1. 서 론
계기지진 관측이 시작된 1978년 이후 국내 지진 발생은 특정 지역에 국한되지 않고 전국적으로 산발적으로 나타났다. 최근 10년간 규모 2.0 이상의 지진은 연평균 약 50회 수준이며, 1978년 이후 규모 5.0 이상 지진은 총 10회 발생한 것으로 관측되었으나 시간이나 위치에 있어 일정한 경향성을 보이지 않는다(1). 그러나 2016년 9월 12일 경주 지진(규모 5.8)은 계기 관측 사상 최대 규모로 기록되며 한반도 지진활동이 활발해진 것으로 나타났으며 이는 특정 지역에 국한되지 않았다(2). 2017년 11월 15일 규모 5.4의 포항 지진은 그 다음 규모의 큰 지진발생 사건으로 진원 깊이 약 7 Km의 얕은 진원의 깊이를 가진 특징이었다. 이 지진으로 인해 경북지역에서는 최대 진도 Ⅵ가 관측되었고, 강원⋅경남⋅대구⋅부산⋅울산 등 인근 지역에서도 진도 Ⅳ 수준의 진동이 감지되는 등 9.12 경주 지진과는 다른 피해 양상이 보고되었다(3).
Table 1은 본 연구시 활용한 지진분석 자료 비교 결과 요약 표이며, 포항 지진은 최대지반가속도(peak ground acceleration)가 포항관측소에서 0.3739 g로 관측되었고, 경주 9.12 지진은 울산관측소에서 0.6092 g로(4) 더 크게 기록되었다. 주파수 특성에서는 포항 지진이 상대적으로 낮은 저주파(0.1~5 Hz) 대역의 에너지가 강하며, 경주 9.12 지진은 고주파(5~10 Hz) 대역의 에너지 특성이 나타났다.
Table 1
Comparison of the Pohang Earthquake and Gyeonju 9.12 Earthquake(4)
Figure 1은 포항 지역 주요 지진관측소의 기본주파수(fundamental frequency)와 우세주파수(predominant frequency)를 비교한 결과를 나타낸다. 특히 기상청(koreal meteorological administration) 관측소 중 KMA5 지점에서 기본주파수가 약 13 Hz로 측정되었으며, KMA3, KMA6, KMA8 지점에서는 fundamental frequency와 우세주파수가 동일하게 관측되었다.
Figure 2는 2016년 9월 12일 경주 지진의 50개 관측소 자료를 바탕으로 작성한 가속도 응답스펙트럼이다. 그래프는 평균(mean) 및 평균 + 1σ 스펙트럼을 함께 제시하며, 응답은 0.05~0.1 s (약 5~10 Hz) 영역에서 집중되어 고주파 성분이 뚜렷하게 우세하게 나타났다. 저주파 대역에서는 에너지가 급격히 감소하였으며, 이는 경주지진이 포항지진과 달리 단주기 고주파 지배형 지진임을 나타낸다(5).
소방시설 배관은 중요도 계수(importance factor, Ip) 1.5 이상의 내진설계 필수 비구조요소로서, 지진 발생 시 기능의 상실은 곧 생명, 재산 피해로 직결된다(6,7). 그러나 현재 국내 소방시설 내진설계 기준은 정적해석 기반의 단순 하중 산정 및 브레이싱 배치를 규정하는 수준의 cook book 방식에 머물러 있다(8).
Cook book 방식이란, 구조물이나 배관 시스템의 실제 동적 거동을 수치해석적으로 검토하기 보다는, NFPA 13, 소방시설의 내진설계 기준, KDS 41 17 00 등 코드에서 제시하는 하중 산정식과 표준화된 절차를 그대로 적용하여 설계하는 접근법을 의미한다. 즉, 구조물의 질량분포, 강성, 감쇠비등의 동적특성을 고려하지 않고 “어떤 조건의 배관에는 얼마의 횡하중을, 얼마 간격으로 브레이싱을 설치한다”는 식의 설계를 수행하는 방식이다.
이 방식은 설계 절차가 간단하고 실무 적용성이 높다는 장점이 있으나, 주파수의 정합성, 감쇠비 특성, 경계조건 등 동역학적 요소를 반영하지 못한다는 근본적 한계를 지닌다. 따라서 구조물의 응답이 배관의 고유주파수와 일치할 경우 발생할 수 있는 공진이나 동적 증폭을 평가하기 어렵다.
국내 소방시설 내진설계 기준에서는 “배관의 중량에 지진계수를 곱하여 설계지진하중을 적용한다” 단순 허용응력 설계법이나 “브레이싱 간격은 12 m로 제한한다” 등과 같은 규정 중심의 cook book 방식 기준을 제시하고 있다. 그러나 이러한 방식은 실제 배관의 형상, 지진조건, 지진파의 주파수 성분에 따른 응답 차이를 반영하지 못한다.
이러한 cook book 방식의 설계 접근법은 내진성능을 과대 혹은 과소 평가할 가능성이 있으며, 특히 배관의 고유진동수가 지진 주파수 대역과 중첩될 경우 실제 응답이 설계 기준보다 훨씬 크게 증폭될 수 있다. 또한 감쇠비가(약 2% 내외) 작은 배관 시스템에서는 저차 모드에서 공진 증폭 가능성이 더욱 높다(9).
소방시설배관은 건축물의 내부 구조체에 부착된 비 구조요소로서 건축물의 진동 특성에 종속되어 거동하지만, 건축물의 고유진동수(약 0.1~0.5 Hz)(10,11)는 본 연구에서 해석한 배관의 고유진동수(약 1~10 Hz)와 상이한 주파수대에 위치한다. 따라서 건축물 전체의 공진 현상은 발생하지 않더라도, 건축물의 진동이 브레이싱이나 슬래브, 기둥을 통해 배관 시스템으로 전달되는 과정에서 부분 공진(local resonance) 또는 동적 응답 증폭이 발생할 가능성이 있다.
이러한 배경에서 본 연구는 비구조요소인 스프링클러 배관의 고유진동수 특성을 해석적으로 규명하고, 국내 실지진파(경주, 포함)의 주파수 특성과 비교 분석하여 공진 취약 구간을 식별하는 것을 주요 목적으로 한다. 이를 위해 Bentley 사의 AutoPIPE를 활용하여 모달해석(modal analysis)을 수행하였다. Figure 1의 분석을 근거로 본 연구에서는 KMA5의 13 Hz를 국내 지진 조건에서의 최대 공진 위험 주파수로 설정하고, 배관 고유주파수가 이 값 이하에 위치하는 경우를 공진 위험 구간으로 정의하였다.
본 연구의 목표는 배관 높이, 관경 변화에 따른 고유주파수의 변화를 통해 공진 취약 구간을 식별하고, 지진 주파수대와의 중첩 여부를 통해 동적 해석 관점에서 내진 성능 평가 기준을 제시하는 데 있다.
또한 향후 연구에서는 건축물 응답 전달 특성(층간 변위, 가속동 응답비 등)을 고려한 연성해석(coupled aanysis)을 수행하여 비구조요소의 실제 지진응답 특성과 구조체 상호작용을 비교⋅분석할 계획이다.
2. 이론적 배경
2.1 동적하중계수(DLF)와 공진
동적하중계수와 공진을 산출하기 위해서는, 단자유도계(SDOF)에 조화하중이 작용하는 경우를 고려한다. 조화하중은 시간에 따라 사인 함수 형대로 주기적으로 변하는 외력을 의미하며, F(t) = F0sinwt (F0: 하중의 최대 크기)로 정의된다. 이에 따른 운동방정식은 질량(M), 감쇠(C), 감성(K)에 의해 지배되며, Μü (t) + Cu̇(t) + Ku(t) = F(t)로 표현된다. 감쇠비(ζ)는 실제점성감쇠계수(c)가 임계감쇠계수(CC)의 몇 % 인지 나타내는 비율로 나타내며 식(1)과 같이 정의된다(12).
ζ: 감쇠비(damping ratio)
c: 실제점성감쇠(viscous damping), N⋅s/m = kg⋅m/s2 = kg/s
Cc: 임계감쇠(critical damping), N⋅s/m
M: 질량, kg
ωn: 고유주파수, rad/s
정적 동일하중 상태에서 동일한 크기의 하중F0 을 가했을 때의 변위XST = F0 /K 와, 조화하중 작용 시 변위 응답의 최대값ymax 과의 비를 동적하중확대계수(dynamic load factor, DLF)라 하며, 식(2)와 같이 정의된다. 식(2)에 따르면 입력주파수와 고유 주파수가 일치하는 경우(B = 1) 공진(resonance)이 발생하여 응답이 최대가 된다.
여기서 DLF: dynamic load factor
ymax: 변대위 응답의 최값(진폭)
F0: 하중의 최대(진폭) 크기, [N] - F(t) = F0sinωt
K: Stiffness (N/m)
Β: 주파수비(ω/ωn), 무차원
. ω: 입력 주파수(rad/s)
. ωn: 고유 주파수(rad/s)
이때의 최대확대계수는DLFmax = DLF(1,ζ) = 1/2ζ와 같이 단수화되며, 감쇠가 감소할수록 피크가 급격히 증가한다. 특히 무감쇠(ζ = 0)의 최대확산계수는 무한대로 발산하므로, 공진 시 응답이 이론적으로 무한정 커질수 있음을 시사한다. Figure 3(13)은 이러한 관계를 감쇠비별(ζ = 0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.5, 1.0) 곡선으로 시각화한 것으로, B ≈ 1에서 피크가 나타나고ζ가 커질수 록 피크 높이가 감소함을 명확히 보여준다.
2.2 고유치 해석(eigenvalue analysis)과 모달해석 (modal analysis)(17)
구조물의 동적 거동은 질량 행렬(M)과 강성 행렬(K)에 의해 지배되며, 고유 진동수는 외력 F(t)가 없는 자유진동 조건에서 결정된다. 이에 따라 운동방적식은 다음과 같이 표현된다.
여기서{u(t)}는 변위 벡터이다. 구조물의 진동은 일반적으로 시간의 조화방정식(harmonic equation) 형태를 가진다고 가정할 수 있으므로, 해를 다음 식과 같이 두면,
여기서, {∅}: 모드형상(natural mode)
eiwt: 복수 지수 함수(진동 해 표현)
w: 각 진동수
시간항을 소거할 수 있는 고유치 문제(eigenvalue problem)로 환원된다.
위의 식은 변위 모드 {∅}에 대한 선형 동차방정식들의 집합이다. 그러므로 식(5)은 {∅}계수행렬의 행렬식(determinant)이 0일 때에만 0이 아닌 해를 주므로 해가 존재하기 위해서는 다음의 행렬식이 성립해야 한다.
이를 통해 n개의 고유치w2i와 고유벡터{∅}를 구할 수 있으며, 이는 구조물의 동적 특성을 규정하는 핵심 요소가 된다. 특히, 고유진동수는 구조물의 공진을 일으킬 수 있는 위험 주파수를 의미하므로, 내진 설계 및 내진 안전성 평가에서 반드시 고려해야 한다.
한편, 실제 구조물의 응답은 단일 모드로만 설명되지 않고 복수의 모드가 동시에 중첩(superposition) 되어 나타난다. 따라서 변위 응답은 진폭의 변화(qn (t))와 모드형상(Φn)의 선형결합으로 표현된다.
여기서qn (t)는 시간에 따라 변하는 진폭 함수이며, {∅}은 구조물의 특정 모드형상이다. 이와 같이 전체 응답을 모드별 성분으로 분리하여 해석하는 방법을 모달해석이라 하며. 모달해석은 자유진동 해석뿐아니라 응답스펙트럼 해석, 시간이력 해석 등 다양한 지진 응답 해석 기법의 기초로 활용된다.
3. 해석 방법 및 조건
본 연구에서는 스프링클러 설비 배관 시스템의 고유진동수 특성을 분석하기 위하여, 실제 설비에서 사용되는 수직 입상배관과 수평주행배관을 모델링하여 모달해석을 수행하였다. 해석 조건은 다음과 같이 설정하였다.
먼저, 수직입상배관은 Figure 4와 같이 높이 10 m에서 100 m까지 단계적으로 변화시켜 해석을 수행하였으며, 직경은 호칭경 100 A, 125 A, 150 A, 200 A를 적용하였다. 입상배관의 지지점은 소방시설 내진설계 기준을 준수하여 일정 간격마다 설치되는 것으로 가정 하였으며, Figure 5와 같이 X, Y, Z 방향 구속조건을 입력하였다. 이러한 구속조건은 모달해석에서 모든 방향에서 절점이 구속된 상태를 의미하며, 소방시설배관 내진설계에서의 4 way seismic brace 개념과 유사하다.
Table 2는 본 연구에서 사용된 배관 재료인 ASTM A53 Grade B의 물리적 특성을 요약한 것이다. 해당 재질은 압력배관탄소강관 KS 3562와 동일한 규격으로서, 주로 소방, 기계설비 및 산업용 배관 시스템에 널리 사용된다. Design condition은 압력 1.18 MPa, 상온온도 21 °C 조건하에서 해석을 진행하였다. 재료의 최소 항복강도(minimum yield strength)는 241.32 N/mm2이며, 이는 하중-변형 거동 시 탄성 구간의 한계를 판단하는 데 기준이 된다. 또한 밀도는 7,833 kg/m3로 설정되어 관성력 계산 시 필수적인 입력값으로 사용되며, 푸아송 비(Poisson’s ratio)는 0.3으로, 탄성계수와 전단계수 간의 관계 설정 및 축 방향과 횡방향 변형 비율 산정에 활용된다. 또한, 배관 내 충만한 소화용수의 질량을 고려함으로써, 실제 사용 중량 조건에서의 고유진동수 변화와 응답특성을 보다 현실적으로 반영하기 위해 물의 비중 값 1을 Pipe 속성값으로 입력하였다.
Table 2
Piping Physicality(17)
| Material | Temp (℃) | Pressure (MPa) | Min Yield (N/mm2) | Density (kg/m3) | Poisson’s Ratio | Specific Graviity |
|---|---|---|---|---|---|---|
| A53-B | 21 | 1.18 | 241.32 | 7833 | 0.3 | 1 |
이러한 물성치는 정적 및 동적해석의 기초 데이터로서 전체 소방시설 배관 시스템의 응답 특성에 중요한 영향을 미친다(15).
수평주행배관은 Figure 6과 같이 주배관과 분기배관이 격자형태로 배열된 트리 타입(tree type)으로 모델링하였다. 횡방향 및 종방향 흔들림 버팀대 설치 간격과 배치기준은 소방시설 내진설계 기준(NFSC)에 따라 적용하였으며, 이를 반영하여 서포트의 질량 및 구속조건을 포함한 모달 해석을 수행하였다.
4. 결과 및 분석
수직 및 수평주행배관 모델링에 대해 고유치 해석을 수행하여 모드별 고유진동수와 질량 참여율을 산정하였다. 도출된 해석 결과를 국내에서 발생한 대표적인 지진인 2016년 경주지진과 2017년 포항 지진의 주파수 특성과 비교하여, 스프링클러 설비 배관의 공진 가능성을 검토하였다.
Table 1에 제시된 주파수 값에 따르면, 포항지진은 저주파수(0.1~5 Hz) 대역에서 상대적으로 큰 에너지를 보였으며, 경주 9.12 지진은 고주파수(5~10 Hz) 대역에서 두드러진 특성을 나타냈다. 특히 포항지진 발생 시 지진관측소(KMA05)에서 측정된 최대 공진 위험 주파수를 약 13 Hz 이하로 확인되었으며, 이는 스프링클러 설비 배관의 고유주파수가 이 값과 근접할 경우 지진파와의 일치로 공진 위험성이 높아질 수 있음을 의미한다. 일반적으로 구조물은 지진과 같은 입력주파수와 고유주파수가 근접할 때 응답이 크게 증폭되며, 감쇠비가 낮을수록 그 증폭현상은 더욱 두드러진다. 배관 시스템은 건축 구조물에 비해 점성 감쇠가 작기 때문에 내진해석에서 통상 2% 전후의 감쇠비를 가정하며 실험적 연구에서도 1~3% 수준으로 보고된 바 있다(8). 따라서 배관의 고유주파수가 최대 13 Hz 이하로 존재하는 경우, 실제 지진 발생 시 공진에 따른 응답 증폭 위험이 크게 증가할 수 있다.
Figures 7~9는 수평, 수직 스프링클러 배관의 대표적인 모드형상을 나타낸 것으로, 각각 1차(1.48 Hz), 9차(8.2 Hz), 24차(12.53 Hz) 모드에 해당한다.
Figure 7은 약 1.48 Hz에서 발생하는 1차 모드로, 배관 전체가 동일 위상으로 진동하는 저차 횡진동(lateral mode) 형태를 보인다. 이 모드는 시스템 전체 질량이 주로 참여하는 거동으로, 배관 전체 응답에 가장 큰 영향을 미친다.
Figure 8의 8.2 Hz 모드는 브랜치 및 브레이싱 접속부 주변에서 국부적인 진동이 발생하는 중차 횡진동 형태로, 강성 불균형 구간에서 진폭이 증가하는 특성이 확인된다.
Figure 9의 12.53 Hz 모드는 배관의 축을 따라 다수의 굽힘 파형이 형성된 고차 횡진동 형태를 보인다. 주파수가 높을수록 전체 진폭은 감소하지만, 특정 구간에서는 상대적으로 큰 응답이 나타났다.
이러한 결과를 통해 스프링클러 배관의 주요 진동 거동은 저차 모드(1~3차) 에서 전체 구조 응답을 지배하며, 고차 모드(10 Hz 이상)에서는 비교적 국부적인 변형이 중심이 됨을 확인하였다.
Figure 10은 배관 높이에 따른 fundamental frequency와 predominant frequency를 비교한 결과 그래프이다. 해석 결과 fundamental frequency는 배관 높이가 증가할수록 감소하는 경향을 보였으며, 이는 배관 시스템의 길이와 강성의 영향 때문이다. 특히 100 A 배관의 경우 10 m에서 약 18 Hz 나타났으나, 20 m 로 증가할 경우 13 Hz 이하로 감소하여 공진 위험 영역에 포함되는 것으로 확인되었다. 반면 관경이 증가하면 단면 2차 모멘트가 커져 강성이 증가하므로 fundamental frequency가 상대적으로 높게 유지되었으며, 100 A 이상의 배관은 전체 구간에서 20 Hz 이상을 나타내어 13 Hz 기준을 상회하였다.
한편 predominant frequency는 fundamental frequency보다 높은 값으로 나타났으며, 모든 관경에서 20 Hz 이상으로 형성되어 한반도 지진의 주파수 영역대(0.1~10 Hz, 최대 위험 주파수 13 Hz 포함)를 벗어나는 것으로 확인되었다. 이는 실제 지진 응답 시 배관의 지배적 응답 주파수가 fundamental frequency와 반드시 일치하지 않으며, 특정 모드 형상과 질량참여율, 지진파 에너지 분포가 결합되어 더 높은 주파수에서 나타날 수 있음을 보여준다.
Fundamental frequency와 predominant frequency는 서로 다른 의미를 가지지만 모두 고려할 필요가 있다. Fundamental frequency는 배관 시스템의 기본적인 1차 고유 특성을 나타내며, 지진파와의 주파수 정합 여부를 판단하는 핵심 지표가 된다. 반면 predominant frequency는 실제 지진 입력 작용 시 지배적인 응답 특성을 설명하는 지표로 활용된다. 즉, fundamental frequency가 국내 지진 주파수대와 근접할 경우 공진 위험이 발생할 수 있으며, predominant frequency는 실제 응답 거동의 변화를 파악하는 데 중요한 기준을 제공한다. 따라서 소방 배관 시스템의 내진 설계와 안전성 평가에서는 두 가지 주파수를 모두 종합적으로 검토하는 것이 필요하다.
Figure 11은 수평 주행배관의 전체 모달해석 결과를 나타낸 것으로, 모드 번호 125번까지의 고유진동수와 평균 질량 참여율 분포를 도시하였다. 해석 결과, 전체 누적 질량 참여율은 약 85%로 모달해석의 신뢰성 기준(80% 이상)을 충족하였다. 주요 고유진동수는 1.48 Hz에서 12.10 Hz 범위에 분포하였으며, 이는 국내 실지진파의 주 에너지 대역(1~10 Hz)과 부분적으로 중첩되어 공진 가능성을 내포한다.
Figure 12는 저차 모드(Mode 1~28)를 확대하여 13 Hz 이하 주파수 구간의 응답 특성을 분석한 결과이다. Mode 1 (1.48 Hz) 에서 가장 높은 질량 참여율(2.07%)이 나타났으며, 이는 배관 전체의 전역적인 횡방향 거동을 대표하는 기본모드이다. 이 주파수 대역은 포항지진(0.1~5 Hz 저주파 지배형)과 유사하여, 배관 전체가 구조체의 저주파 응답에 동조될 경우 전역 공진이 발생할 가능성이 높다.
Table 3은 질량 참여율이 높은 대표 모드의 고유진동수, 질량 참여율 및 지배 방향을 정리한 결과이다. 저차 모드(Mode 1, 1.48 Hz)는 가장 낮은 주파수에서 비교적 큰 질량 참여율(2.07%)을 나타내며, 이 거동은 Figure 7에서 나타난 배관 전체의 횡진동 형상과 일치하며, 배관 시스템의 전역적 응답을 지배한다.
Table 3
Modal Characteristics of Sprinkler Piping Obtained from Modal Analysis
반면, 고차 영역(8~12 Hz)에서는 특정 모드가 Figure 8과 같이 국부 응답을 지배하는 양상이 확인되었다. 특히 Mode 15 (10.06 Hz)와 Mode 23 (12.08 Hz)은 각각 경주지진의 주 에너지 대역(5~10 Hz) 및 KMA5 관측소의 우세주파수(13 Hz)에 근접하여, 지진파의 고주파 성분과 배관의 고유진동수가 정합될 경우 국부 공진이 발생할 가능성이 높다.
이 두 모드는 질량 참여율이 각각 1.71%와 5.61%로 상대적으로 높게 나타나, 고차 모드임에도 불구하고 전체 응답 거동에 주요한 영향을 미치는 것으로 분석된다.
또한 Mode 9 (8.20 Hz) 및 Mode 24 (12.10 Hz) 역시 중⋅고주파 대역에 분포하며, 특히 12.10 Hz 모드는 KMA5 관측소에서 기록된 13 Hz 우세주파수와 매우 근접하여 경주지진형 고주파 입력에 따른 국부 응답 증폭이 발생할 가능성을 내포한다. 이러한 고차 응답모드는 브랜치 배관(branch piping), 커플링(coupling), 행거(hanger) 등 국부 강성이 낮은 부위에서 변형이 집중될 수 있으며, 결과적으로 배관 부속품의 손상이나 연결부 피로파괴를 유발할 위험이 있다.
따라서 본 연구에서는 1~3 Hz 구간을 포항형 저주파 공진 위험대, 5~13 Hz 구간을 경주형 고주파 공진 위험대로 정의하였다. 이러한 결과는 소방배관과 같은 비구조요소의 내진설계 시, 단순 정적해석 기반의 cook book 방식만으로는 실제 동적 거동을 충분히 반영하기 어렵다는 점을 시사하며, 향후 설계에서는 모달해석 기반의 주파수 정합성 검토와 공진 취약대역 식별 절차를 병행할 필요가 있다.
5. 결론 및 향후 연구 방향
본 연구에서는 AutoPIPE 프로그램을 활용하여 스프링클러 설비 배관의 입상배관 및 수평 주행배관을 대상으로 모달해석을 수행하고, 그 결과를 국내 대표 지진파(경주 9.12 지진, 포항 지진)의 주파수 특성과 비교⋅분석하였다. 분석 결과를 바탕으로 다음과 같은 결론을 도출할 수 있다.
1) 배관 높이 및 관경에 따른 fundamental frequency는 배관 높이가 증가할수록 감소하고 관경이 커질수록 증가하는 경향을 보였다. 특히 100 A 입상배관의 경우 고유 주파수가 13 Hz 이하로 포항지진 관측소(KMA05)에서 기록된 주파수와 일치할 때 공진 위험성이 존재하는 것으로 확인되었다.
2) Predominant frequency는 fundamental frequency 보다 상대적으로 높은 주파수(20 Hz 이상) 에서 형성되어 국내 지진 주파수대(0.1~13 Hz)와 직접적으로 일치하지 않았다. 그러나 두 지표는 각각 구조계의 고유특성과 실제 지배적 응답특성을 설명하므로, 내진성능 평가 시 상호보완적으로 고려해야 한다.
3) 수평 주행배관의 모달해석 결과, 총 125개 모드 중 누적 질량참여율은 약 85% 이상으로 나타나 해석의 신뢰성을 확보하였다. 저차 모드(Mode 1, 1.48 Hz)는 시스템 전체의 전역적인 횡진동 거동을 나타내며, 국내 지진 주 에너지 대역(1~10 Hz)과 일치하여 가장 큰 공진 위험성을 보였다. 한편, 8~12 Hz 구간의 중⋅고차 모드(Mode 9, 15, 23, 24)에서도 질량참여율이 비교적 높게 나타났으며, 특히 Mode 23 (12.08 Hz)은 포항지진 관측소(KMA5)의 13 Hz 우세주파수와 근접하여 국부 공진(local resonance)이 발생할 가능성이 있는 것으로 분석되었다. 따라서 수평 배관 시스템은 저차 모드뿐 아니라 일부 고차 모드에서도 국부 응답 증폭 가능성이 존재함을 확인하였다.
4) 배관 시스템은 건축 구조물에 비해 감쇠비가 낮은 특성을 가지므로(일반적으로 2% 내외), 공진 발생 시 응답 증폭 효과가 크게 나타날 수 있다. 따라서 내진 성능 확보를 위해서는 지지대 보강, 브레이싱 간격 최적화, 배관 강성 조정, 감쇠 장치 도입 등 다양한 설계적 대안에 대한 검토가 필요하다.
본 연구는 배관 시스템의 고유진동수와 지진파 주파수의 정합성에 초점을 두었으나, 건축물의 고유진동수 및 층응답 특성과의 연동 효과는 고려하지 못한 한계가 있다. 향후 연구에서는 건축물-배관 연성해석을 통해 층간 변위, 가속도 응답비, 배관 서포트 경계조건 변화 등이 배관 공진 특성에 미치는 영향을 분석할 필요가 있다.
또한 grooved, thread 등 실제 접합부의 비선형 거동을 반영한 동적해석 및 진동 실험 검증을 수행함으로써 해석의 신뢰성을 강화해야 한다.
아울러 국내에서 기록된 다양한 지진파 데이터를 체계적으로 분석하여 응답이 집중되는 주파수 영역을 도출하고, 이를 내진 설계 기준에 반영할 수 있는 표준화 연구가 필요하다.
이러한 후속 연구는 소방 배관 시스템의 내진 성능 평가를 정적해석 중심에서 동적해석 기반으로 확장하고, 실제 공진 위험성을 보다 정밀하게 평가하는 데 기여할 것으로 기대된다.
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