초고층집합주택의 가스설비 설계시 반영해야할 사항에 대하여 설명하시오.

초고층집합주택의 가스설비 설계시 반영해야할 사항에 대하여 설명하시오.

초고층집합주택의 가스설비들, 전용부에서는 일반 집합주택과 거의 같은 사양으로 설치되고 있다. 여기에서는 초고층집합주택 공용부의 가스설비에 관한 특별한 사항, 즉 입관설계,승압 방지대책, 안전시스템 등에 대해 서술한다.

머리말
소화 50년대에 초고층집합주택이 건설되기 시작될 즈음에는 “전전화”나 전기화 주방의건물도 상당히 나타났지만, 초고층건물에 있어 가스설비나 안전시스템의 설계수법이 확립됨에 따라 급탕, 주방 또는 바닥난방에 아주 자연스럽게 가스가 사용되고 있다. 적어도 거주자의 전용부에 있어서는 고층 이하의 집합주택에 비해 가스설비의 설치방법 등에 눈에 띄는 차이는 없다. 다만 공용부에서는 고층 이하의 집합주택과는 상당히 다른 점이 보인다. 여기에서는 초고층집합주택의 공용부 특유의 가스설비의 특징을 몇 개만 소개한다.

1. 입주관
초고층건물에서 입주관은 다양한 요소을 고려해서 설계해야 한다. 지진, 온도신축성, 풍력등에 대한 동적 및 정적해석, 공진검증, 좌굴검증 등이다. 이를 유한요소법 등을 이용해 건물을 검증하고, 그 후 도시가스사업자는 이런 입관설계(분기관의 제1고정점까지 포함)의 표준화를 시도하여 소화 62년에 “고층건축물용 가스설비 내진설계 시공지침 안내”[(사) 일본가스협회간행]로 종합 정리하였다. 이로부터 설계에 따른 부담이 덜어지고 많은 초고층건물의 입관설계를 처리할 수 있게 되었으며 또 큰 규모의 사업자 이외의 가스사업자도 용이하게 대응할 수 있게 되었다.
이에 의하면 입주관의 접합방법은 호칭경 40A이하는 삽입용접, 50A이상은 맞댐용접으로되어 있다. 초고층건물의 입주관이 40A이하로 되는 것은 드물기 때문에 실질적으로는 입관은 전부 맞댐용접이고 X선 검사 등의 방법으로 품질을 확보하는 것이 일반적이다.
높이 100m정도(60m이상 120m이하)의 건물에서는 입관의 중간층 부근에 완전 고정개소를 설치, 완전 고정개소 이외의 슬라브 관통부는 자유로운 관축 방향의 상태로 한다 [그림1]. 지진시 공진을 피하기 위해 관축 직각방향의 구속 간격도 소정의 범위로 하고, 150A이상에서는 관축직각방향의 구속도 2-3계층으로 하며, 그 외의 슬라브 관통부는 암면 등을충진한다.
120m을 초과하면 2개소의 완전고정개소를 설치, 그사이에 신축 흡수를 위해 밴드 배관부를 설치할 필요가 있다[그림 2]. 파이프샤프트 안에서 밴드 배간을 하기 위해서는 초기 설계단계에서 다른 설비와의 조정을 고려해야 한다. 완전고정개소에는 설계상 입관의 전 자중이 걸리게 되고, 높이 120m 이상에서 완전고정을 2개소 설치하는 경우에는 자중에 더해서 밴드 배관에서 신축을 흡수하는 반력도 작용한다. 구체적으로는 100A에서 최대 3.5t, 150A에서 최대 6.5t정도가 가중된다. 건축구체의 강도 등도 고려한 이상으로 설계하중에 견디는완전고정도구 등의 설계가 필요하다.
각 층으로의 분기관의 제1고정점까지는 입주관의 온도 신축흡수 등을 위해 소정의 형상으로 배관하고 최저 규격이 규정되어 있으며 이로 인해 파이프사프트 내부 공간이 더 소요된다.
이와 같이 초고층건물의 입주관은 중저층건물에 비해 높이당 비용에 더하여 추가 공간을소요하기 때문에 입주관의 숫자를 극히 적게 설계한다. 중저층집합주택에서는 한 개층에 1주거 또는 2주거를 하나의 입관에서 공급한다. 반면에 한 층당 주거수를 나누고 또는 그 반정도의 입주관을 설치하는 예가 많지만, 초고층집합주택에서는 입관을 한 건물에 1개로 하
는 것이 일반적이다. 두 개층의 경우, 예를 들면 각 기수층의 천장 부근에 분기관을 설치하고, 공용통로 천장 안에 머리띠 형태로 횡기관을 설치하여, 각 주거용의 파이프샤프트 안에서 상하로 떨림이 나뉘는 방법이다[그림 3]. 여러 개의 입관을 설치하는 경우에 비해 총연장은 길어지지만 비용이 상당히 싸고, 설치 공간면에서도 합리적인 설계이다.
횡기관의 사양은 상정응답 가속도의 차이 때문에 지지기구의 요구성능이 중저층건물 등에비해 약간 무겁고 두꺼운 편이지만 실질적인 차이는 없다.
[그림 1] 완전고정 1개소 (모식도) [그림 2] 완전고정 2개소 (모식도)

2. 승압대책
도시가스는 일반적으로 공기보다 가볍기 때문에 부력이 생겨 고층으로 가는 가스의 압력이 높아진다. 집합주택에서는 이 승압과 가스의 흐름에 의한 압력손실이 상쇄되도록 관직경을 정하는 것이 일반적이나, 야간 등 유량이 없거나 작을 때에는 이 압력손실이 생기지 않기 때문에 승압은 직접적인 효과가 있다.
당사의 경우 약관에 의해 공급압력은 최고압력 2.5kPa, 최저압력 1.0kPa로 규정하고 있다. 저압도관망에 가스를 공급하는 지구정압기에 가까운 장소나 야간 등 가스사용이 적은시간대에는 가스사용장소까지 거의 그대로 압력이 유지된다. 가스의 공기에 대한 비중을 0.65로 하면, 높이 1m당 약 4.4Pa의 승압이 일어난다.
1.293×(1-0.65)×9.8≒4.4
1.293은 공기의 밀도[kg/㎥], 9.8은 중력가속도이다. 따라서 높이가 45m을 초과하면, 초고압력인 2.5kPa을 초과하게 된다. 이 때문에 설치하는 것이 승압방지기이며 초고층집합주택에는 필수적인 설비이다.
승압방지기는 다이어프램 등에 의해 2차측 압력을 일정압력 이하로 제어하는 밸브의 일종이다. 이를 공용부 배관에 설치하고, 유지관리를 고려하여 앞뒤로 차단밸브를 부착해 by-pass를 설치하는 것이 일반적이며 설계시 이를 위한 설치공간 확보가 필요하다.
[그림 3] 입관+머리띠형횡기관(모식도) [그림 4] 입관승압방지기(모식도)
설치장소는 여러 방법이 있다.
1) 입주관 최하부(지하층 천정등)에 1개소설치
2) 입주관의 높이 40m당 1개소 설치
3) 45m를 초과하는 층의 입주관으로부터의 각분기(두 층 정도)에 설치
이 중 가장 많이 이용되는 방법은 1)이다.

이제 다음과 같은 초고층집합주택을 모델로 해서 생각해본다.
a) 30층 건물
b) 한 층 12호, 전체 360호
c) 층고 3m, 건물높이 90m
d) 가스설비내용 : 24호 추가부착급탕기+바닥난방+렌지(가스설계유량 4㎥/h/호)1)의 패턴[그림 4]에서 보면, 승압방지기의 설계유량은 전주거분으로 약 260㎥/h정도로된다.(주거설계유량×호수×동시사용율) 승압방지기로 일반적으로 사용되는 것은 호칭경75A, 표준유량 100㎥/h정도의 것이 상한이므로 3개 정도 병렬로 설치할 필요가 있다. 지하층 천장 등에 큰 공간을 확보할 수 있으면 특별한 문제는 없지만, 높이 45m미만의 주거분의 유량도 더해지기 때문에 쓸모없이 큰 용량의 장비를 설치하는 셈이 된다. 또 최상층에서 2.5kPa을 초과하지 않기 위해서는 설정압력을 1.9kPa정도까지 내려야 하나 최하층에서는 이 압력으로도 별 문제가 되지 않는다.

2)의 경우, 각 기수층의 천정에서 입주관으로부터 분기를 함으로써 이 층을 피해서 14층마다 승압방지기를 설치한다[그림 5].설계유량은 192호분, 160㎥/h 정도가 된다. [주거수에 따라 동시사용율이 다르기 때문에,1)의 경우에 비해 단순히 주거수 비례가 되지는 않는다] 앞에 기술한 75A의 것을 2개 병렬로 설치할 필요가 있다. 입주관의 내진설계상, 응력이 생기는 입관에 부착하는 것이 아니기 때문에 분기를 취한 형상으로 배관을 하고 승압방지기를 부착해서 입주관에 연결된다. 내진설계상, 입주관은 절단 부위없이 관통 설계가 쉽기 때문에 구조적으로 직관으로 통하고 내측에 원형철판을 용접해서 유로가 승압방지기를 경유하도록 한다.
이 방법의 어려운 점은 설치공간 확보가 곤란하다는 점이다. 입주관과 같은 직경의 분기관 2개를 신축 흡수하기 때문에 소정의 형상 및 크기로 파이프샤프트안에 설치할 필요가 있고 75A 승압방지기×2와 그 전후의 밸브를 설치할 공간도 필요하다. 집합주택의 중간층에서는 지하천정 등에 비해서 공간 확보가 곤란한 일이 많아, 사무용건물 등에서는 그다지중요하진 않지만 집합주택에서는 많이 이용하지 않는 것이 좋다.

3)의 패턴의 경우 15층의 분기에서 8개소에 승압 방지기를 설치한다[그림 6]. 1개당 설치유량은 두개 층 24호분의 33㎥/h정도로 호칭경 50A, 1개면 충분하다. 분기관 고정후, 파이프샤프트 내부 또는 파이프샤프트 외부의 공용통로천정 내부에 승압방지기를 설치한다.
[그림 7]. 1개소당 설치공간은, 1)과 2)에 비해 상당히 작다.
설치개소 수는 많아지고 전체 공간도 1)이나 2)에 비해 크게 되는 일이 있으나, 1개소당공간이 작아 동시에 각층 공통(실제로는 15층 이상의 층수를 보지만)의 패턴으로 할 수 있기 때문에 집합주택에 적절한 설계 방법이다. 그러므로 집합주택에서는 3)의 방법이 가장많이 적용된다.
[그림 5] 각층 승압방지기(모식도) [그림 6] 각 분기 승압방지기 (모식도)
[그림 7] 50A 승압방지기의 천정내 설치예(평면도)

3. 안전시스템
초고층주택에서는 안전시스템으로서 우선 긴급가스차단장치가 법령상 필요하다. 긴급가스차단장치로는 땅속에 매설하는 수동밸브와는 별도로 전기신호에 의한 원격조작으로 차단하는 밸브를 설치한다[그림 8].위급시에 건물전체의 가스 공급을 정지하는 것이 목적이기 때문에 차단밸브 본체는 건물인입부보다 윗 측에 설치하는 것이 이상적이나, 일반적으로 매설이 불가능하고 지상에 철제box등을 이용하여 그 안에 설치하는 형태로 설치장소 확보가 곤란한 경우가 많다. 그래서 실제는 건물 인입 직후 설치하는 경우가 대부분이나 그러나 장난 등의 우려가 있기 때문에 주거자들이 용이하게 열 수 있는 장소에는 설치를 피해야 한다. 그러나 차단 후의 복귀조작등은 수동으로 하기 때문에 천장부 등 수동조작이 곤란한 장소에 설치하는 것은 좋지 않다.
지하주차장 등에 설치하는 경우는 자물쇠가 부착된 쇠그물 펜스 등으로 에워싸는 예가 많다. 조작함은 관리인이 상주하는 관리실에 설치한다. 여기서 조작함의 버튼을 누르면 순간적으로 건물전체의 가스공급이 정지되지만 오조작으로 인한 차단을 방지하기 위해 버튼을 2개눌러야 작동되는 조작방법 등을 적용하여 차단 조작하는 경우도 많다. 또 내장 배터리등에 의해 정전시에도 조작 가능하도록 되어 있는 것이 일반적이다.
조작함과 차단밸브 본체는 당연히 신호선으로 연결할 필요가 있고 전선관 설치 등이 필요하다. 차단밸브나 조작함의 사양 또는 배관길이에 따라 신호선의 사양이 변하지만, 4심 또는 5심의 CVV케이블 등을 사용한다. 밸브 본체는 스프링과 탄산가스 봄베에 의해 구동하기때문에 전원은 필요없고 조작함에는 AC100V나 또는 DC24V의 전원이 필요하다.
자치단체에 따라서는 감진기를 설치해서 긴급가스차단장치가 연동차단되도록 설치하는 것을 의무로 하는 경우도 있다. 감진기는 설계상 상정응답가속도가 가장 큰 층에 설치한다.
최상층 부근으로 하는 경우가 많아 통상 1층에 있는 관리실에 신호선을 배선할 필요가 있다. 감진기 자체는 구체에 견고하게 고정할 필요가 있고, 파이프샤프트 안에 설치한다. 이것도 오작동에 의한 차단을 방지하기 위해 2개를 설치하여 AND로 작동하도록 하는 경우가 많다. 감진기의 동작가속도는 250Gal정도가 일반적이다.
이런 설비 외에 입주관 위의 옥내 파이프샤프트에는 가스누출 경보기를 설치해서 작동상황을 집중 감시토록 하는 자치체도 있다. 다만 파이프샤프트가 옥외에 면해 있는 경우, 문의 상하에 환기구를 설치해서 자연환기를 충분히 확보할 수 있으면 옥외와 같은 모양의 경보기 설치는 필요없다. 집합주택의 경우 옥외에 면한 자연환기구 설치가 가능하므로 경보기를 설치하지 않는 경우도 많다.
또 마이콤메터(안전기능을 지닌 자동차단장치 부착 가스메터)의 도입초기로부터 초고층집합주택에서는 설치가 불가결하였지만, 현재는 원칙적으로 15호 이하의 모든 가스메터(천연가스를 사용하는 도시가스에서는 가정용은 3호-7호정도가 일반적)을 마이콤메터로 하는 것이 의무가 되었다.
[그림 8] 긴급차단밸브(ESV)+조작함+감진기(모식도)

끝맺음
초고층집합주택의 가스설비는 이미 패턴화되었다고 해도 좋을 정도로 일반화되었다. 그러나 일반 고층 또는 중저층의 집합주택에 비하면 배관과 장치의 설치공간이 많이 요구된다.
이것이 설계상 큰 장해가 되지는 않지만, 건축설계 초기단계에서 고려되어지지 않으면 현장에서 조정이 곤란하게 된다. 초기단계에서 적절한 조정을 계획하는 것이, 비용적으로도 합리적인 배관설계 이상으로 중요한 포인트이다.

참고문헌
1) 일본가스협회: 초고층건축물용 가스내진설계 시공지침 안내(1987-11)