소방시설의 내진설계기준 - 흔들림 방지 버팀대

소방시설의 내진설계기준 중 흔들림 방지 버팀대에 대해 알아본다.

 

제9조(흔들림 방지 버팀대) ① 흔들림 방지 버팀대는 다음 각 호의 기준에 따라 설치하여야 한다.
1. 흔들림 방지 버팀대는 내력을 충분히 발휘할 수 있도록 견고하게 설치하여야 한다.
2. 배관에는 제6조 제2항에서 산정된 횡방향 및 종방향의 수평지진하중에 모두 견디도록 흔들림 방지 버팀대를 설치하여야 한다.
3. 흔들림 방지 버팀대가 부착된 건축 구조부재는 소화배관에 의해 추가된 지진하중을 견딜 수 있어야 한다.
4. 흔들림 방지 버팀대의 세장비()는 300을 초과하지 않아야 한다.
5. 4방향 흔들림 방지 버팀대는 횡방향 및 종방향 흔들림 방지 버팀대의 역할을 동시에 할 수 있어야 한다.
6. 하나의 수평직선배관은 최소 2개의 횡방향 흔들림 방지 버팀대와 1개의 종방향 흔들림 방지 버팀대를 설치하여야 한다. 다만, 영향구역 내 배관의 길이가 6m 미만인 경우에는 횡방향과 종방향 흔들림 방지 버팀대를 각 1개씩 설치할 수 있다.
② 소화펌프(충압펌프를 포함한다. 이하 같다) 주위의 수직직선배관 및 수평직선배관은 다음 각 호의 기준에 따라 흔들림 방지 버팀대를 설치한다.
1. 소화펌프 흡입 측 수평직선배관 및 수직직선배관의 수평지진하중을 계산하여 흔들림 방지 버팀대를 설치하여야 한다.
2. 소화펌프 토출 측 수평직선배관 및 수직직선배관의 수평지진하중을 계산하여 흔들림 방지 버팀대를 설치하여야 한다.
③ 흔들림 방지 버팀대는 소방청장이 고시한 「흔들림 방지 버팀대의 성능인증 및 제품검사의 기술기준」에 따라 성능인증 및 제품검사를 받은 것으로 설치하여야 한다.

 

 

흔들림 방지 버팀대 순서

1.  흔들림 방지 버팀대의 개념
2.  구조적 원리
3.  흔들림 방지 버팀대 내진 성능
4.  흔들림 방지 버팀대 설계 및 안전성 검토
5.  CPVC배관 흔들림 방지 버팀대의 안전성 검토
6.  흔들림 방지 버팀대의 적용 완화
7.  배관의 흔들림 방지 버팀대의 선정 Sheet 
8.  통합배관에 공동 가대 설치
9.  4방향 흔들림 방지 버팀대
10.  흔들림 방지 버팀대의 run구간의 종류와 배치방법
11.  펌프측 흔들림 방지 버팀대 적용 사항 등
12.  흔들림 방지 버팀대의 성능인증
13.  흔들림 방지 버팀대의 내진설계 계산서 제출

 

 

1. 흔들림 방지 버팀대의 개념

•  흔들림 방지 버팀대는 지진에 의한 배관의 흔들림을 방지하기 위한 고정장치로써 배관의 자중을 지지하는 데 사용되는 행가와 구분되며, 소화배관에 작용하는 지진력을 구조물에 전달할 수 있도록 구조물과 일체화시켜 견고하게 설치
•  흔들림 방지 버팀대는 지지하는 배관의 가동중량 및 수평지진하중을 고려하여 충분한 강도를 가지고 있어야 하며, 건축물의 구조부재 및 그와 동등한 성능을 갖고 있는 부재에 단단히 고정
•  흔들림 방지 버팀대의 설계 및 이를 고정하는 방법은 건축물에 작용하는 평면상의 수평 2방향(배관의 종방향 및 횡방향)을 지지하며, 또한 지진계수(값)가 0.5 이상 등 조건에 따라 수직방향의 지진력에도 형상을 유지하도록 검토

 

2. 구조적 원리

• 흔들림 방지 버팀대의 설치 목적이 배관과 건축물의 일체화에 있으므로 이러한 목적의 달성이 가능하다면 다양한 방법의 설치가 가능함.
  그러나 건축물마다 설치되는 배관의 형상 및 규격이 다르고, 길이가 긴 배관계통에 다수의 흔들림 방지 버팀대가 복잡하게 배치되어야 하는 상황에서 흔들림 방지 버팀대의 지지부를 고정단으로 설계하는 것은 지지되는 배관 자체에 추가적인 응력을 발생시킬 수도 있으며, 복잡한 해석이 요구되어 비효율적임
• 이 기준에서는 상기와 같은 복잡한 해석수행을 배제하고 안전하면서도 효율적인 소화배관 설치가 가능하도록 흔들림 방지 버팀대의 양단을 힌지로 거동하도록 설계(트러스 구조)하는 것을 추천함
  이 경우 배관 수평지진하중에 의해서 흔들림 방지 버팀대에 모멘트가 발생하지 않게 되며, 작용하는 인장 및 압축 하중의 검토만으로 전체 배관계통의 해석을 단순화시킬 수 있음
• 또한, 이 기준의 제2조 2항, 특수한 조사 및 연구결과의 적용 기준에 따라 설계자는 내진, 면진, 제진 등의 기술 적용이 가능. 다만, 특수한 조사 및 연구결과의 적용 기준에 따라 설계되는 경우에는 건축물과 소화배관계통의 동적 상관관계를 고려하여 설계하여야 하며, 해석결과의 신뢰성과 배관의 안전성을 입증하여야 함
• 그러므로 배관을 지진하중으로부터 보호하는 방법은 흔들림 방지 버팀대(고정형, 비고정형(와이어형)) 이외 내진 및 면진 방법의 제품 등에 대해 특수한 구조 등으로 특별한 조사·연구에 의해 설계하는 경우의 내진 제품은 그 근거자료, 계산서, 시방서, 성능확인, 제품인증 등 내진설계기준에 따라 사용확인 절차를 거쳐 사용할 수 있음

 

흔들림 방지 버팀대 설치 예

 

 

3. 흔들림 방지 버팀대 내진 성능

•  상기와 같이 흔들림 방지 버팀대가 양단 힌지가 거동하도록 설계된 경우에는 흔들림 방지 버팀대의 길이 방향에 대해 인장 또는 압축 하중만이 작용하게 되므로 이에 대한 검증을 수행하면 흔들림 방지 버팀대 자체의 내진 성능을 확인할 수 있음
•  흔들림 방지 버팀대 자체 외에도 이와 연결되는 배관 지지부, 흔들림 방지 버팀대 양단의 힌지부 및 건축물과의 고정방법(앵커볼트, 체결구 등)에 대해서도 기계적 성능을 확인하여야 함
•  제품의 시험 성능은 신뢰성 있는 시험장비를 확보한 공인시험연구기관을 통하여 수행되어야 하고, 현장 설치 시 제조사가 하중시험 시 제시한 볼트 조임 최소 토오크와 건축물 부착장치의 형상치수의 정보 등을 제공하여 설치하도록 해야 함
•  KFI 성능인증 제품으로 설치하여야 함

 

버팀대의 내진 성능인증 절차

 

 

4. 흔들림 방지 버팀대 설계 및 안전성 검토

스프링클러 소화설비에 설치되는 흔들림 방지 버팀대는 구조부재, 설치 위치, 고정방법, 배관의 지지 방향, 전원, 수도, 공기조화설비 등 다양하게 설치된 건축물 천장부의 상황을 고려하여 설치

흔들림 방지 버팀대의 설계는 다음의 절차에 의해 수행

1.  스프링클러 설치 위치를 고려한 배관계통 평면을 결정
2.  횡방향, 종방향 및 4방향 흔들림 방지 버팀대 설치 위치를 선정
3.  각 흔들림 방지 버팀대가 지지하여야 하는 영향구역을 설정
4.  영향구역내 배관의 가동중량으로 수평지진하중을 결정
5.  흔들림 방지 버팀대 작용하중, 지지대의 세장비(좌굴), 소화배관의 허용하중, 건물부착장치의 앵커볼트 내진설계 적정성 평가를 검토해야 함

 

소화배관 설치 평면에 따른 버팀대 배치 예

다음의 그림 예는 건축물에서 일반적으로 사용되고 있는 가지배관(tree) 방식의 소화배관 및 흔들림 방지 버팀대의 평면 배치도임

 

 

5. CPVC배관 흔들림 방지 버팀대의 안전성 검토

폴리염화비닐(PVC) 또는 폴리비닐리덴 플루오라이드(PVDF)와 같은 특수 플라스틱 파이프 재료는 강철 및 구리 파이프와 마찬가지로 유연하고 큰 처짐을 허용하지만, 이 파이프 재료용 솔벤트 용접 조인트는 응력집중 영역이 되는 경향이 있음 또한, 배관의 허용하중값이 적어 강관보다 흔들림 방지 버팀대 간격을 줄여야 하는 등 주의하여 설치여야 함

가. CPVC, 비금속 및 기타 배관 등의 흔들림 방지 버팀대는 다음과 사항을 유의하여 설치하여야 함

CPVC, 비금속 배관 전용 흔들림 방지 버팀대는 KFI에서 인증받은 제품을 사용하고 다음 사항을 유의하여 설치

1.  성능 인증제품 그대로 사용하여 성능 및 조임 이상으로 설치하여야 하고, 제품에 추가·변경하여 사용할 수 없음
2.  CPVC 배관 등은 조임 등 외부하중에 의한 피로하중이 누적되어 배관이 파손될 수도 있음. 따라서 설치 시 피로응력에 견디거나 응력이 작용하지 않는 방법을 적용해야 함
3.  즉, CPVC 배관 등에 조임으로 압축을 가하지 않는 구조의 배관용 클램프이어야 함
4.  CPVC 배관 등 배관과 클램프 사이는 충분한 이격을 주어 CPVC 배관 등이 쉽게 슬라이딩될 수 있고, 배관용 클램프의 폭을 적당히 유지하여 집중하중을 받지 않는(폭이 넓은 형상 등) 구조이고 흔들림 방지 버팀대의 지지대가 CPVC 배관과 접촉되지 않아야 함
5.  CPVC 배관은 장기간 조임 등으로 피로 응력부식 등을 고려하여 시험에 의한 결과로 종방향 흔들림 방지 버팀대를 설치 시 압력에 의한 조임에 장기간의 피로응력 및 내구성에 대한 성능을 확인하여 보증하거나 조임이 없는 횡방향 흔들림 방지 버팀대를 설치하여 지진에 대응하여야 함
6.  5항의 종방향 흔들림 방지 버팀대나 조임이 필요한 흔들림 방지 버팀대의 성능인증은 KFI에 근거서류를 제출하여 성능인증을 받아서 설치하여야 함

흔들림 방지 버팀대 부품이 CPVC, 비금속 및 기타 배관 등의 부속품으로 겸용인 경우 다음 사항에 유의하여 설치하여야 함

1.  흔들림 방지 버팀대의 연결 부품을 CPVC 배관에 부착된 겸용 부속인 경우 CPVC 파이프로서의 KFI 성능인증과 흔들림 방지 버팀대로써의 KFI 성능인증을 받아 설치하여야 함
2.  CPVC, 비금속 및 기타 배관 등의 흔들림 방지 버팀대가 이 기준의 성능에 만족하는지 성능확인, 제품인증 관련 서류를 소방청 기술심의에 제출하여 배관이 지진으로부터 보호되는지 내진설계기준에 따라 사용확인받아 설치하여야 함

 

6. 흔들림 방지 버팀대의 적용 완화

• 수직직선배관에 4방향 흔들림 방지 버팀대를 설치하고(제11조 제6호 포함), 수직직선배관에서 분기되는 수평직선배관의 길이가 1.2m 이하인 경우 흔들림 방지 버팀대의 적용을 하지 않을 수 있음

 

7. 배관의 흔들림 방지 버팀대의 선정 Sheet

 

흔들림 방지 버팀대 산정 Sheet 예

 

8. 통합배관에 공동 가대 설치

NFPA 13의 흔들림 방지 버팀대의 설치는 다음과 같이 적용

1.  타 설비배관과 소화배관에 공동 가대를 사용하여 지지할 경우, 공동 가대의 중력하중은 소화배관의 경우 물과 배관무게를 포함한 5배에 250lb(115kg)를 더한 값으로, 타 설비배관의 경우는 물과 배관무게의 1.5배 한 값으로 산정함
2.  공동 가대가 지진하중까지 견디도록 설계할 경우 1)항 중력하중에 지진하중을 더한 값으로 산정함
   이때 모든 배관의 중요도계수는 1.5로 함
3.  공동 가대가 중력하중만을 고려하여 설계된 경우 종방향 흔들림 방지 버팀대를 공동 가대에 추가하여 지진하중에 견디도록 설계하여야 함
4.  소화배관과 진동이나 열팽창·수축이 발생하는 타 설비배관을 공동 가대로 같이 지지할 수 없음
5.  소방시설과 타설비의 공동 가대는 흔들림 방지 버팀대 기준의 제품을 일부 또는 전체를 적용할 수 없는 경우의 특수한 구조 등으로 특별한 조사·연구에 의해 설계하는 경우 등은 이 기준의 제2조 2항을 따름
6.  배관을 유연성이 있는 공동 가대 시스템으로 내진설계하는 경우는 1) 항의 중력하중의 계산에 따르고, 이 기준의 “제2조 2항” 특수한 구조 등으로 특별한 조사·연구에 의해 설계하는 경우 “특수한 구조 등으로 조사ㆍ연구에 의한 설계”된 내진제품을 따름
   단, “건축물 내진설계기준”에서 배관을 적용하고, 배관의 지진분리장치, 지진분리이음, 가요성이음장치의 유연성에 의한 최대변위가 포함되어 시스템 설계가 반영되어 소방청의 사용확인을 받아 설치하여야 함
7.  공동가대를 고정하는 앵커볼트는 이 기준의 “제3조의 2(공통 적용사항) 3항”과 해설서 “제3조 2의 해설 6항”의 앵커볼트에 따름

 

9. 4방향 흔들림 방지 버팀대

1.  이 기준에서 말하는 4방향이란 건축물 평면(수평직선배관)상에서 종·횡방향과 단면(수직직선배관)상에서 전·후, 좌·우방향을 의미함
   즉, 지진에 의해 배관이 움직일 수 있는 모든 방향에 대해지지가 가능한 흔들림 방지 버팀대를 의미함
2.  4방향 흔들림 방지 버팀대를 구성하는 방법은 기본적으로 수평직선배관에서 종방향 및 횡방향 또는 수직직선배관에서 횡방향 및 횡방향의 흔들림 방지 버팀대의 조합으로 종방향 및 횡방향과 전후, 좌우 방향의 기능을 함께 갖고 있는 형태로 설계자 및 제조사에 따라 다양하게 제시되고 있음
3.  다음 그림은 대표적인 4방향 흔들림 방지 버팀대를 나타낸 것이며, 수직직선배관에 설치하는 횡방향 흔들림 방지 버팀대 2개를 조합하여 전후, 좌우방향의 움직임을 고정하는 형태로 아래 그림은 4방향 흔들림 방지 버팀대 횡방향+횡방향으로 조합한 것

 

수직직선배관 4방향 흔들림 방지 버팀대 설치 예

 

10. 흔들림 방지 버팀대의 run구간의 종류와 배치방법

가. pipe run구간의 종류는 run, short run, run 제외, 연속 run, run에서 경사배관 적용 등이 있음

1.  run은 배관에서 방향전환 지점의 단부와 단부 사이 배관의 길이가 6m 이상 구간을 말함
2.  Short run은 방향전환 지점의 단부와 단부 사이 배관의 길이가 6m 미만 구간을 말함
3.  run 제외 구간은 배관길이가 1.2m 이하로 흔들림 방지 버팀대를 설치하지 않음
4.  연속 run은 run 구간이 연속으로 연결된 배관라인을 말함
5.  방향전환된 지지점에서 경사배관은 배관 진행방향(반대방향)을 기준으로 45° 이상 시에만 단부로 봄

나. 흔들림 방지 버팀대의 배치방법

1.  pipe run구간의 수평직선배관 버팀대 간격 내에는 횡방향 흔들림 방지 버팀대 최소 2개와 종방향 흔들림 방지 버팀대 1개를 설치하여야 함
2.  pipe run구간이 12m를 초과하는 수평직선배관은 횡방향 흔들림 방지 버팀대 단부에 먼저 배치하고, 나머지 수평직선배관 길이는 위의 배치 조건을 만족하여야 함
3.  pipe run구간 내 배관길이가 6m 미만인 경우 횡방향과 종방향 흔들림 방지 버팀대를 각 1개씩 설치할 수 있도록 ASHRAE나 SMACNA에 제시하고 있다. 또한, 단부의 설치 기준에서도 제외하고 있음
4.  pipe Run 구간 내 상쇄배관(offset)은 영향구역 내에 포함되며, 방향전환 후 마지막 배관의 길이가 1.2m 이하인 경우 흔들림 방지 버팀대를 제외할 수 있음
5.  pipe run구간 1.2m 이하 짧은 배관(방향전환 후 형성되는 마지막 배관) 길이에 대한 수평직선배관의 흔들림 방지 버팀대 제외는 NFPA 13 (2019. 17.4.3.4.1)에서 지지하지 않을 수 있는 길이와 직경에 따라 0.9∽1.5m까지 제시하고 있으며, 이 기준에서는 1.2m 이하로 하고 있음
6.  600㎜ 이내에 설치된 인접배관의 횡·종방향 흔들림 방지 버팀대는 종·횡방향의 흔들림 방지 버팀대 역할로 기능을 대신하여 겸용으로 사용할 수 있음
   이 경우는 횡·종방향 흔들림 방지 버팀대의 수평지진하중 계산은 동시 직교효과(orthogoanl effect : 지진하중에 대한 x축과 y축의 적절한 조합)를 무시하고 횡·종방향으로 각각 산출하고, 제품은 KFI 성능인증된 정격하중을 각각 초과하여서는 아니 됨
   작용하중과 앵커볼트 설계는 건축물 부착장치 등 NFPA 13 (2019, 18.5.12/A18.5.12∼A18.5.12.7)의 조건에 따름
   필요시 동시에 하중이 여러 곳에서 작용함을 증명하고 직교효과를 고려하여 공학적으로 계산할 수도 있음

 

11. 펌프 측 흔들림 방지 버팀대 적용 사항 등

1.  펌프 흡입 측과 토출 측의 수평·수직직선배관에는 흔들림 방지 버팀대를 설치
2.  펌프 흡입 측과 토출 측의 수직직선배관 등은 각 배관에 4방향 흔들림 방지 버팀대를 설치
3.  펌프의 토출측 수직직선배관의 길이가 1m 이내이고, 수직직선배관의 간격이 1m 이내의 수평 집합관으로 구성된 경우는 주펌프, 예비펌프, 충압펌프의 집합 수평직선배관은 수직직선배관이 연결된 중심부에 1개의 4방향 흔들림 방지 버팀대를 설치하고, 가동중량을 수직직선배관, 부속품(알람밸브 등 포함) 등의 합으로 계산하여 설치할 수 있음
4.  펌프의 수직직선배관 길이가 1m 초과인 경우는 펌프의 각각에 모든 수직직선배관에 4방향 흔들림 방지 버팀대를 설치. 단, 충압펌프의 1·2차 측 배관의 직경이 호칭경 50㎜ 이하 배관인 경우는 흔들림 방지 버팀대를 제외할 수 있음
5.  각 펌프의 수직직선배관과 수평직선배관이 집합배관 형태인 경우, 각 펌프별 수평직선배관으로부터 0.6m 이내 4방향 흔들림 방지 버팀대를 설치할 수 있음
   수평직선배관의 가동중량 계산은 횡방향 흔들림 방지 버팀대의 간격을 6m 이내로 제한하여 횡방향 흔들림 방지 버팀대를 산정해야 함
   또한, 흡입 측 집합배관에 설치된 4방향 흔들림 방지 버팀대의 횡·종방향 흔들림 방지 버팀대는 각 펌프 흡입 측 수평직선배관의 지진하중을 견디도록 설계할 수 있음

 

12. 흔들림 방지 버팀대의 성능인증

•  흔들림 방지 버팀대는 「흔들림 방지 버팀대의 성능인증 및 제품검사의 기술기준」에 따라 성능인증 및 제품검사를 받은 것으로 설치하여야 함
•  불가피하게 설치한 공사현장 등의 2개소 이하의 ”현장 제작품”이나 “특수한 구조 등으로 조사ㆍ연구에 의한 설계”된 내진제품은 내진설계기준에 따라야 함

 

13. 흔들림 방지 버팀대의 내진설계 계산서 제출

• 건축허가 동의 및 완공 시 관련 제품을 보증할 수 있는 서류를 제출하여하여야 함
• 단, 현장에서 흔들림 방지 버팀대를 설계 변경하는 경우 건축허가 동의 및 완공 시 관련 제품을 보증할 수 있는 설계변경 된 서류를 다시 제출할 수 있음