건축전기설비 내진설계

왜 배우는가: 건축전기설비는 지진 때 정전이나 설비 탈락으로 소방과 피난 기능을 잃을 수 있어 내진설계가 필요하다. 설비별 내진대책과 법적 근거를 묻는 문제가 반복해서 출제된다.

출제 이력: 제137회 1교시 3번, 제111회 4교시 4번, 제110회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

건축전기설비 내진설계는 지진 시 전기설비가 기능을 유지하고 인명 안전을 해치지 않도록 설비의 배치·고정·정착을 설계지진력에 맞게 정하는 설계이다.

• 건축전기설비
• 비구조요소
• 설계지진력
• 내진등급
• 중요도계수
• 정착(앵커볼트)
• 기능수행수준
• 흔들림 방지 버팀대

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 지진이 나면 건물이 흔들리고 그 안에 붙은 전기설비도 함께 흔들린다. 설비가 고정에서 풀리거나 떨어지면 기능을 잃고, 감전이나 화재를 일으킬 수 있다. 그래서 흔들림의 크기를 미리 계산하고 그 힘을 견디도록 고정하는 것이 내진설계다.

정식으로는 건축전기설비 내진설계를 「지진ㆍ화산재해대책법」과 건축물 내진설계기준에 따라 전기설비에 작용하는 설계지진력을 산정하고, 그 힘을 견디도록 설비의 배치·고정·정착을 정하는 일로 정의한다. 전기설비는 건물의 주구조가 아니라 비구조요소로 분류된다. 따라서 골조 설계와 별도로 설비 중량과 설치 높이에 따른 지진력을 따로 계산한다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 비구조요소: 건물의 골조가 아니라 건물에 부착되거나 설치된 설비와 마감을 말한다. 발전기, 변압기, 배전반, 조명기구, 축전지 등이 여기에 든다. 지진 때 골조보다 먼저 손상되는 경우가 많아 별도로 설계한다.

• 설계지진력: 지진으로 설비에 작용하는 수평 힘과 수직 힘이다. 설비의 가동중량에 지진계수와 중요도계수를 곱해 구한다. 수평 힘이 설비 중량의 일정 배수를 넘으면 흔들림 방지 장치를 더 강하게 설계해야 한다.

• 중요도계수: 설비가 재난 대응에서 차지하는 중요도에 따라 설계지진력을 키우는 계수다. 소방시설의 내진설계에서는 중요도계수를 1.5로 정한다. 비상전원과 소방설비처럼 재난 시 반드시 작동해야 하는 설비일수록 이 계수를 적용한다.

• 정착: 설비를 바닥이나 벽 구조체에 앵커볼트 등으로 고정하는 것이다. 정착 방법은 설비 무게, 지진력 방향, 구조체 강도에 따라 정한다. 같은 설비라도 정착부가 약하면 기능 수행이 불가능하다.

• 기능수행수준: 지진이 발생한 뒤에도 설비가 정상 기능을 유지해야 한다는 성능 목표다. 비상전원과 소방설비는 붕괴 방지보다 높은 수준의 기능수행이 요구되는 경우가 많다.

3. 등장 배경과 필요성

국내에서는 지진 방재 체계가 강화되면서 전기설비의 내진 필요성이 커졌다. 「지진ㆍ화산재해대책법」 제17조 제2항은 재난안전상황실과 지역재난안전대책본부의 기능을 유지하려면 전력과 통신 등 관련 설비에 대한 내진대책을 함께 강구하도록 규정한다. 재난 대응 거점의 전원이 끊기면 대응 자체가 불가능해지기 때문이다.

건축물에서 전기설비가 중요한 이유는 연쇄 피해 때문이다. 지진으로 상용 전원이 끊기면 비상용 발전기가 기동해야 한다. 발전기가 고정 불량으로 넘어지거나 연료 배관이 파손되면 비상전원이 공급되지 않는다. 그 결과 소방펌프, 비상조명, 비상방송, 승강기 구출 운전이 모두 멈춘다. 정전에서 소방 기능 상실, 화재 확산, 인명 피해로 이어지는 경로를 끊는 것이 내진설계의 목적이다.

전기설비가 지진에 취약한 이유는 다음과 같다. 첫째, 변압기와 발전기처럼 중량이 큰 설비는 지진 관성력이 커서 고정이 풀리기 쉽다. 둘째, 배전반과 제어반은 문이나 내부 부품이 흔들려 기능이 저하된다. 셋째, 건물과 설비가 서로 다른 방향으로 움직이면 전선관과 케이블트레이의 연결부가 파손된다. 이 마지막 문제는 소방배관에서 건물 구조부재 간 상대변위를 흡수하기 위해 지진분리이음을 쓰는 것과 같은 원리로 해결한다.

전기설비의 내진 기준은 건축물 내진설계기준의 비구조요소 규정을 따른다. 소방시설의 내진설계 기준은 건축물 내진설계기준을 따라 내진등급과 성능수준, 지진구역계수를 정하고, 비구조요소의 설계지진력 산정 방법을 적용한다. 기초 구조물의 내진설계는 기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)에 따르며, 변압기와 발전기의 기초가 여기에 해당한다. 설비 기초와 지반 상호작용을 함께 검토해야 설비 고정이 의미를 가진다.

따라서 건축전기설비 내진설계는 설비 하나의 고정 문제가 아니다. 법적 책무, 비상전원의 기능 유지, 소방·피난 설비와의 연계, 기초와 정착부 설계가 함께 얽힌 체계로 이해해야 한다. 답안에서는 이 배경을 먼저 제시하면 이후 설비별 대책을 설득력 있게 이어 쓸 수 있다.

4. 구성요소·원리·절차

건축전기설비의 내진 구성요소는 설비 본체, 정착부, 지지 부재, 건물 연결부로 나눈다. 설비 본체는 가동중량(Wp)을 가지며, 지진 시 발생하는 관성력이 정착부와 지지 부재로 전달된다. 따라서 설계는 본체에 걸리는 수평력을 구하고, 그 힘을 정착부와 지지 부재가 견디는지 검토하는 순서로 진행한다.

표의 네 요소는 힘이 흐르는 순서로 배열된다. 본체가 힘을 받으면 버팀대가 그 힘을 건물로 넘기고, 정착부가 최종적으로 건물에 고정한다.

원리는 관성력이 질량과 가속도의 곱이라는 데 있다. 소방 분야 기준은 소화배관의 수평지진하중을 다음 식으로 정한다.

$F_{pw} = C_p \times W_p$

F_pw는 수평지진하중(N), W_p는 가동중량(N), C_p는 지진계수로 별표에 따라 선정한다. 허용응력설계법을 적용하는 경우에는 이 방법을 쓰고, 그 밖의 방법으로 구한 설계지진력에는 0.7을 곱해 지진하중으로 적용한다.

흔들림 방지 버팀대는 수평설계지진력의 크기와 버팀대 각도로 설치 여부를 정한다. 지진에 의한 배관의 수평설계지진력이 0.5Wp를 넘고 흔들림 방지 버팀대의 각도가 수직에서 45도 미만인 경우 또는 수평설계지진력이 1.0Wp를 넘고 흔들림 방지 버팀대의 각도가 수직에서 60도 미만인 경우 흔들림 방지 버팀대는 수평설계지진력에 의한 유효수직반력을 견디도록 설치한다. 전기설비의 전선관과 케이블트레이 지지도 이 판정 방식을 준용하는 것이 실무 관행이다.

내진설계 절차는 다음과 같다.

• 건축물의 내진등급과 지진구역을 확인한다.
• 설비별 가동중량 Wp를 산정한다.
• 비구조요소 설계지진력을 구하고, 허용응력설계법이면 보정계수를 적용한다.
• 흔들림 방지 버팀대의 설치 조건을 검토하고 간격과 각도를 정한다.
• 앵커볼트의 최대허용하중을 정착부 조건별로 확인한다.
• 건물 상대변위에 따라 지진분리장치와 관통부 이격을 설계한다.

5. 관련 법령·기준·표준

지진ㆍ화산재해대책법 제17조 제2항은 재난안전상황실과 지역재난안전대책본부의 기능을 유지하려면 전력과 통신 등 관련 설비의 내진대책을 함께 강구하도록 정한다. 이 조문은 내진보강이 끝난 시설물에 설치되는 상황실을 대상으로 하며, 전원설비의 내진이 건물 기능 유지의 전제가 됨을 보여 준다.

소방시설의 내진설계 기준은 내진등급, 성능수준, 지진위험도, 지진구역계수를 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)에 따르도록 정한다. 그리고 중요도계수는 별도로 정해 적용한다. 비구조요소의 설계지진력은 건축물 내진설계기준의 산정방법을 따르고, 수조, 가압송수장치, 제어반, 비상전원 등은 비구조요소 정착부 기준에 따라 앵커볼트를 설치한다.

기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)은 기초와 말뚝의 정착을 다룬다. 속채움이 없는 강관말뚝 등은 말뚝 허용지지력의 10% 이상 인발력이 전달되도록 정착해야 한다. 설비 기초에 말뚝을 쓰는 경우 이 규정을 준용한다.