2.1 전기설비 비구조요소

전기설비 비구조요소 설치 대상은 그림 2와 같이 케이블 트레이, 버스덕트, 전선관 Hanger(단일 Hanger, 양쪽 Hanger)로 구분된다.

케이블 트레이, 버스덕트, 전선관 설치방법은 모두 내진지지대를 설치해야 한다. 또한, 내진지지대 고정방법은 내력벽 고정방법과 빔 클램프 고정방법로 나뉜다. 그리고 내진앵커는 반드시 내력벽에 설치해야 하며, 절대 조적벽과 간이벽에 설치해서는 안된다. 간이벽과 조적벽 등에 설치하면 앵커의 전단, 인발응력 및 모멘트로 인해 간이 및 조적벽이 견딜 수 없기 때문이다.

빔 클램프 사용 시에는 반드시 허용하중(ADS)을 확인하고, 주요(Main) 구조 빔에 설치하며 허용하중 범위 내에서 설치하여야 한다. 또한 시험성적서, 구조계산서 같은 서류를 첨부해야 한다.

2.2 변전소 케이블 트레이, 버스덕트, 전선관 내진 지지대 방식(단일, 양쪽 Hanger)

케이블 트레이, 버스덕트, 전선관 내진 지지대 방식에는 2가지가 있으며, Rigid와 Non Rigid로 나뉜다. Rigid 방식은 고정된 지지대를 사용하는 방식으로 파이프, 앵글 U- Channel 등이 사용되며, 중량이 큰 경우 U-Channel을 주로 사용한다.

그림 3과 그림 4에 케이블 트레이용 내진지지대의 설치 사진을 보여준다. 그림 3에서 Rigid 방식 내진지지대는 1. 상부 고정대, 2. 하부 고정대, 3. 케이블 트레이 내진 지지대, 4. 하부 U-Channel, 5. 전산볼트 보강대(Stiffner), 6. Stiffner 보강볼트, 7. 전산볼트 등 7가지로 구성되어 있다.

설치 방법으로는 횡방향 내진 지지대, 종방향 내진 지지대, 4방향 내진지지대로 나뉘며 횡방향 내진 지지대는 최대 12[m], 종방향 내진 지지대는 최대 24[m]설치하며, 4방향 내진 지지대는 횡방향과 종방향 내진에 대해 동시에 할 수 있는 지지대를 의미한다.

그림 4는 케이블 트레이용 Non Rigid 방식 내진 지지대의 구성은 보여준다. 내진 케이블 지지대의 구성은 1. 상부 고정대, 2. 하부 고정대, 3. 내진 케이블 지지대, 4. 하부 U-Channel, 5. 전산볼트 보강지지 Stiffner, 6. Stiffner 보강볼트, 7. 전산볼트로 7가지로 구성되어 있다.

한편 Non Rigid 방식은 Rigid 방식의 내진지지대를 제외한 방식으로 케이블을 이용한 방식을 말한다. 주로 높이가 높을 경우 와 설치 여건이 어려울 때 사용하고 설치는 약간 복잡하다.

Non Rigid 방식 내진 케이블 지지대도 횡방향 내진 지지대, 종방향 내진 지지대, 4방향 내진 지지대로 나뉘며 횡방향 내진 지지대는 최대 12[m], 종방향 내진 지지대는 최대 24[m]설치하며, 4방향 내진 지지대는 횡방향과 종방향 내진에 대해 동시에 할 수 있는 지지대를 의미한다.

상부 고정대 방식은 Rigid와 Non Rigid 모두 내진앵커와 빔 클램프 고정 방식이 적용된다.

2.3 전산볼트 보강대(Rod Screw Stiffener)

Rod Stiffener는 Hanger rod 보강 장치로 좌굴 인장 및 압축 하중을 보강한다. 지진 발생 시 Hanger rod는 단순히 케이블 트레이, 버스덕트, 전선관의 고정 하중을 지지하는 것이 아니라 지진 억제 장치에 의해 생성된 반력에 저항해해야 한다. 지진이 발생하면 천정에 매달려 있는 비구조요소에는 바닥 U-Channel과 케이블 트레이 모두에 수직 압축 반력이 발생한다. 그리고 바닥 U-Channel 사용될 때 인장 반력이 발생한다.

이러한 압축 및 인장 반력은 지지되는 케이블 트레이, 버스덕트, 전선관 자중으로 인해 인장 하중을 초과할 수 있다.압축 반력은 행거 로드가 좌굴을 일으킬 만큼 충분히 클 수 있으며, 지지되는 고정 하중에 인장 반력이 추가되면 행거 로드 또는 앵커가 장력에 실패할 수 있다. Hanger rod의 압축 하중이 Hanger rod의 좌굴 강도를 초과하는 경우 좌굴을 방지하기 위해 로드 보강재를 사용하거나 더 큰 Hanger rod를 사용해야 한다. Hanger rod가 무한대로 커질 수 없어 이를 보강해 주는 기능을 하는 것이 Stiffener이다. Stiffener는 U-Channel, 보강볼트로 구성된다.

2.4 케이블 트레이 내진 시험의 설비사항 및 조건

내진 시험을 위해 우선 지진동 역할을 하는 잔동대가 핵심적인 구성 요건으로 필요하다. 다음으로 시험대상 설비에서 증폭되어 나타난 가속도를 측정하기 위한 장치가 요구된다. 또한 시험대상 설비의 흔들리는 변위를 측정하기 위한 장치가 필요하다.

따라서, 시험을 하고 측정값이 나오면 프로그램을 통해 데이터를 분석하는 기기가 필요하다. 시험 순서는 본 시험을 하기에 앞서 실험대상물과 내진 시험장치간 내진 공진 시험을 하며 시험방법은 X축(전후), Y축(좌우), Z축(상하)으로 구현한다. 마지막으로 육안을 확인하고 검사를 통해 결과를 분석한다. 내진 시험을 위한 설비 사양은 표 1에 제시하였다.

가속도계 방향은 표 3에 나타내었다. 케이블 트레이 내진 시험은 실험 시험기준에 따라 X축(전후), Y축(좌우), Z축(상하) 6개의 방향으로 시험을 진행한다. 전산볼트와 케이블 트레이를 고정하고 있는 내진 지지대(U-Channel Type)의 전산볼트 고정대(Rod stiffner)가 지진에 견디는지 알아보는 시험이다. Shake table과 Fixture, 시험대상 기기에 가속도계를 부착하였고 부착 위치는 방향은 바닥고정과 전산볼트 상부 볼트방향이다.

내진 시험의 조건은 표 3과 같은 데이터를 적용했다. 시험대상 기기에 적용되어야 하는 지진의 강도는 해당 설비가 설치되는 건물의 설계 기준에 의해 결정된다. 시험에 적용되는 요구응답스펙트럼(Required response spectrum)은 식 (1)~식 (4)에 나타나있다. 식에서 보듯이 단주기 설계스펙트럼 가속도(SDS)와 높이계수비(z/h)의 함수에 의해 요구응답스펙트럼의 크기가 결정된다^[12].

여기서 $A_{FLX-H}$, $A_{RIG-H}$는 각 연성요소(Flexible component)와 강성요소(Rigid component)의 수평방향 스펙트럼 가속도이고 $A_{FLX-H}$는 1.6$S_{DS}$이하로 제한된다.그리고 $A_{FLX-V}$, $A_{RIG-V}$는 연성요소와 강성요소의 수직방향 스펙트럼 가속도, $z/h$는 높이 계수비(height factor ratio), $S_{DS}$는 설계지진에 대한 단주기의 응답스펙트럼 가속도 표 4는 시험 전과 시험 후 외관 및 성능시험 결과를 보여준다. 허용기준에 적정한 검사결과를 얻었다. 그리고 표 5에 최대 가속도 측정 결과를 나타내었다. 3축 케이블 트레이 내진 시험을 1회 수행하였으며 시험응답 스펙트럼 가속도(TRS)는 요구 응답 스펙트럼(RRS) 1.3~33.3Hz 범위내에서 시험하였다. 내진 시험 결과 가진되는 3축에 대한 독립성도 확인되었다. 최대가속도 측정 결과 X축(전후), Y축(좌우), Z축(상하) 안정된 값을 보였다.

그림 6과 그림 7에 전체 시간이력 데이터를 나타낸다. 그림 6은 내진시험 응답스펙트럼으로 내진설계의 검증을 위한 시험검증 시 시험대상 설비에 실제로 인가된 지진가속도를 주파수의 함수로 표현한 것이다. 표 3에서 $S_{DS}$가 0.52으로 파형에서 보듯이 요구 응답 스펙트럼(RRS) 1.3~33.3Hz 범위에서 $A_{FLX-H}$가 1.6$S_{DS}$이내 범위에 존재함을 알 수 있다.

그림 7은 Shake table, Fixture, 시험대상 기기에 대해 30초 동안 설계가속도를 인가하였을 때 응답파형을 보여준다.

이 시험이 필요한 이유는 시험대상체에 대한 진동대가진에 의한 반응결과가 원래 설계 강도를 견디는지 확인하기 위함이며, 파형에서 보듯이 각 설비별 안정적인 결과를 얻을 수 있었다.