헤드의 과도한 움직임을 방지하기 위하여 고정와이어, 흔들림 방지 버팀대(고정형)로 과도한 움직임을 방지할 수 있음
•  가지배관 고정장치는 가지배관의 설치각도 45° 이상, 설치각도에서 환봉타입은 최소 1,340N의 인장 및 압축하중을, 와이어 타입(양쪽설치)은 최소 1,960N의 인장하중을 지지할 수 있도록 설치하여야 함
  시험하중은 UL시험 기준을 준용하여 적용함
•  행가의 가지배관 고정장치는 NFPA 13의 행가를 참조한 고정방법을 따라 앵커볼트 등으로 고정
•  천장재와 스프링클러설비가 일체화된 경우에는 배관의 흔들림에 의한 변위를 흡수할 수 있도록 하여 배관과 헤드의 파손을 방지하여야 함
•  건축분야의 천장 반자와 헤드 고정 부분이 일체화된 경우는 “건축물 내진설계기준“ 비구조요소 천장에 따라 건축분야와 협의 후 설치하는 것을 권장하고 있음
• 부득이하게 2개소 이하에 철구조물에 가지배관을 직접 U볼트로 고정하는 경우는 지진하중을 견딜 수 있는 산정근거를 제시함
• 헤드(커튼 박스를 지나는 배관 포함)는 행가나 가지배관 고정장치를 고정하는 구조부재를 제외한 다른 부재(지진 시 천장이나 보 등)와 충돌하지 않도록 NFPA 13 2019 18.4.11에는 75㎜ 이상 이격하도록 규정되어 있음
  단, NFPA 13 추가 부연 설명인 헤드가 유연성 있는 배관으로 된 경우는 이격거리를 따르지 아니할 수 있음

 

 

가지배관 고정장치의 시험하중 계산 환산값
위의 1340N 및 1960N의 경우 NFPA 13 등에 따른 영미단위(lb)를 SI단위로 변환하는 과정은 다음과 같으며. 제13조 제1항 제5호 적용 기준의 고정장치는 수직으로부터 45도 이상의 각도로 설치하여야 하고, 설치각도에서 최소 1333N 이상의 인장 및 압축하중을 견딜 수 있어야 하며 와이어를 사용하는 경우 와이어는 1955N 이상의 인장하중을 견디는 것으로 적용하여야 한다.
1. 고정장치 하중 기준(300lb) 300lb = 300 lb × 0.4536kg/lb × 9.8N/kg = 1,333.584 N ∴ 고정장치하중은 최소 1333N 이상의 인장 및 압축하중에 견딜 수 있어야 한다.
2. 와이어 하중 기준(440lb) 440lb = 440 lb × 0.4536kg/lb × 9.8N/kg = 1,955.9232N ∴ 와이어하중은 최소 1955N 이상의 인장하중에 견딜 수 있어야 한다.

 

스프링클러 가지배관의 천장 고정 예

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.2 시험배관을 포함한 가지배관 고정장치의 간격

지진계수 및 관경에 따라 규정한 간격을 준수하여야 함. NFPA 13 2019 Ed 에 의하면 배관의 다른 부분과의 상호 작용을 제한하고 배관의 응력 허용한계로 제한하기 위해 가지배관이 구속되어야 한다고 규정하고 있음. 최대 간격은 지진계수에 따라 달라지며, 구경 50A 이하로 제한되어 있는데, 이는 65A 이상의 구경에는 지진하중으로부터 보호가 필요하기 때문임

• 가지배관(시험배관 포함)의 설치 간격은 이 기준의 가지배관 고정장치의 최대설치간격에 따라 재질, 배관규격 및 지진계수값 별로 버팀대 설치 간격을 정함
• 강관 및 스테인리스강관(KS D3576) 등의 25A 가지배관 경우는 지진계수() 0.5 이하일 때 버팀대 설치 간격이 13.1m임
  단, 가지배관 고정장치 설치간격은 배관의 호칭구경이 큰 것과 작은 것이 같이 있는 경우 작은 배관의 호칭구경을 기준으로 선정함
• CPVC나 동관 및 스테인리스강관(KS D3576) 등의 25A 가지배관 경우는 지진계수 0.5 이하 일 때 버팀대 설치간격이 10.3m 임

 

2.3 가지배관 고정장치를 고정형 버팀대(환봉타입)로 사용하는 경우의 제한 사항

•  가지배관의 말단은 일반 행가 설치 시 수직방향으로 움직임을 고정해야 함
  이는 클레비스 행가의 경우 충격억제장치 등을 설치하여 수직방향으로 움직임을 고정한다는 것을 의미함
•  가지배관 말단헤드 고정장치의 지지대(환봉타입, 전산볼트)는 세장비 400 이하를 적용
  단, 지지대의 길이가 길게 설치된 경우는 세장비를 초과하므로 양쪽에 고정장치를 2개 설치하여 세장비와 무관하게 인장력만 받도록 설치
•  고정장치인 고정형 버팀대는 행가로부터 150㎜ 이내에 설치
  단, 양쪽에 두 개의 버팀대로 설치한 경우는 600㎜ 이내에 설치

 

가지배관 고정장치(버팀대)

 

 

2.4 가지배관 고정장치를 와이어 버팀대로 사용하는 경우 설치사항

•  고정에 사용되는 와이어는 행가로부터 600㎜ 이내에 위치
•  와이어 제한에 가장 가까운 행가는 가지배관의 상향 이동에 저항하는 유형이어야 함
  가지배관 고정장치(와이어) 마. 닥트 등 밑에 설치하는 가지배관 고정장치의 고정방법은 다음 사항을 고려
•  장애물과 주위조건을 고려하여 구조부재에 고정
•  가지배관의 하중을 고려한 닥트의 내진설계 구조안전성 평가 후 닥트 가대에 설치
•  천장의 복잡성, 장애물 및 층고를 고려해 와이어 형식을 권장
•  여건상 전산봉을 사용하는 경우는 세장비를 고려
•  변형된 가지배관은 설치간격, 옵셋 등을 고려하여 설치
•  가지배관의 배열방법을 개선하고, 건축과 설치공간이나 구조부재의 고정장소를 확보

 

2.5 가지배관 고정장치의 완화 조건

•  건축물 구조체 고정점으로부터 배관의 상단까지 거리는 행가의 고정점까지 거리가 150㎜ 이내이어야 함
•  지진계수는 0.5를 초과하지 않아야 함
•  강관의 행가 설치간격은 ˹스프링클러설비의 화재안전기준˼ 제8조제13항에 따라 설치해야 함
•  CPVC배관의 행가 설치간격은 배관구경 50㎜ 미만에서는 간격 1.8m 이하, 50㎜ 이상∼80㎜ 미만에서는 간격 2.4m 이하로 NFPA 13(2019) Table 17.4.2.1(b)를 준용하여 설치하는 것을 권장
•  동관의 행가 설치간격은 배관구경 25㎜에서는 간격 2.0m 이하, 32㎜ 이상∼40㎜ 이하에서는 간격 3.0m 이하, 50㎜ 이상∼80㎜ 미만에서는 간격 3.7m 이하로 NFPA 13(2019) Table 17.4.2.1(b)를 준용하여 설치하는 것을 권장

 

가지배관 고정장치 설치 완화조건

천장과 부착지점과 배관 상단의 이격거리 150㎜ 이내 경우

 

 

3. 가지배관 고정장치의 환봉(전산볼트)인 경우 고려사항

•  전산볼트는 강도구분의 호칭과 식별기호를 확인하여 KS B 0233의 항복강도와 0.2% 내력값으로 사용하여야 함
•  KS B 1037의 STUD BOLT의 기계적 성질 검사 기준에 따라 항복강도값에 안전율을 고려하여 세장비 400 이하로 길이와 작용하중을 산정하여야  함
  NFPA 13의 기준 흔들림 방지 버팀대의 항복강도는 TABLE 18.5.11.8(f)의 “Mximum Horizontal Loads for Sway Braces with = 300 for Steel Braces with Fy = 248N/㎟"의 안전율이 고려된 값을 사용하고 있음
  국내 KS 제품인증 기준으로 환산하면 항복강도 Fy = 300N/㎟에 안전율을 고려한 강도구분의 호칭 5.6 이상과 식별기호는 – 표시에 해당함
•  현장에서는 KS, ASTM 등 전산볼트 식별기호를 확인하고 강도구분의 항복강도값에 따라 해당 세장비의 길이와 작용하중을 흔들림 방지 버팀대의 세장비 공식에서 제시한 방법으로 제조사에서는 제공하여야 함

 

4. 가지배관 고정장치의 사용확인

•  공인시험연구기관의 성능확인은 국내 KFI 흔들림 방지 버팀대의 기술기준과 시험방법의 근거자료를 준용할 수 있음
•  UL기준 행가의 제품 기술기준과 시험방법으로 성능을 확인할 수 있으며, 제품인증은 소방시설의 내진설계 기준의 설치각도에서 허용하중 이상이면 사용할 수 있음
•  국내·외 제품인증 예시 (제품인증 + 성능확인) 가지배관 고정장치 : UL 203A 제품 기술기준 제품인증
•  제품 성능의 확인은 공인시험기관의 제품 기술기준과 시험방법에 의한 인증과 성능확인서가 있음
•  공인시험연구기관 이란 관련 제품의 기술기준과 시험방법에 따라 공인기관인증의 인증과 시험장비, 시험인력 및 시험기술력 갖춘 공인시험연구기관을 말 함 (관련 내진제품의 KOLAS인증받은 기관)
•  위 내용에 없는 가지배관 고정장치는 이 해설서의 “제2조, 해설 4항과 5항”을 준용하여 사용확인받아 설치함

 

5. 가지배관 앵커볼트의 적용

가지배관의 고정장치에서 구조체와 고정하는 앵커볼트는 이 기준에 따라 설치함

•  이 기준에서 사용되는 선 설치, 후 설치 앵커볼트는 “콘크리트 앵커설계기준”의 국내·외 제품인증 보고서의 결과인 인장, 전단값에 근입깊이, 연단거리, 단일(연속) 앵커볼트, 슬라브 두께, 콘크리트 강도 등을 고려하여 앵커볼트를 산정하여야  함
•  앵커볼트는 허용하중에 견디는지 국내·외(ACI 등) 앵커볼트의 시험기준에 따라 콘크리트용 앵커볼트 시험결과가 포함된 인증을 받거나 공인시험연구기관에서 앵커볼트 기술기준과 시험방법에 의해 성능이 확인된 것을 설치할 수 있음
•  배관의 경우 앵커볼트는 안전율을 고려하고 하중저항계수(한계상태) 설계(LRFD)를 적용하여야  함
  즉, 앵커볼트 제조사의 국내·외 인증받은 보고서에서 비균열 콘크리트용 앵커볼트 시험결괏값인 LRFD 값으로 산정하고, 구조체와 부착장치의 모멘 트을 고려한 작용하중과 조합하중, 인장하중 및 전단하중의 적정성을 평가해야 함
•  KS, ACI-318(TR045) 및 ICC-ESR(ETA) 등 기준을 준용하여 다음과 같이 적용할 수 있다. 앵커볼트그룹의 설계는 국가건설기준(KDS 14 20 54 : 2016, 콘크리트용 앵커설계기준)에 따르고, 성능이 확인된 제품을 설치하여야 함