내진설계(안전확인)된 물탱크 올바른 시공

 

소화수조 뿐만 아니라 급수용 일반수조도 새로 제정된 국가건설기준센터 설계기준(KDS)에 따라 건물외구조물로서 내진설계 대상입니다.

 

비구조요소는 공사단계에서 일반적으로 해당 전문공종업체가 선정되고 시공계획도, 즉 시공자가 정밀한 시공을 위해 작성하는 상세시공계획설계도면(샵도)에 대해 내진설계로서 적합한지 검토 받은 후, '비구조요소 안전확인서'를 획득하고 이에 따라 시공한 후에 사용승인시 인허가청에 제출되고 있습니다.

 

그러나 물탱크는 서울시가 국토교통부에 질의한 결과, 건물외구조물로서 비구조요소 해당유무에 속하지 않고 모두 내진에 안전한지 확인하여야 한다는 의견을 받았고, 많은 지자체에서 서류유무에 대해 꼼꼼하게 챙기고 있는 실정입니다. 이 내용에 대해서는 bmtars.tistory.com/141 글을 참조하세요.

 

문제는 건물외구조물에 해당하는 물탱크는 비구조요소가 아니므로 용도나 규모에 상관없이 내진에 대한 안전확인을 의무적으로 실시하여야 하는데, 그 실시 시점에 대해서는 공사단계에 하여야 하는지에 대한 명쾌한 지침이 없다는 것입니다. 서류제출 시점에 대해서는 소방서 및 행정기관 인허가청 마다 해석이 다를 수 있어서 설계완료 직후 건축허가시 내진안전확인서를 요구하는 경우도 많습니다. 이에 대해서는 명확한 지침이나 고시가 없는 한, 인허가청의 요구에 따라야 할 것입니다.

시공사는 물탱크 하도발주 전에 설계한 건축사사무소에서 허가서류 제출시 물탱크에 대한 내진안전확인서가 포함되었는지 확인하시기 바랍니다. 제출되지 않았다면 물탱크 하도발주시 현장명과 현장상황이 명시된 내진안전확인서를 시공계획서류 제출시에 첨부하도록 계약조전이나 입찰서류에 명시할 것을 권장하고, 제출되었다면 그 내용을 전달받아 하도발주시 참고하시기 바랍니다. 대부분 기 제출된 내용과 다르게 시공될 수 있는데, 변경해서 설치하려는 내용으로재검토받으시기 바랍니다. 준공허가 즉 사용승인허가시 보완요구로 반려될 수 있습니다.

 

이번 내용은 내진설계 즉, 내진에 대한 안전확인이 된 물탱크를 시공할 때, 올바른 시공방법에 대한 설명입니다.

 

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물탱크 시공순서 이해

 

1. 물탱크가 설치되기 전, 지하수조는 MAT기초판, 옥탑수조는 바닥슬래브 등 건물골조에 대한 배근 

2. 물탱크 기초콘크리트 패드 설치를 위한 전단마찰철근 즉 다우얼철근(녹색) 설치 : 다우얼철근 직경, 간격, 정착길이 등은 검토된 내용대로 할 것.

3. 건물골조 바닥 콘크리트 타설

4. 물탱크 기초콘크리트 패드 길이방향철근(노란색)과 스터럽(주황색) 배근 : 각 배근의 직경, 간격 등은 검토된 내용대로 할 것.

5. 물탱크 기초 패드 콘크리트 타설 : 패드 높이와 폭 등은 저수용량에 따라 요구되는 값이 달라질 수 있음. 내진에 저항하는 부재의 콘크리트는 설계압축강도가 최소 21MPa 이상이어야 하고, 강도가 높을 수록 추후 앵커볼트 검토시 직경, 묻힘깊이, 연단이격 등에서 유리해 지므로 검토된 내용으로 하여야 하며, 특히 패드 콘크리트 타설 전에 건물 골조바닥은 혹뚜기 등으로 거친 요철을 형성하고 물축임을 충분히 한 후 타설하여야 활동(슬라이딩) 안정성에 유리함,

6. 앵커볼트(파란색) 설치 : 통상 캐미털앵커 등 후설치로 하는 것이 정밀한 위치확보에 도움이 되고 내진검토시에도 이를 반영 함. 그러나 수조용량이 큰 경우에는 선설치로 하여야 하는 경우도 있음. 패드 설치후 검토를 의뢰하는 경우에 일반적인 후설치앵커로는 안전성 확보가 불가능할 수도 있으며, 이 경우에는 스토퍼 설치형으로 검토할 수 있으나, 설치해야 하는 앵커 개수가 크게 증가하고 특수한 공법이 적용되는 것이므로 시공비용이 증가함. 미리미리 사전에 검토받아 그 내용대로 시공하는 것이 시공편이성과 경제성을 모두 확보할 수 있음.

7. 물탱크 하부 강재프레임(밝은 회색) 설치 : SMC 또는 STS 물탱크인 경우, 높이가 2.5m 이하는 L-75×75×6 이상, 2.5m초과 5.0m미만은 ㄷ-125×65×6×8 이상, 5.0~6.0m는 ㄷ-150×75×6.5×10 이상이어야 하며, 내진검토 결과에 따라 이 규격보다 더 큰 부재가 요구될 수도 있음. PDF 및 PLF 물탱크인 경우 업체마다 찬넬규격이 다를 수 있음.

 

8. 물탱크 판넬 중 저판 설치

9. 물탱크 판넬 중 측하판 설치

10. 물탱크 판넬 중 측중판 설치

11. 물탱크 판넬 중 측상판 설치. SMC 및 STS 물탱크는 높이에 따라 측판 구성과 두께가 달라짐. PDF 및 PLF 물탱크는 측판이 길게 하나로 설치됨.

12. 물탱크 내부보강재(파란색, 턴버클, STS304 이상 재질, 지름 10.5㎜ 이상)로 1m간격마다 설치

13. 물탱크 판넬 중 상판 설치

14. 물탱크 설치 완료 후, 물 채움

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어떻게 안전하게 시공하나?

 

내진설계(안전확인)이 된 물탱크는 아래와 같이 「건물외구조물 물탱크 내진안전확인서」와 이에 대한 근거가 되는 20~30여장 분량의 「구조검토계산서」를 건축구조기술사로부터 제공받게 됩니다.

2. 「구조검토계산서」 표지

상기 외 하중산정 및 부재검토 상세페이지 등이 20여 페이지 정도 추가됩니다.

 

방파판을 설치하면 내진에 대처한 것으로 오인하는 경우가 많습니다. 그렇지 않습니다.

적정한 위치에 알맞은 크기로 방파판을 설치하면 슬로싱효과를 저감시킬 수 있습니다. 슬로싱효과란 지진시 물탱크 내 저수된 유체가 출렁이는 현상입니다. 이 슬로싱효과가 크면 유체가 물탱크 상판을 쳐서 상판을 탈락시킬 수도 있습니다. 상판이 탈락되면 측판의 상부 지지점이 유실되고 이때 측판은 대략 4배 정도 휨모멘트가 증가되어 연쇄적인 붕괴가 뒤따를 가능성이 커집니다. 그러나 내진설계(안전확인)으로 슬로싱효과 위해정도를 계산하면 안전한 최고저수위를 도출할 수 있고, 이 높이에 OVER FLOW 강제 배수관을 설치하면 방파판 없이도 슬로싱효과에 대처할 수 있습니다. 그래도 큰 비용이 들지 않는다면 방파판은 없는 것보다는 낫겠죠.

지진에 안전한지 검토하는 내용에는 슬로싱효과에 대한 안전성, 상시 및 지진시 수조 판넬의 파손(손상)에 대한 안전성, 수조저면 강재받침대의 안전성, 콘크리트 패드에 고정하여 설치하는 앵커의 안전성, 콘크리트 패드의 변형, 이동, 전도 등에 대한 안정성 등이 포함됩니다. 과거 방파판을 설치는 이 중에 슬로싱효과에 대해서만 효과가 있는 것이며, 그 외 나머지 모든 검토내용에는 기여하는 바가 없거나 극미합니다.

그러므로 2021년 2월 19일자 개정된 「소방시설의 내진설계 기준」에서는 물탱크(수조)에 대해서 과거 방파판 설치의무를 삭제하고 나머지 부분에 대해 강화된 검토내용을 요구하고 있습니다.

 

수조가 내진설계 대상이 되어서 어떤 특별한 장치가 추가되는 것으로 잘못 알고 있는 경우도 많습니다. 꼭 그렇지만은 않습니다.

특히 하부 강재틀과 콘크리트 패드사이에 통상 기본적으로 캐미컬앵커로 정착되는 것에는 변함이 없습니다. 정밀하게 지진하중이 계산되고 이에 따라 요구되는 앵커의 위치와 직경, 관입깊이(콘크리트 묻힘깊이) 및 최소 연단이격거리가 정확히 계산되므로 그 내용에 따라 시공하면 됩니다. 다만, 이미 수조가 완성된 상태에서 지진에 취약하다고 판단되면 전부 철거하고 재설치할 수는 없으니 어쩔 수 없이 보강장치로서 적정한 내진스토퍼가 필요하기도 합니다. 또는 저수용량이 상당히 크거나 앵커볼트 설치위치에 제약이 따르는 경우에도 필요하기도 합니다. 내진스토퍼는 결국 더 많은 앵커볼트를 설치하고 이를 강재틀에 연결하여 전단 저항력을 더 추가하는 역할을 합니다.

시공전에 꼼꼼하게 검토받아 정밀한 위치에 앵커를 설치한다면 내진스토퍼 등 별도의 장치가 불필요할 수도 있습니다. 앵커개수가 추가로 필요한 경우는 보통 앵커의 장재전단강도가 부족한 경우보다는 묻힘깊이가 부족하거나 측면 연단거리가 짧을 때 콘크리트전단파괴 또는 콘크리트프라이아웃강도가 부족해서인 경우가 많습니다. 따라서 앵커볼트 설치위치를 콘크리트 패드 폭의 중앙으로 하고 직각방향 콘크리트 패드 길이방향 끝단에서도 폭의 중앙거리만큼 이격시키는 것이 좋고, 이를 위해서 수조 양측 끝에 배치되는 콘크리트 패드 위치는 테두리 강재틀에서 앵커설치를 위해 가공된 홀 위치에 따라 전체 등간격이 아니라 사전 물탱크 설치업체와 협의하여 조정된 정밀간격으로 위치로 잡는 것이 상당히 좋습니다. 공종간 콘크리트 공종에서 패드를 등간격으로 선시공하고 거기에 맞추어 앵커볼트를 한쪽으로 치우치게 하면 그 설치된 앵커볼트로는 지진시 전단저항강도가 부족한 경우가 많습니다. 그러면 큰 돈 들여 보강을 해야겠죠. 기초나 슬래브 구조체 배근시에 물탱크 제작설치 업체가 정밀한 앵커볼트 위치간격을 제공하고 이에 따라 앵커볼트가 패드 폭의 중앙에 설치되도록 패드 계획위치를 조정하여 철근팀이 전단보강철근(다우얼)을 설치하고, 거푸집팀에서 다시한번 확인한 후, 타설하여야 합니다.

 

2021년 2월 19일자 개정된 「소방시설의 내진설계 기준」에 대해서 물탱크(수조)와 관련된 내진안전 확인내용에 설명합니다.

제3조의2(공통 적용사항)에서는,

- 소방시설의 지진하중은 "건축물 내진설계기준" 중 비구조요소의 설계지진력 산정방법을 따른다.

수조를 제외하고 배관 등 모든 소방시설은 비구조요소가 맞다. 그러나 수조는 물탱크로서 건물외구조물로 설계 또는 안전확인검토가 되어야 한다. "건축물 내진설계기준" 18.1에서 수조 등의 탱크는 '건물외구조물로 설계'되도록 명시되어 있고, 19.2.1에서는 '건물외구조물의 중량이 건물외구조물과 지지구조물의 중량 합계의 25%보다 작은 경우'에는 다시 되돌아가서 '건물외구조물에 작용하는 설계지진력은 비구조요소에 따라 산정하여야 한다'고 명시되어 있다. 이를 살펴보면 가장 불리한 조건으로 수조 내 최대설계용량이 저수된 유체하중까지를 가동중량으로서 건물외구조물의 중량으로 보고 일반적인 콘크리트 PED를 지지구조물의 중량으로 볼 때 통상 중량합계의 25% 이상이 되므로 19.2.2에 따라 건물외구조물의 고유주기를 계산하여 비교적 간단한 비구조요소 지진하중 산정방식이 아니라 더욱 고도한 유체거동을 반영한 지진하중으로 산정되어야 할 것이다. 설계계수를 보더라도 비구조요소로 산정시에는 '기타 기계 또는 전기 구성요소'로서 증폭계수 1, 반응수정계수 1.5, 초과강도계수 2를 적용하고, 건물외구조물로 산정시에는 '탱크 또는 저장용기'로서 변위증폭계수 2.5, 반응수정계수 1.25, 초과강도계수 2를 적용하도록 되어 있다. 증폭계수와 초과강도계수는 클수록 불리하고 반응수정계수는 작을수록 불리한데, 건물외구조물의 설계계수가 불리함을 알 수 있다. 특수한 경우를 제외하고 대부분 건물 내부에 설치하는 수조는 건물외구조물의 중량이 건물외구조물과 지지구조물의 중량 합계의 25%이상이고, 수조를 구성하는 판재는 기하단면 특성상 강체가 되기 힘들어서 고유주기가 0.06초를 훨씬 초과한다. '액체저장탱크'로서 저수되는 유체의 성분을 대류성분과 충격성분으로 분리하고, 각 성분의 유체고유주기, 수평운동과 수직운동의 설계응답스펙트럼, 각방향별 지진하중을 산정하는 전처리 단계에서도 복잡한 과정을 수행하여야 한다. 이 산정방법에 대한 절차는 내용은 '건축물 내진설계기준'에서도 소개되어 있지만, 기준시 참조된 원래의 미국기준을 파악하여 보다 꼼꼼하고 정밀하게 산정되어야 하고, 유사 일본기준도 참조하여 함께 산정함으로서 과대 또는 과소평가되는 오류의 여지가 없는지 확인하는 절차도 필요하다.

- 앵커볼트는 "건축물 내진설계기준" 비구조요소의 정착부의 기준에 따라 앵커볼트를 설치하여야 한다.

"건축물 내진설계기준" 내에서도 콘크리트 PED에 매입되는 앵커에 대해 초과강도계수 Ωo 적용여부에 대해 다소 혼란스럽다. 그러나 "소방시설의 내지설계 기준"에서 "건축물 내진설계기준" 비구조요소의 정착부의 기준에 따르라고 명시되어 있으니, 초과강도계수 Ωo를 적용하여 불리하게 검토하는 것이 바람직하다. --- 18.5 비구조요소의 정착부 비구조요소의 정착은 다음에 따라야 한다. (1) 비구조요소 정착부에 작용하는 하중은 18.2에 의해 산정된 지진하중과 상대변위로부터 구한다. 단, Rp는 6을 초과하지 않아야 한다.  (2) 콘크리트에 묻히는 정착부의 내력은 KDS 14 20 54 콘크리트용 앵커 설계기준에 따르며, KDS 14 20 54에서 규정하지 않은 사항은 공인된 설계기준에 따를 수 있다. 단,  KDS 14 20 54의 4.1 설계 일반 (3)⑥은 “④와 ⑤의 조건을 만족하지 못하는 경우, 앵커 또는 앵커 그룹은 초과강도계수 Ωo에 의해 증대된 지진하중 E에 대하여 설계되어야 한다.”로 수정하여 적용한다. (3) 조적조에 묻히는 정착부의 내력은 공인된 설계기준에 따라 구한다.  (4) 콘크리트에 설치되는 후설치 앵커의 뽑힘 인장강도, 부착강도,  전단강도는  KDS 14 20 54의 규정에 따라 모의지진실험에 근거하여 평가되어야 하며, 공인기관의 인증서에 의해 공개된 것이어야 한다. 또한 조적조에 설치되는 후설치 앵커는 공인된 설계기준의 규정에 따라 내진인증된 것이어야 한다 (5) 정착부의 내력은 편심과 프라잉효과의 영향을 고려하여 정한다. (6) 앵커 그룹의 경우 그룹내 개별 앵커간의 하중분배를 고려하여야 한다. 앵커그룹의 설계는 KDS 14 20 54에 따르며, KDS 14 20 54에서 규정하지 않은 사항은 공인된 설계기준에 따를 수 있다.  (7) 동력 고정앵커 : 내진설계범주 D의 구조물에서 콘크리트 혹은 강재의 정착부를 동력을 이용하여 고정하는 앵커는 지진하중에 대해 인증되지 않는 한 계속적으로 인장을 받는 부위나 가새부재에 사용할 수 없다. 조적조에 묻히는 정착부에 동력을 이용하여 고정하는 앵커는 지진하중에 대해 인증되지 않는 한 사용할 수 없다. 단, 다음의 경우는 예외로 한다.   --- 19.3.10 콘크리트 또는 조적조 앵커 (1) 콘크리트에 묻히는 정착부의 내력은 KDS 14 20 54 콘크리트용 앵커 설계기준에 따르며, KDS 14 20 54에서 규정하지 않은 사항은 공인된 설계기준에 따를 수 있다. 단, KDS 14 20 54의 4.1 설계 일반 (3)⑥은 “④와 ⑤의 조건을 만족하지 못하는 경우, 앵커 또는 앵커 그룹은 초과강도계수 Ωo에 의해 증대된 지진하중 에 대하여 설계되어야 한다.”로 수정하여 적용한다. --- 19.6.3 강도 및 연성 지진력저항시스템을 구성하는 구조부재들은 다음의 요구조건을 만족하도록 설계한다. (1) 콘크리트에 매입된 앵커를 제외하고, 지진력저항시스템을 구성하는 부재의 접합부는 산정된 설계하중의 Ωo배에 대하여 설계한다. 콘크리트에 매입된 앵커는 19.6.5의 요구사항을 만족해야 한다. 단, 탱크 또는 저장용기에 연결되는 앵커 접합부는 앵커 인장강도와 산정된 설계하중의 Ωo배 중 작은 값에 대하여 설계해야 한다. 8.1.2.3의 특별지진하중과 표 19.3-2의 Ωo값은 탱크 또는 저장용기의 내벽을 포함한 벽면 설계에는 적용하지 않는다. --- 19.6.5 정착 및 고정 (1) 지면에 설치한 탱크 및 저장용기의 경우, 자체 고정식 탱크에 대한 요구사항을 만족한다면 정착없이 설계할 수 있다.  (2) 타워구조 또는 건축물에 의하여 지지된 지상 탱크 및 저장용기는 지지부에 고정되어야 한다. 다음의 특별요구사항은 내진설계범주 C 및 D의 강재 탱크 및 저장용기에 설치하는 앵커볼트에 적용해야 한다.  ① 정착은 19.3.9에 따르고, 앵커를 콘크리트에 매설할 때에는 앵커 강재의 인장강도를 발휘하도록 충분한 묻힘 깊이로 설계해야 한다. 앵커 강재의 인장강도는 KDS 14 20 54의 식 (4.3-1)에 따라 결정한다.  ② 앵커 길이는 최소한 직경의 8배 이상이어야 한다.  ③  앵커가 강재인장강도를 발휘하도록 콘크리트에 매입된다면, 후설치앵커를 19.3.10에 따라 사용할 수 있다.  ④ 탱크와 수평ㆍ수직 저장용기에서 앵커볼트의 크기를 결정할 때에는, 8.1.2.3의 초과강도계수를 포함한 특별지진하중조합을 사용할 필요는 없다.

-앵커볼트는 건축물 정착부의 두께, 볼트설치 간격, 모서리까지 거리, 콘크리트의 강도, 균열 콘크리트 여부, 앵커볼트의 단일 또는 그룹설치 등을 확인하여 최대허용하중을 결정하여야 한다.

- 앵커볼트는 건축물 부착 형태에 따른 프라잉효과나 편심을 고려하여 수평지진하중의 작용하중을 구하고 앵커볼트 최대허용하중과 작용하중과의 내진설계 적정성을 평가하여 설치하여야 한다.

- 앵커볼트는 소방시설 또는 팽창성·화학성 또는 부분적으로 현장타설된 건축부재에 정착할 경우에는 수평지진하중을 1.5배 증가시켜 사용한다.

- 바닥에 고정하는 경우 기초(패드 포함)부분의 구조안전성을 확인하여야 한다.

제4조(수원)는 수조에 대한 내용이고 여기에서는,

- 수조는 지진에 의하여 손상되거나 과도한 변위가 발생하지 않도록 기초(패드포함), 본체 및 연결부분의 구조안전성을 확인하여야 한다.

- 수조는 건축물의 구조부재나 구조부재와 연결된 수조 기초부(패드)에 고정하여 지진 시 파손(손상), 변형, 이동, 전도 등이 발생하지 않아야 한다.

- 수조와 연결되는 소화배관에는 지진 시 상대변위를 고려하여 가요성 이음장치를 설치하여야 한다.

 

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기타

 

문의하실 곳 : 코어건축구조기술사사무소

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