도시가스 배관의 파손시 폭발, 화재 사고로 이어지는 경우 기업뿐 아니라 사회적으로 큰 리스크를 발생시킨다. 그러나 매설배관과 병행 또는 교차 되는 구간의 전기설비에 대한 전격 위험성 평가에 대한 연구는 전무하다. 이에 본 연구에서는 전격 위험성 평가의 필요성과 실시방법 및 효과를 소개하여 도시가스 공사 시 전기설비로 인한 사고 위험을 예방하고 근로자와 시민들의 안전을 강화 하는데 기여 하고자 한다. 전격 위험성 평가는 정보 수집을 위한 위험지역 선정, 정밀 검사 및 위험성 평가, 전격 해소 방법론으로 구성되어 있다. 전격 위험성 평가의 효과성을 확인하기 위해 Test bed를 실시하였다. 국내 도시가스 공급사인 ‘P’사 ‘A1’ 공급권역에 전격 위험성 평가 실증 실시 후, ‘B2’, ‘C3’ 공급권역으로 확대 하여 적용하였으며, 평가 실증 또한 실행 하였다. 전격 위험성 평가의 항목은 국·외 기준을 바탕으로 평가 세부 기준을 구축 후 평가 지표를 개발하였으며, 평가 범위에 따른 평가 등급을 도출하고 도출된 등급에 따라서 위험도를 낮추는 해결 방법을 제안 하였다. 전격 위험성 평가를 통해서 매설배관에 유입되는 전압 위험에 따른 감전의 위험으로부터 작업자를 보호하고, 안전을 확보할 수 있다. 따라서 연구에서는 도시가스 매설배관 작업시 발생할 수 있는 감전, 폭발 등의 위험을 방지하기 위해 전격 위험성 평가를 작업 표준으로 도입하고 전국의 도시가스사 및 LPG 배관망 시공사를 대상으로 확산할 것을 제안하였다.

도시기반 라이프라인은 지진발생시 시설물의 붕괴뿐만 아니라 붕괴로 인한 도시기능 마비, 대형화재와 같은 2차 피해를 동반하여 막대한 사회·경제적 손실을 야기할 것으로 예측된다. 이에 대한 대비책으로 국내에서는 지진재해대응시스템을 운영 중이며, 지진재해대응시스템은 각 시설물별 지진취약도 모델을 통해서 시설물의 파괴확률을 산정하고, 지진재해 정도를 평가한다. 따라서 본 논문에서는 국내 지반특성을 고려하여 도시기반 라이프라인 시설물 중 매설가스배관의 시간이력 해석을 수행하였고, 확률론적인 해석방법인 최우도추정법을 이용하여 지진취약도 모델을 개발하였다. 해석모델은 국내 대표도시인 서울지역에 매설된 고압관과 중압관으로 선정하였으며, 지반의 모델링은 Winkler foundation 모델을 이용하였다. 또한 개발된 취약도 모델의 GIS 적용방안을 제시하였다.

본 연구에서는 국내에서 널리 사용되고 있는 매설가스배관인 API X65에 대해 지진 취약도 해석을 수행하였다. 이를 위해, 15가지 경우의 배관 해석모델에 대해 12본 세트의 다양한 지진파를 0.1g 등간격으로 스케일링하여 비선형 시간이력해석을 수행한 후, 비선형 시간이력해석으로 얻어진 매설가스배관의 최대 변형률을 이용하여 지진취약도 해석을 수행하였다. 지진 취약도 해석을 위해 본 연구에서는 또한, 지반조건, 단부지점조건, 매립깊이 및 배관형태 등을 변수로 고려하여 지진 취약도 해석을 수행하였다. 지진 취약도 해석결과, 지반조건, 단부지점조건 및 매립깊이는 매설가스배관의 취약도 곡선에 영향을 끼치는 것으로 판단되었고, 특히 지반조건이 미치는 영향은 다른 두 변수에 비해 다소 큰 것을 확인할 수 있었다. 반면에, 배관형태가 취약도 곡선에 미치는 영향은 미미한 것을 알 수 있었다. 종합적으로, 매설가스배관의 지진 취약도 해석과 관련된 연구가 많지 않은 현실을 감안할 때, 본 연구결과는 매설가스배관의 지진 취약성 평가해석에 초석으로 고려되어질 수 있고, 추후 관련분야 연구에 좋은 참고자료가 될 것으로 사료된다.

본 연구에서는 국내에서 많이 사용되고 있는 매설가스배관인 X65를 선택하여 매설가스배관의 형태, 매설된 지반의 특성, 단일 및 복합입력지진파 그리고 매설깊이 등을 변수로 하여 시간이력 지진응답해석을 수행하였다. 해석적으로 예측된 변형률 및 상대변위는 국내도시가스 배관의 내진설계 세부기술기준에서 제시하고 있는 허용변형률 및 허용변위역량과 비교하였다. 비교해석결과, 배관의 변형률은 매설깊이와 지반조건에 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 상대변위의 경우, 축 방향 상대변위는 매설깊이에 따른 영향을 받지 않는 반면에, 횡 방향 상대변위는 매설깊이와 지반조건에 영향을 받는 것을 알 수 있었다. 결론적으로 본 연구결과는 향후 매설가스배관의 지진건전도 평가에 좋은 자료를 제공할 것으로 사료된다.

오늘날 국내에서는 지진이 발생했을 때, 이에 대한 대비책으로 지진재해대응시스템을 운영 중에 있으며, 지진재해대응시스템은 각 시설물 별 지진취약도 모델을 통해서 시설물의 파괴확률을 산정하고, 지진재해 정도를 평가하고 있다. 이에 따라서, 본 논문에서는 지진발생시 1차 시설물의 붕괴뿐만 아니라 재산상, 인명상의 2차 피해를 동반하는 도시기반 네트워크 시설물인 가스시설물 중 매설 가스배관에 대하여 지진취약도 분석을 수행하였고, 국내의 지반특성을 고려하여 매설가스배관의 비선형 시간이력 해석을 수행하였으며, 확률론적 접근해석방법인 최우도추정법을 이용하여 지진취약도 모델을 개발하였다. 매설가스배관의 해석모델은 국내의 대표도시인 서울지역에 매설된 고압관과 중압관으로 선정하였으며, 지반은 가스관의 매립심도 설계기준에 따라 서울시 GIS(Geographic Information System)포털시스템과 지반조사편람에서 제공하는 자료를 분석하여, 매립토층과 퇴적토층의 물성치를 적용한 Winkler foundation 모델을 이용하였다. 또한 추가적으로 개발된 매설가스배관 취약도 모델의 GIS(Geographic Information System) 지리정보시스템 적용방안을 제시하였다.

본 연구에서는 주요 사회기반시설물 중 하나인 매설가스배관의 지진 취약도 모델을 개발하였다. 취약도 모델 개발을 위해서는 대상시설물의 지진해석이 선행되어야 하며, 지진해석은 동적해석법인 시간이력해석과 실무에서 지중구조물의 지진해석에 많이 이용되는 방법인 응답변위법을 이용하였다. 동적해석법인 시간이력해석에서는 지반과 구조물의 상호작용을 고려할 수 있는 Winkler Foundation모델을 이용하여 모델링하였고, 동정평형방정식의 해를 구하는 수치해석기법은 Hilber-Hughes-Taylor방법을 이용하였다. 가스관의 지진 해석 결과는 확률론적인 해석방법인 최우도추정법을 이용하여 지반별 지진취약도 곡선을 작성 및 분석하였다.

This study is intended to analyze the stress distribution of gas pipe buried in soft ground. A numerical analysis was carried out with API 5L X 65 steel gas pipe. The analytical model describes the typical cohesive sediment bed in domestic southwest coast, and embankment load is adopted for this research. Compared with residual soil conditions, the effective stress increases by 23∼26%. From the results, it can be suggested that the difference in soil stiffness would significantly affect the stress distribution of gas pipe buried in soft clay.