스프링클러 설비 배관의 고유주파수 특성과 공진 위험성 분석

Analysis of Natural Frequency Characteristics and Resonance Risk of Sprinkler Piping Systems

본 연구는 소방시설 배관의 내진 성능을 동적 관점에서 평가하기 위하여 수평주행배관과 입상배관을 대상으로 모달해석을 수행하였다. Bentley사의 AutoPIPE를 활용하여 배관 모델을 구축하고 고유주파수와 질량 참여율을 산정 하였다. 수평주행배관의 경우, 전체 모드에서 누적 질량 참여율이 80% 이상 확보되어 해석의 신뢰성이 입증되었으 며, 저차 모드에서 1.48 Hz가 도출되어 국내 지진파 저주파 영역과 중첩되어 공진 위험성이 큰 것으로 확인되었다. 입상배관의 경우, 배관 높이와 관경 변화에 따라 fundamental frequency는 10∼18 Hz 범위에서 분포하였고, 특히 100 A 배관의 경우 13 Hz 이하로 떨어져 KMA05 관측소에서 기록된 predominant frequency (13 Hz)와 근접함으로써 공진 가능성이 존재하였다. 이러한 결과는 정적해석 중심의 기존 내진설계로는 공진 위험성을 충분히 평가하기 어렵다는 점을 보여주며, 동적해석 기반의 내진 성능 검토가 필요함을 제시한다.

This study evaluates the seismic performance of fire protection piping systems from a dynamic perspective by conducting modal analyses of horizontal branch lines and vertical risers. Using Bentley AutoPIPE, piping models were developed to estimate natural frequencies and mass participation factors. For horizontal branch lines, cumulative mass participation exceeded 80% across all modes, confirming the reliability of the analysis. A fundamental frequency of 1.48 Hz was observed in the lower modes, overlapping with the low-frequency range (0.1∼5 Hz) of domestic earthquake ground motions, indicating a significant risk of resonance. For vertical risers, the fundamental frequencies ranged between 10 and 18 Hz depending on pipe height and diameter. In particular, for 100 A risers, the frequency fell below 13 Hz, approaching the predominant frequency (13 Hz) recorded at the KMA05 seismic station, suggesting potential resonance. These findings demonstrate that conventional static analysis–based seismic design is inadequate for assessing resonance risk, highlighting the necessity of dynamic analysis–based evaluations of seismic performance.