산업환경시설의 구조 및 내진설계기준 고시안

산업시설의 특성에 맞지 않는 구조물 위주의 기존 설계기준을 충분한 검토 없이 산업시설 설계 실무에 적용하는 문제점이 국내외에서 지속적으로 지적되어 왔다. 이에, 대한토목학회는 한국건설기술연구원 기준센터의 지원을 받아 “산업시설 구조기준 제정(안) 마련을 위한 검증 연구(2021.04~2021.11)”를 수행하여, 지진 시에도 산업환경시설의 운전성을 지속할 수 있는 설계가 가능하도록 “산업환경시설의 구조설계기준(KDS 33 14 10) 및 내진설계기준(KDS 33 17 10)”을 작성하였다. 이 기준안들은 기준센터의 기준위원회를 2023년 4월에 통과하여 조만간 중심위원회에 상정될 예정이며, 올해 고시가 될 것으로 기대하고 있다. 산업시설이 자동화, 정밀화, 고부가가치화되는 상황에서 국가 경쟁력 유지를 위해, 산업시설의 안전성 뿐만아니라 운전지속성도 중요하게 여겨져야만 할 것이다. 토목기술자들이 이러한 상황을 이해하고 관심을 가진다면 많은 기회를 창출하면서 사회에 기여할 수 있을 것이므로, 새로운 산업환경시설 설계기준안에 대한 개요를 설명하여 토목기술자들의 이해를 돕고자 한다.

1. 산업환경시설 설계의 문제점

• 공정유지 고려 필요

- 교량, 건물 등과 같이 독립적인 구조물로 설계하는 시설물들과 달리, 산업환경시설(플랜트시설, 전력시설, 가스시설, 석유화학시설, 환경시설, 제철시설 등)은 다양한 유형의 시설물이 한정된 공간에 모여 있고, 이들 시설물이 독립적으로 기능하기보다는 매우 강하게 상호 연계되어 기능하고 있다. 또한, 설비를 수용하여 보호하는 구조물(수용구조물)의 구조적 안전성도 중요하지만, 오히려 내부에 수용 및 보호된 고가 설비 자체의 기계 및 전기적 운전성이 유지되도록 설계하는 것이 매우 중요하다. 그러나, 기존 국내외 구조 및 내진 설계기준들은 독립된 구조물의 구조 안전성만을 고려할 뿐, 상호 연계된 공정의 운전성을 유지하는 것은 고려하지 못하고 있다.

• 사업주의 요구 충족 필요

- 지진으로 인해 산업환경시설에는 직접피해(구조물 및 설비 등의 손상), 간접피해(생산활동중단, 화재, 폭발 등), 사회적피해(유해물질 누출, 정전 등)가 발생할 수 있으며, 대체로 이 순서대로 피해규모가 커진다. 그러므로, 산업환경시설의 사업주는 직접피해를 막을 뿐만 아니라 생산활동이 유지되어 간접피해와 사회적피해가 발생하지 않도록 산업환경시설을 설계하는 데에 상당한 관심이 있고 이러한 점을 구조설계자에게 요구하고 있다. 그러나, 현재까지의 구조설계는 전체 피해액의 매우 작은 부분에 해당하는 구조물의 안전성을 확보하는 것에만 초점이 맞추어져 있어 산업환경시설의 피해규모를 제어하고자 하는 사업주의 요구를 충분히 반영하지 못하고 있다.

• 하중조합 미비

- 산업환경시설의 특성을 고려한 구조설계 하중이 현재까지 국내에 제시되어 있지 않으므로, 이들의 정량적 정의와 하중조합의 제시가 필요하다.

2. 산업환경시설 구조설계기준

• 고려하중

- 산업환경시설은 일반하중(고정하중, 활하중, 토압하중, 유체하중), 환경하중(지진, 바람, 비, 눈) 뿐만 아니라, 설비 운전시 발생하는 운전하중(운전 시 발생하는 진동, 충격, 온도, 압력, 크레인에 의한 하중)도 고려하도록 명시하였다.

• 하중조합

- 미국 원자력발전소에 적용하는 ACI 349-13과 AISC N690-18의 하중조합을 일반 산업시설에 적용할 수 있도록 국내 실정을 고려하여 수정 제시하였다(표 1).

● 강도설계법과 허용응력설계법에 대한 하중조합을 각각 제시함.

● 환경하중은 재현주기가 큰 ‘극단환경하중’과 재현주기가 작은 ‘심각환경하중’으로 구분함.

● 발생가능성 적고 고려하기 어려운 ‘비정상하중’은 제외.

● 원전의 SSE(안전정지지진)와 OBE(운전기준지진)를 KDS 17 10 00의 ‘큰 지진(재현주기 500년 이상)’과 ‘작은 지진(재현주기 200년 이하)’으로 대체하여 이들을 극단과 심각 하중조합에 각각 적용하여 일반 산업시설 수준에 맞는 지진하중을 제시.

● ACI 349 & AISC N690에서 SSE에 대해 원전 구조물이 탄성거동하도록 설계하므로 OBE에 대한 하중계수는 1.6으로 높여 사용함. 반면, 산업환경시설은 작은 지진에 대해 탄성거동, 큰 지진에 대해 연성거동하도록 설계하므로 작은 지진의 하중계수는 1.6이 아닌 1.0으로 설정.

● 2022년 국내 설계풍하중(KDS 41 12 00)의 재현주기가 100년에서 500년으로 변경됨. 이는 극단지진하중(기본재현주기 500년)과 동일하므로, AISC N690의 극단하중에 해당하는 토네이도 하중조합을 차용하여 산업환경시설의 풍하중조합을 정함. 심각환경하중은 50년 재현주기의 풍하중계수 0.65를 사용함.

3. 산업환경시설 내진설계기준

• 용어 정의

- 단위산업시설: 내진설계의 대상이 되는 산업시설의 단위로 산업 제품을 생산하기 위한 여러 공정이 조합된 사업장. 관리주체가 결정(그림 1)

- 운전성: 산업시설이 건설 목적에 따라 부여된 본래의 기능을 발휘하면서 작동을 유지하는 성능

- 공정: 제품생산을 위해 거쳐야 하는 계층화된 여러 작업절차(그림 1)

- 단위공정: 계층화된 공정을 구성하는 최하위 단계의 공정(그림 1)

- 단위요소: 단위공정을 구성하는 설비 또는 구조물로서 내진설계의 대상(그림 1)

• 단위공정의 내진등급 및 설계지진

- 단위산업시설 중요도는 인명피해와 재산피해의 정도에 따라 핵심/중요/일반 시설로 구분한다(그림 2).

- 단위공정중요도는 단위공정이 단위산업시설의 안전성 및 운전성에 미치는 영향을 고려하여 주/부/보조 공정으로 구분한다(그림 2).

- 단위산업시설 중요도와 단위공정 중요도를 조합하여 단위공정의 내진등급을 특/I/II/비내진 등급으로 구분한다(그림 2).

- 내진등급에 따라 설계지진의 재현주기를 설정한다(그림 3).

• 내진성능수준

- KDS 17 10 00(내진설계 일반)에서 정의한 “기능수행” 성능수준은 구조물의 손상이 미미(탄성거동)하여 구조물의 기능이 지속적으로 수행됨을 의미한다. 그러나 산업설비의 경우, 설비 특성에 따라 손상수준이 커도 설비의 운전기능이 유지될 수 있다. 이 경우도 “기능수행” 성능수준으로 표현하게 된다면, 어떤 손상수준을 지칭하는지 확실하지 않게 되어 혼동이 발생할 수 있다. 이러한 이유에서, “기능수행”을 “탄성유지”로 변경하여 손상의 정도가 매우 작음을 표현하도록 하는 것이 바람직하다.

- 설비의 특성을 고려하여 운전성이 확보되도록, 내진설계전문가와 설비전문가의 협의를 통해 내진성능수준을 결정하여야 한다(표 2).

• 내진성능목표

- 내진성능목표:　단위요소(설비와 구조물)는 내진등급에 따라 정해진 설계지진에 대하여 설비의 특성을 고려하여 결정된 내진성능수준을 만족해야 한다.

- 다음 두 개의 내진성능목표를 동시에 만족해야 한다.

● 내진성능목표 1: 심각지진에 대해 단위요소는 탄성유지수준을 만족(표 3, 4)

● 내진성능목표 2: 극단지진에 대해 단위요소의 안전성 및 운전성 확보가 가능하도록 탄성유지(표 3) 또는 붕괴방지수준(표 4) 중 하나를 선택하여 만족

4. 결론

• 합리적 설계

- 산업환경시설 사업장 및 하위 공정의 중요도와 설비의 특성을 고려하여, 설계지진 작용 시에도 산업시설의 생산활동을 유지하기 위한 합리적 설계가 가능하다.

• 경제적 설계

- 공정의 중요도가 낮거나 낮은 성능수준으로 운전성이 유지되는 설비나 구조물의 경우 과다 설계를 피할 수 있어 경제적인 설계가 가능하다.