한국건설생활환경시험연구원(KCL)은 국내 최고의 기술력과 인프라, 연구인력을 기반으로 시험평가, 인증, 연구개발 업무를 수행하는 종합 시험인증기관으로 한국생활환경시험연구원(KEMTI)과 한국건자재시험연구원(KICM)이 통합해 2010년 출범했다. 현재 국내 31개 사업장과 중국, 베트남 등 해외법인사무소에서 고객이 필요로 하는 다양한 시험인증서비스를 제공하고 있으며 총80개 협력기관, 23개 국가와 시험인증 상호협력 및 기술교류 등 업무협력관계를 구축하고 있다.
전라남도 여수시에서 내진시험장비를 구축하고 있는 KCL 광주전남센터는 여수산단 안전 관련 인프라구축사업 수행 및 신규과제 발굴, 석유화학시설 내진설계 및 내진성능평가법 개발을 주도하고 있다. 노영태 광주전남센터장과 황진하 선임연구원을 만나 비구조요소 내진설비의 중요성과 내진시험장비 구축 현황에 대해 들었다.
■ 비구조요소 내진설비의 중요성은
비구조요소는 건축물에서 건축비의 60% 이상을 차지하는 등 일반적인 예상보다 건축비용에서 많은 비중을 차지하고 있다. 이에 따라 지진에 의한 피해발생 시 비구조요소에 대한 복구비용이 많이 발생한다. 또한 비구조요소의 자체 복구비용뿐만 아니라 소방, 통신, 수도, 전기, 가스 공급 등 고유 기능을 갖고 있는 요소가 많기 때문에 손상 발생 시 심각한 2차 피해를 유발할 수 있다.
비구조요소에 대한 설계는 2005년 건축구조기준 개정 시 최초 반영됐으며 지속적으로 비구조요소 내진설계에 대한 중요성이 대두되면서 2016년 건축구조기준 개정 시 비구조요소 설계기준이 보다 더 강화되기도 했다.
다만 비교적 최근에 설계기준 반영 및 개정됐기 때문에 과거에 구축된 비구조요소의 경우 내진성능을 확보하지 못하고 있으며 비구조요소 내진설계는 물론 기구축요소의 내진성능평가 및 보강기술에 대한 지속적인 개발이 필요하다.
■ 국내 비구조요소 내진설비시장에 대해 평가한다면
경주 및 포항지진을 계기로 정부의 내진 관련 정책 강화, 지진 안전에 대한 국민적 관심 증가, 내진기술 관련 특허 증가 등으로 지진 안전성 평가시장은 지속적으로 확대될 것으로 전망된다. 지난 2019년 3월14일 건축구조기준 개정을 통해 진동대 실험을 통한 기계 및 전기설비, 구조물의 성능검증이 요구되고 있어 이를 지진모사시험을 통해 성능평가를 수행할 필요가 있다.
경주 및 포항지진 피해의 심각성에 따라 2019년 건축설비의 내진규정이 강화돼 국내 비구조요소 내진시장은 지속적으로 성장할 전망이다.
2017년 건축법 시행령 개정으로 비구조요소가 내진설계 대상으로 포함됐으며 2019년 내진설계기준 공통적용사항 제정과 건축구조기준 개정으로 내진설계방법론 및 내진성능평가기준이 확정됐다. 또한 2016년 기준 비구조요소 내진시장 규모는 총 5조5,000억원 규모로 추정되며 유지보수시장이 약 1조5,000억원, 신축시장이 4조원 수준이다. 비구조요소 내진시장은 2016년부터 2025년까지 연평균 약 2.55% 성장할 것으로 전망돼 2025년 약 7조원 규모로 확대될 것으로 전망된다.
■ 현재 수행 중인 R&D는
현재 수행하고 있는 사업은 ‘여수산단 재난대응 통합 인프라구축사업’으로 2019년 11월부터 2023년 12월까지 진행될 예정이다. 이번 사업은 △GIS·IoT 기반 실시간 모니터링시스템 구축(전남대학교, KCL) △여수 주요 석유화학시설의 종합 지진안전성평가 인프라 구축(KCL) △재난안전 대응훈련 가상·현장공정 및 체험형 훈련시스템 구축(숭실대) 등으로 구성돼 있다.
이중 지진안전성평가 인프라구축사업은 KCL에서 전담해 수행하고 있으며 석유화학시설의 지진안전성평가를 위한 평가장비 및 건물 구축, 표준화방안(석유화학설비 표준평가법 개발) 마련, KOLAS 기관지정 및 기업지원 체계 구축을 수행하고 있다.
■ 이번 과제가 발주된 배경은
국외에서는 주요 지진에 의해 석유화학시설에 다양한 피해가 많이 발생했다. 국내에서는 경주·포항지진에 의해 규모가 큰 지진이 다수 발생하는 등 지진에 대한 위험성이 증가되고 있다. 이에 따라 지진대응에 대한 국내 설계기준 및 법이 강화되고 있으며 현재 구축된 설비 및 신규 구축 설비 등의 내진설계 및 내진성능평가에 대한 신뢰성 확보가 요구되고 있다.
2019년 3월 일부 개정된 건축구조기준은 진동대 실험을 통해 기계 및 전기설비에 대해 설계지진 시 정상작동 여부를, 기계설비 및 구조물에 대해서는 설계지진 시 위험물질이 유출되지 않음을 증명하도록 명시하고 있다. 또한 2017년 개정된 KGS GC203은 가스시설의 내진기준 적용 대상 시설을 명확화했으며 지상 배관 포함 내진기준 의무화 대상을 확대했다.
석유화학산단의 시설 및 설비에 대한 지진안전성평가를 위해 실제 지진을 모사해 시험을 수행할 수 있는 진동대와 같은 시험장비가 필요하며 국내에 이와 같은 시험장비를 구축하고 있는 곳이 몇 곳 되지 않는다.
부산대학교 지진방재연구센터(경남 양산), 한국기계연구원(대전), 한국SGS(경기 동탄) 등이 대표적이다. 석유화학시설은 지진 발생 시 큰 피해를 야기할 수 있음에도 불구하고 여수 석유화학산단에서 가까운 지역에는 이와 같은 인프라가 구축돼 있지 않다. 이에 따라 현재 여수산단의 시설 및 설비를 평가하기 위해 부산 또는 대전 등으로 설비를 운송해 시험을 수행해야 한다. 석유화학산단에 가까운 지역에 이와 같은 인프라를 구축하고 지속적인 기술지원을 통해 산단 안전 확보 및 내진기술의 증진을 꾀하고자 이번 사업이 진행되고 있다.
■ 이번 사업을 통해 구축되는 시험설비는
먼저 석유화학산단 대형구조물 및 설비의 지진모사시험이 가능한 6자유도 대형 지진모사시험기가 구축된다. Table Size(Max)는 4.1m×4.1m이며 최대 시편 적재 용량은 20ton이다. 국내 유사 규모의 시험장비에 비해 높은 가속도 및 변위까지 가진이 가능하다.
석유화학산단 전기·기계설비의 지진모사시험 및 진동내구성 평가를 시험할 수 있는 3축 동시 지진모사시험기도 구축된다. Table Size는 2m×2m로 최대 시편 적재 용량은 2ton이다. 적재하중 2ton급 장비는 통상적으로 최대주파수가 100Hz이며 서보모터로 구성된 엑츄에이터를 사용하는 전기식 장비다. 이에 따라 장비의 정밀한 제어 및 유지관리에 유리하다.
■ 이번 과제를 통한 기대효과는
석유화학산단의 시설 및 설비에 대한 지진안전성평가 신속 수행 및 이를 기반으로 한 산단 시설물의 안전확보 및 산단 기업에 대한 기술지원이 가능하다. 또한 산단 주변 중소기업의 내진설계 및 내진성능확보 기술력 증진 및 내진성능 점검 및 내진보강기술 확보도 기대할 수 있다.
특히 국내의 비구조요소 등 진동대를 활용한 시험을 통해 내진성능평가가 필요한 경우 성능평가 소요기간 단축도 단축할 수 있다.
■ 글로벌 비구조요소 내진설비시장 동향을 평가한다면
전 세계의 지진발생 빈도 및 규모가 지속적으로 증가함에 따라 각국은 건설 내진기준 강화, 비구조요소의 내진 적용시장이 확대되고 있다. 미국, 일본, 중국 등 지진 리스크(Global Seismic Risk15 기준)가 높으며 건설경기가 활성화된 주요국을 중심으로 내진성능이 확보된 비구조 건설자재에 대한 수요 증가하고 있다.
주요국 외 에콰도르 및 칠레 등 남미지역, 터키 및 UAE 등 중동지역과 뉴질랜드와 같은 지진 빈도가 높은 국가의 지진피해 증가에 따라 내진성능 확보에 대한 관심이 확대되고 있어 향후 높은 성장이 기대된다.
국제적으로 지진에 대한 내진안전성 확보 요구로 설계기준 및 제품의 기술규제가 강화 추세이며 관련 규제 적용국가 확산되고 있어 이에 대응하기 위한 국제인증서비스 확보가 필요한 상황이다. 2002년 이후 총 17건 이상의 지진관련 TBT(Technical Barriers to Trade: 무역기술장벽)가 접수됐으며 배관 및 송수관설비, 기계, 전기장치, 가스밸브,탱크 구조 등 비구조요소와 관련한 것이 주요한 내용이다. 비구조요소에 대한 내진설계기준체계는 미국이 선도해 개발, 보급하고 있으며 유럽과 일본 등에서 선진 설계기준이 운영 중이다.
관련제품 | 지역/국가 | 통보년도 (통보번호) | 통보내용 |
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배관설비, 송수관설비 기계 및 전기장치 | 중남미/칠레 | 2002 (34) | 산업용 구조 및 설비의 지진설계. 배관설비, 송수관설비, 공정, 기계 및 전기 장치 내진 설비 |
사일로, 탱크, 파이프라인 | 유럽 다수국 | 2007 (61) | 건축물의 안전 - 지진과 진동의 보호를 위한 Eurocode 8 비구조요소 항목 적용 |
가스밸브, 차단기 | 아시아/이스라엘 | 2010 (428) | 지진시 가스 자동 차단 장치 요구사항 정의 추가 |
승강기 및 제어시스템 | 아시아/일본 | 2011 (356) | 신규 설치 승강기 지진 발생시 운전 제어 시스템 설치 |
통신설비(무선, 유선) | 아시아/한국 | 2011 (323) | 재난 및 안전관리기본법 제38조의 개정안 : 비구조요소(통신설비)의 재난관련 기준 |
내진 건축구조물 및 비구조요소 제품 | 중남미/칠레 | 2014 (256) | 내진 건물의 지진 분야의 분석과 설계를 위한 요건을 정한다. 또한 건물에 지지되어 있는 비구조적 요소를 위한 요건과 내진 시스템을 위하여 요구되는 시험을 정함 |
기계식 콘크리트 앵커 고정 구조 | 중남미/에콰도르 | 2014 (200) | 에콰도르 표준기관(PRTE INEN)의 기술규정 초안, No. 178 "콘크리트 확장형 앵커"에 대한 기술 규정 |
전기/기계식 승강기 관련 설비 | 중남미/칠레 | 2015 (316) | 엘리베이터와 유사 시설의 설치, 유지 및 정규 관리를 위한 내용을 설정 |
미국의 경우 ASCE 7-1617에서 건축, 기계 및 전기 비구조요소를 분류하고 내진설계를 위한 설계하중 및 허용 변위기준 등을 제시하고 있으며 각 비구조요소별로 미국연방재난관리청(FEMA) 또는 산업표준에서 인정되고 있는 설계기준에 따라 설계토록 하고 있다. ASCE 7-16에서는 비구조요소의 성능 목표는 제시하지 않고 있으며 등가정적하중 또는 동적해석에 의한 층응답하중만 제시하고 있다. FEMA에서는 비구조요소 지진피해를 저감할 수 있는 기준 및 시공 상세를 기술한 기준을 제시(FEMA 412, 413, 414, 454, 460, 461)하고 FEMA 74-FM 및 E-74에서 에서는 상세 확인을 위한 체크리스트 등을 제시하고 있다.
유럽의 경우 EN 1998-118에서 파괴 시 인명 피해 또는 구조물의 주요 기능에 영향을 미칠 수 있는 비구조요소에 대해 지진하중을 고려해 설계토록 하고 있으며 등가정적하중에 의한 정적설계, 중요 비구조요소에 대해서는 구조물의 지진응답스펙트럼을 고려해 해석을 수행토록 하고 있다.
일본은 비구조요소의 내진설계를 위한 등가정적하중 제시하고 있으며 일본건축학회에서 ‘비구조부재 내진설계 시공 지침 동해설 및 시공요령’을 제공하고 있다. 비구조부재의 목표내진성능 규정하고 관성력 및 강제 변형각에 대한 설계 요건 규정, 실험적 연구 결과를 바탕으로 한 상세 및 기준의 근거를 밝히고 있다.
비구조요소의 성능검증을 위한 시험방법론은 미국이 선도하고 있으며 민간에서 개발한 시험기준과 인증시스템을 활용 중이다. ICC-ES, IEEE, IEC ASTM, ASME 등 전문기관 및 협회에서 관련 비구조 제품의 성능 검증을 위한 기술기준 등도 제시하고 있다.
시험/평가 기준 | 내용 |
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국외 | ICC ES AC156 | 진동대 실험을 이용한 비구조요소 내진 인증 허용 기준 |
AAMA 501.4, 501.6 | 커튼월, 유리의 정적/동적 실험 방법 |
ASTM C635, ASTM E580 | 천장의 표준 시험 방법 |
ANSI MH16.1 (RMI) | 적재설비의 설계 및 실험 방법 기준 |
Telcordia(미), NTT(일) | 방송통신설비의 민간 주도 시험 표준 |
OSPHD, ICC, FM, UL | 비구조요소 안전성 인증 제도(학교, 병원, 관공서 적용 강화) |
WEGAI, Westinghouse, Qualtech | 전문시험기관 검증 기준 활발 |
국내 | 방송통신설비의 내진시험방법 (KCS, KO-05.0800) | IEC 60068 규격 준용 국내 유일의 비구조요소 시험방법론 |
Telcordia(미국), NTT(일본) 등 민간 주도의 시험표준 개발이 활발하며 학교, 병원, 관공서 적용을 강화한 OSPHD, ICC, FM, UL 등 비구조요소 안전성 인증제도를 운영하고 있다. WEGAI, Westinghouse, Qualtech 등 전문시험기관에서도 검증이 활발하다.
■ 당부하고 싶은 말이 있다면
석유화학플랜트는 건축물과 같은 하나의 독립시설이 아니며 제품의 생산, 이송, 저장 등 위험물질을 취급하는 시설물이 상호간 강하게 연계된 매우 복잡한 군집시설이다. 지진 시 대규모 복합재난(시설물 붕괴, 화재, 폭발, 유해가스 확산 및 환경(토양, 수질, 대기) 오염 등)의 형태로 발전해 재난대비가 매우 어렵기 때문에 복합적인 연계를 고려한 내진설계 및 내진성능평가가 이뤄져야한다.
현재는 건축구조기준 및 가스시설 내진설계기준에 따라 설계가 이뤄지고 있으나 석유화학시설의 고유한 특성이 반영된 설계기준은 아니기 때문에 각 요소간 연계 및 시설물의 특징을 고려한 별도의 내진설계기준 및 내진성능평가법 개발이 필요하다.
또한 석유화학시설 내 설비에 대한 지진취약도분석이 미비해 확률론적으로 합리적인 설계방안을 마련하기 어려우므로 지속적인 실험 및 해석을 통해 취약도 DB를 구축하고 이를 기반으로 한 확률론적 설계법이 제시돼야 한다.
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