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글쓴이	운영자	날짜	2020-01-01
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제 목 : 화관법 내진설계와 관련하여
화관법 내진설계와 관련하여 지난 2016년 9월 경주 지진 이후 우리나라에서도 결코 지진으로부터 안전한 지대가 아님을 인지한 이후 한국가스공사에서 주관하여 가스시설 및 지상 가스배관 내진설계 기준을 마련한 것이 KGS GC203 2018이다. 여기에서 정의하는 “내진설계설비”란 다음의 장치기계를 설계적용 대상으로 한다. 즉, 저장탱크, 가스홀더, 응축기, 수액기, 탑류 및 그 지지구조물과 압축기, 펌프, 기화기, 열교환기, 냉동설비, 가열설비, 계량설비, 정압설비의 지지구조물(압력용기 SADDLE SUPPORT 또는 LEG, SKIRT 등을 뜻함) 이때, 이러한 설비가 건축물 내부에 설치되는 경우는 해당 설비의 내진 등급 이상의 건축물이 내진설계가 돼야 한다고 규정하고 있음. 1. KGS GC203 적용 대상 설비 1) 고압가스 안전관리법적용대상시설 가. 5톤(비가연성가스나 비독성가스의 경우에는 10톤) 또는 500㎥(비가연성가스나 비독성 가스의 경우에는 1000㎥) 이상의 지상 저장탱크 나. 반응, 분리, 정제, 증류 등을 행하는 탑류로서 동체부의 높이가 5m 이상인 압력용기 (이하 “탑류” 라 한다) 다. 세로방향으로 설치한 동체의 길이가 5m 이상인 원통형 응축기 내용적 5000L 이상인 수액기 라. 지상에 설치되는 사업소 밖의 고압가스배관 마. 위 시설의 지지구조물 및 기초와 이들의 연결부 2) 액화석유가스의 안전관리 및 사업법 적용대상시설 가. 3톤 이상의 지상 저장탱크 나. 위 시설의 지지구조물 및 기초와 이들의 연결부 3) 도시가스사업법 적용대상시설 가. 가스제조시설에서 저장능력이 3톤(압축가스의 경우에는 300㎥) 이상인 지상 저장탱크 (가스도매사업자가 소유하는 지중식 저장탱크를 포함한다)와 가스홀더 나. 가스충전시설에서 저장능력이 5톤 또는 500㎥ 이상인 지상 저장탱크와 가스홀더 다. 가스충전시설에서 반응, 분리, 정제, 증류 등을 행하는 탑류로서 동체부의 높이가 5m 이상인 압력용기(이하 “탑류” 라 한다) 라. 지상에 설치되는 사업소 밖의 도시가스배관(사용자 공급관과 내관은 제외한다) 마. 위 시설 및 압축기, 펌프, 기화기, 열교환기, 냉동설비, 정제설비 부취제 주입 설비의 지지구조물 및 기초와 이들의 연결부 바. 가스도매사업자(도법 제39조의2에 따른 도시가스사업자 외의 가스공급시설 설치자를 포함한다. 이하 같다)의 적용대상 시설 : ① 정압기지 및 밸브기지 내 정압설비, 계량설비, 가열설비, 배관의 지지구조물 및 기초, 방산탑, 건축물 ② 사업소 밖의 배관에 긴급차단장치를 설치 또는 관리하는 건축물 사. 일반도시가스사업자의 철근콘크리트 구조의 정압기실. 다만, 캐비닛 및 매몰형은 제외한다. 이상과 같이 주로 가스를 저장 및 운송 배관 설비가 해당됨을 이해 할 수 있으며, 산업현장에서 가스설비가 아닌 경우는 주로 일정 용량의 화학약품 저장설비 일명 약품탱크류가 해당이 된다고 이해 하면 된다. 2. 약품 저장탱크 종류 및 내진설계 범위 약품 저장탱크의 구조와 사용 재질은 해당 약품의 특성에 따라, 강재 또는 비금속(FRP, PE, PP, LLDPE, PC 등) 소재를 사용하며, 본체에 대한 구조강도는 해당 적용 규정(API 650, ASME RTP-1 + 국내법규 (KOSHA D-35 등)을 적용하여 본체 강도계산을 수행하나 현재 KGS GC203에서 규정한 내진설계 요구 사항은 저장탱크 지지대의 앙카볼트 설계만 요구하고 있으며, 저장탱크가 설치된 기초 콘크리트 또한 내진설계 대상에 포함되나, 기존의 건축물이 한국건축법(KBC)에 따라 설계된 경우는 기초콘크리트 내진설계는 면제해주는 것으로 알고 있다. 그 이유는 저장탱크 내진설계로 인하여 기존의 공장 건축물을 재시공을 해야 하는 막대한 경제적 손실을 고려해서라고 이해된다. 3. 저장탱크 본체 강도계산과 내진설계 시 고려할 사항 앞서 저장탱크의 기초 앙카 내진 설계만으로 해당 저장탱크가 내진설계 되었다고 판단하기에는 구조적인 모순이 있어 한 가지 분명히 지적하고자 한다. 저장탱크의 내진설계는 앙카설계 뿐만 아니라 본체 또한 내진설계를 하는 것이 매우 중요하다. 물론 대부분의 저장탱크 강도계산 시 해당 규정에 따라 내진하중을 고려하여 본체 강도계산을 수행하고 있는 것은 사실이다. 예를 들면 API 650을 적용할 경우는 API 650 APP.E, UBC, ASCE 7-10, ASCE 7-5 등과 같이 해외 적용 규정에 따라 내진설계가 반영되어 있으나, 여기서 규정한 내진하중이 KGS GC203과 비교해서 클 수도 적을 수도 있다는 것이다. 특히, 저장탱크가 옥외에 설치되는 경우는 풍하중도 있어 드물게는 저장탱크의 형상에 따라 풍하중이 내진하중보다 클 경우도 있다. 이러한 문제점으로 인하여 피이에스기술사사무소에서는 저장탱크가 옥외에 설치되는 경우는 풍하중도 계산하여 내진하중 대비 둘 중 큰 값을 선택하여 앙카설계를 하고 있다. 또 다른 문제점 중 하나는 대부분의 약품저장탱크의 재질은 비금속 (FRP, PP, PE 등)을 사용하며 국내 대부분의 저장탱크는 사용자가 본체 강도계산을 별도로 수행하지 않는 표준품을 사용한다는 것이다. 따라서, 현재 유통 또는 수 년전에 이미 설치된 약품저장탱크는 KGS GC203에서 요구하는 내진 하중을 적용하여 제작되었다고 보기는 어렵다는 것이다. 특히, 국내 유통 또는 기존에 설치된 약품 저장탱크는 기초 앙카 조차 없는 것이 사실이다. 물론 이러한 문제점을 보완하기 위해서 내진앙카 설치를 의무화하도록 하는 법규가 화관법이라고 이해하면 된다. 4. 저장탱크 내진 하중 내진하중을 계산하는 방식은 크게 등가정하중법과 설계스팩트럼 방식을 사용하는데 여기서 내진하중 계산 방식에 대해서는 생략하는 대신에 기존의 저장탱크에 대하여 앙카설치가 제외된 이유와 내진 하중에 대한 대략적인 이해를 돕고자 이전에 올린 “회전기계내진스토퍼”에서 언급한 글을 다시 인용하고자 한다. 즉, 지진력은 자체 중량에 내진가속도를 곱한 값으로 계산한다. 지진력(S)=자체중량(W)내진가속도(g)이며, 뉴튼의 운동 2법칙에 따라 힘(F)=ma 이며, 모든 힘은 질량에 가속도 곱으로 설명한다. 여기서 질량(m)=중량(W)/g(중력가속도), 내진 가속도(g)가 a(가속도)에 해당되어, 내진하중(S)=자체중량(W)내진가속도(g)가되며, 단위는 중량 단위와 동일한 힘으로 나타난다. 따라서, 내진가속도 g값이 0.2g 라는 것은 자체 중량의 20%가 내진하중이라는 뜻이다. 필자가 현재까지 KGS GC203으로 내진 설계한 자료를 통계해보면 약품저장탱크의 내진력은 0.05g에서 0.15g 범위로서 즉, 정하중의 5%에서 15% 이내에서 내진하중으로 산정됨을 알 수 있고, 현재는 ASCE에 통합된 UBC(미국건축법)에 따른 내진하중과 거의 유사함을 알 수 있었다. 따라서, KGS GC203이라 해서 특별히 내진 하중이 크게 나올 수는 없는 조건이다. 그 이유는 과거 국내 내진설계 조건을 우리가 흔히 적용해 오던 UBC Zone 2 지역이 미국 켈리포니아 지역을 대상으로 했기 때문에 한국이 미국 켈리포니아 보다 진도가 클 수는 없기 때문이다. 간혹 약품 저장탱크가 KGS GC203으로 설계 시 진도 얼마까지 견딜 수 있는지 문의를 받는 경우가 있는데 현재 내진설계 조건에서 진도 얼마까지 견딜 수 있는지는 수치적으로 환산하는 방식은 없다는 것이다. 하지만 UBC와 KBC, KGS GC203으로 내진설계를 수년간 수행한 필자의 경험으로 추정한다면 진도 7 정도까지는 가능할 것으로 판단된다. 5. 저장탱크 내진앙카 설치 제안 현재 유통되는 대부분의 약품 탱크(PE 탱크)는 탱크 하부에 앵글 L45454를 사용하여 유통 및 설치되어 있어 KGS GC203 또는 이외 규정으로 내진하중을 계산하면 탱크 하부에 설치된 앵글에 앙카를 설치 할려면 앙카 규격을 M10이상을 사용할 수 없는 조건이다. 만일 앙카 규격을 M10이상을 사용할 경우는 기존의 저장탱크 보강태 앵글에 추가로 앙카브라켓을 설치하여 앙카를 설치하는 방법이 있으나 이러한 경우는 앙카 설치 비용이 추가되는 문제가 있어 필자가 제안하고자 하는 방식은 기존의 보강태를 앵글 L1001007으로 교체하거나 앙카규격을 M10이하를 사용하여 앙카 수량을 늘리는 방식이 가장 유리하다고 판단된다. 앙카길이는 대략적인 방식으로 앙카규격에 8배~12배 정도면 거의 만족하는 것으로 되어 있다. 맺은말 약품탱크 내진앙카 설치는 약품탱크의 내용물질의 특성상 사용 소재가 대부분이 비금속으로 되어 있어 지진력에 대하여 약품탱크의 본체가 받는 외력 보다는 약품탱크를 구성하는 주변 배관이 매우 취약하기 때문에 지진력에 의한 본체가 받는 지진력은 상대적으로 무거운 본체에서 발생하여 수직 및 수평하중에 따른 전도모멘트가 발생하며, 이는 곧바로 본체에 연결된 주변 배관에 하중이 전달되어 유독물질의 누출로 인하여 인명 피해를 볼 수 있다는 점에서 매우 중요하다고 본다. 기존에 설치된 대부분의 약품저장탱크에는 앙카가 미설치된 상태이며, 화관법에서 요구하는 KGS GC203에 따른 내진하중을 적용하여 미설치된 약품저장탱크에는 가능한 추가적인 보강 없이 하부에 설치된 보강테 앵글에 규격이 적은 앙카를 사용하는 대신에 앙카 수량 (8개에서 14개 정도)으로써 내진 설계를 하는 것이 천재를 사전에 방지할 수 있는 대안이라고 생각한다. 끝으로, 간혹 신설되는 저장탱크가 건축구조기술자에 의해 구조해석 방식으로 설계되거나 KBC(한국건축법)에 의하여 내진설계를 하는 경우가 있으나, 저장탱크는 내부 사용 유체에 의한 수두압을 받음과 동시에 지진력으로 인한 내부 유체의 유동하중(슬로싱)이 발생하는 압력탱크에 해당되기 때문에 건축구조역학적인 해석만으로서 본체의 강도와 강성을 충분히 만족할 수 없는 구조이다. 따라서, 반드시 해당 제품의 적용 규정에 따라 강도계산을 수행하여 본체와 내진앙카를 설계하는 것이 바람직하다는 것을 다시 권고하고자 한다. 2020.01.01. 피이에스기술사사무소 대표 www.pes21.com wine@pes21.com 010-7515-3761

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