가스시설 내진설계

왜 배우는가: 가스시설은 지진으로 파손되면 누출, 화재, 폭발로 이어져 피해가 시설 밖으로 번지므로 설계 단계에서 내진 요건을 갖춰야 한다. 여러 회차에서 반복해 다룬 주제이므로 법령 적용 대상과 성능 목표를 구분해 익혀야 한다.

출제 이력: 제132회 2교시 1번, 제126회 3교시 6번, 제123회 3교시 2번, 제110회 2교시 4번, 제101회 2교시 6번, 제93회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

가스시설 내진설계는 지진 시 가스시설의 누출과 파손을 막도록 지반운동과 내진등급에 맞춰 설계하는 것이다.

답안의 첫 줄에는 이 정의를 쓰고, 본문 설명은 아래 키워드를 중심으로 이어간다. 키워드는 답안 본문에 정확한 용어로 넣어야 한다.

• 내진설계: 지진에 의한 힘에 저항하도록 구조와 설비를 설계하는 것이다. 넓은 뜻으로는 면진과 제진을 포함한다.
• 내진등급: 시설의 중요도와 피해 규모에 따라 나눈 등급이다. 등급이 높을수록 더 큰 지진에 대비한다.
• 내진성능수준: 지진 후 시설이 유지해야 할 상태의 기준이다. 기능수행, 즉시복구, 장기복구/인명보호, 붕괴방지의 네 단계로 나뉜다.
• 설계지반운동: 설계에 쓰는 지반 진동의 특성이다. 지상 구조물은 부지 정지작업이 끝난 지면을, 지중 구조물은 기초 저면을 기준으로 정한다.
• 지반분류: 기반암 깊이와 토층의 평균 전단파 속도로 지반의 등급을 나누는 방법이다. 지반 조건에 따라 지진파가 증폭되는 정도가 달라진다.
• 가스관계 3법: 고압가스 안전관리법, 액화석유가스의 안전관리 및 사업법, 도시가스사업법을 함께 부르는 말이다. 각각 고압가스, 액화석유가스, 도시가스를 규율한다.
• 가스시설 및 지상 가스배관 내진설계 기준: 가스시설의 구체적인 설계 방법을 정한 기술 기준이다. 법령이 정한 설계 의무를 실제 수치와 방법으로 구현한다.

2. 개념 풀이

가스시설 내진설계는 지진에 의한 지반운동이 가스시설에 미치는 영향을 예측하고, 시설이 그 힘을 견디거나 흡수하여 목표한 성능을 유지하도록 구조, 설비, 배관의 강도와 변형 한도를 정하는 설계 절차이다. 지상 설비와 지중 배관을 모두 대상으로 하며, 지반의 움직임이 시설에 전달되는 경로까지 함께 고려한다는 점이 특징이다.

지진이 나면 지반이 흔들리고, 그 움직임이 기초와 구조물로 전달되어 관성력과 변위가 생긴다. 관성력은 지반 진동으로 구조물 질량에 작용하는 힘이다. 지상 설비는 주로 관성력을 받고, 지중 배관은 주변 지반이 변형하는 만큼 따라 움직이므로 변위가 주된 하중이 된다. 배관은 신축이음이나 가요성 이음을 두어 지반 변위를 흡수하도록 설계할 수 있다. 두 경우 모두 이음부와 연결부에 응력이 집중되므로 설계에서 이 부분을 먼저 검토한다.

가스시설은 고압 가스를 담고 있어 용기나 접합부가 파손되면 누출, 화재, 폭발로 이어진다. 그래서 설계 목표는 시설의 성능을 유지하는 것과 함께 파손되더라도 가스 누출과 인명 피해를 막는 것으로 정해진다. 내진성능수준은 바로 이 목표를 지반운동의 크기별로 나눈 기준이다.

내진성능수준에서 기능수행수준은 지진 중이나 직후에도 정상 기능을 유지하는 수준이고, 붕괴방지수준은 기능이 상실되더라도 붕괴와 대규모 누출을 막는 수준이다. 두 수준은 목표가 다르므로 답안에서는 기능 유지와 붕괴 방지로 구분해 쓴다.

설계에서는 연성도 함께 확보한다. 연성은 항복 이후에도 강도를 크게 잃지 않고 변형할 수 있는 성질이며, 큰 지진에서 갑작스러운 파괴를 막는 역할을 한다.

지반 조건도 중요하다. 설계지반운동은 같은 지역이라도 지반 조건에 따라 달라지며, 연약한 토층은 지진파를 증폭시키고 단단한 암반은 증폭을 줄인다. 지반이 느슨한 포화 사질토라면 액상화가 생길 수 있다. 액상화는 진동으로 간극수압이 올라가 흙이 전단강도를 잃고 액체처럼 거동하는 현상이며, 기초가 지지력을 잃어 시설이 기울거나 가라앉는다.

설계는 입지 조건을 파악하고 지반을 분류한 뒤, 내진등급과 내진성능수준에 맞춰 설계지반운동을 정하는 순서로 진행한다. 이후 구조해석으로 응력과 변위를 구해 허용 기준과 비교하며, 구체적인 절차는 4절에서 다룬다.

3. 등장 배경과 필요성

국내에서는 지진 빈도가 높지 않다고 여겨져 내진설계의 필요성이 상대적으로 낮게 인식되었다. 그러나 2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진을 겪으면서 중규모 지진도 건축물과 설비에 큰 피해를 줄 수 있다는 점이 확인되었다. 이후 지진에 대비한 설계가 공공 시설 전반의 과제로 바뀌었다.

가스시설은 고압이고 인화성이 있는 가스를 다루므로 지진 피해가 시설 밖으로 번지기 쉽다. 특히 도시 지하에 매설된 배관은 지반 변형에 따라 이음부가 벌어지거나 균열이 생길 수 있어, 지상 설비와 다른 방식의 검토가 필요하다. 가스 공급이 끊기면 생활과 산업 전반에 영향이 미친다는 점도 배경이 된다.