이 글의 목적은 고압가스 저장탱크의 기초 및 지반 설계 기준을 법규·KGS 코드·구조공학 관점에서 종합적으로 정리하여, 설계자와 안전관리자가 실제 인허가와 상세 설계에 바로 활용할 수 있도록 돕는 것이다.
1. 고압가스 저장탱크와 기초·지반 설계의 기본 개념
고압가스 저장탱크는 LPG, LNG, 암모니아, 산소, 질소 등 인화성·산화성·독성 가스를 대량으로 저장하는 설비이다. 이러한 저장탱크는 탱크 본체의 강도뿐 아니라, 이를 지지하는 기초와 지반의 안정성이 확보되지 않으면 전도, 배관 파손, 누출·화재 등 중대사고로 이어질 수 있다.
따라서 고압가스 저장탱크의 기초 설계는 다음 세 가지 관점에서 동시에 검토해야 한다.
- 법령 및 고시 기준 충족 여부(고압가스안전관리법, 액법, 도시가스사업법, KGS 코드 등)
- 구조·지반공학적 안정성(지지력, 침하, 전도·활동, 내진 안정성)
- 운전·정비 및 사고 시 거동(누출·화재·지진 발생 시 탱크 및 배관의 변형 허용 범위)
특히 LPG·LNG 저장탱크와 같은 저온 저장설비는 냉열에 의한 지반 동결, 액상화, 장기 침하 등을 함께 고려해야 하므로 일반 건축물 기초보다 설계 난이도가 높다.
2. 관련 법령·기준 체계 정리
2.1 고압가스 관련 기본 법령
고압가스 저장탱크 기초·지반 설계에는 다음과 같은 법령·기준이 복합적으로 적용된다.
- 고압가스안전관리법 및 시행령·시행규칙
- 액화석유가스의 안전관리 및 사업법(소위 액법) 및 하위 규정
- 도시가스사업법 및 하위 규정
- 한국가스안전공사 KGS 코드(저장탱크 시설·기술기준, 내진설계 기준 등)
- 건축법 및 구조설계 기준(KDS 건축물 및 건물외 구조물 내진설계 기준 등)
각 법령과 KGS 코드는 저장탱크의 위치·안전거리·구조·기초에 대해 공통적으로 다음 사항을 요구한다.
- 저장설비 및 가스설비의 기초는 지반 침하로 설비에 유해한 영향을 미치지 않도록 할 것
- 저장탱크 받침대(받침대가 없는 경우 탱크 하부)는 같은 기초 위에 설치할 것(중·대형 탱크의 부등침하 방지 목적)
- 저장탱크 지지구조물과 기초는 지진에 견딜 수 있도록 설계할 것
- 탱크 간 거리와 배관 배치, 방유제·방류둑 등과 조합하여 사고 전파를 방지할 것
주의 : 인허가 도면·기술검토에서 기초·지반 검토 자료를 별도로 요구하는 경우가 많으므로, 구조계산서와 함께 지반조사 결과 및 지지력·침하 검토 결과를 일관된 형식으로 정리해 두는 것이 좋다.
2.2 KGS 코드와 기초·지반 관련 요구사항
KGS 코드는 저장탱크 형식과 적용 법령에 따라 여러 문서로 나뉘며, 공통적으로 다음과 같은 기초·지반 관련 사항을 포함한다.
- 지반조사 범위 및 설계 지반정수(단위중량, 내부마찰각, 점착력, 탄성계수 등) 산정 기준
- 기초 형식(슬래브기초, 링 월 기초, 말뚝기초 등) 선택 시 고려사항
- 허용지지력 및 허용지반반력 산정 방법과 안전율
- 침하 및 부등침하 허용 기준
- 지진·풍하중·수위변화에 대한 안정성 검토(전도, 활동, 인장말뚝 필요 여부)
실무에서는 해당 탱크 형식에 맞는 KGS 코드를 확인한 후, 건물외 구조물에 대한 국내 구조설계 기준을 함께 적용하여 기초 설계를 수행한다.
3. 지반조사 및 허용지지력 평가
3.1 지반조사의 기본 범위
고압가스 저장탱크 기초 설계 시 지반조사는 의무에 가깝다고 보는 것이 안전하다. 일반적으로 다음과 같은 항목을 포함한다.
| 조사 항목 | 주요 내용 | 목적 |
|---|---|---|
| 시추조사(Boring) | 층두께, 토질분류, N값, 암반 심도 확인 | 층상 구조 파악, 기초 형식 결정 |
| 표준관입시험(SPT) | N값 측정, 조밀도·강도 추정 | 허용지지력, 액상화 가능성 평가 |
| 지하수위 조사 | 지하수 심도, 계절별 변동 범위 | 배수·배수층 설계, 부력 검토 |
| 실내토질시험 | 함수비, 비중, 압밀·삼축시험 등 | 지반강도·압축성 정량화 |
대형 LPG·LNG 저장탱크의 경우, 액상화 가능성 검토, 장기 침하 검토를 위해 별도의 지구물리탐사나 현장재하시험(PLT, DMT 등)을 추가하는 경우도 많다.
3.2 허용지지력과 허용지반반력
허용지지력(qa)은 지반이 파괴되지 않고 구조물을 안전하게 지지할 수 있는 단위면적당 하중을 의미한다. 실무에서는 극한지지력을 산정한 후 안전율을 적용하여 허용지지력을 산정하거나, 경험식·기준표를 이용해 정한다.
- 극한지지력(qu): 지반이 파괴되기 직전까지 지탱 가능한 최대 지지력
- 허용지지력(qa): qu에 안전율(Fs)을 적용하여 얻는 설계용 지지력
- 허용지반반력(qall): 기초 저면에 분포되는 평균 지반반력에 대한 허용값
설계 시에는 탱크 내용물·자중·상부설비·설계하중(바람, 지진 등)을 고려한 기초 저면 최대반력이 허용지반반력 이하가 되도록 단면을 결정한다.
4. 기초 형식 선정 기준
4.1 주요 기초 형식 비교
| 기초 형식 | 특징 | 적용 사례 |
|---|---|---|
| 슬래브 기초(매트) | 넓은 면적으로 하중 분산, 부등침하 감소에 유리 | 중·대형 지상 원통형 탱크, 기초지반 양호~보통 |
| 링 월 기초 | 탱크 외곽에 환형 기초 설치, 중앙부는 모래/쇄석층 | 대형 탱크, 내용물 하중이 링 부분에 집중되는 경우 |
| 말뚝기초 | 연약지반에서 심도 깊은 지지층까지 하중 전달 | 연약지반, 매립지, 하천부지 등 |
| 복합기초 | 말뚝+매트 또는 말뚝+링 월 조합 | 매우 큰 하중, 엄격한 침하제한이 필요한 경우 |
기초 형식은 지반조사 결과, 탱크 크기, 내용물 비중, 인접 구조물, 시공성·경제성을 종합적으로 고려하여 결정한다. 동일 부지 내 복수 탱크를 설치하는 경우, 가능하면 동일한 기초 형식을 적용하는 것이 장기 침하 관리 측면에서 유리하다.
4.2 받침대와 같은 기초 위 설치 요구
관련 기준에서는 일정 규모 이상 저장탱크에 대해 받침대(또는 탱크 하부)를 같은 기초 위에 설치하도록 요구한다. 이는 다음과 같은 이유 때문이다.
- 각 받침대가 서로 다른 기초 위에 설치되면 지반 조건 차이로 인해 부등침하가 커짐
- 부등침하 시 탱크 저판에 편심이 발생하여 탱크 쉘·노즐·배관에 과도한 응력이 발생
- 지진 시 기초가 일체로 거동하지 않으면 탱크와 배관의 상대변위가 증가하여 파손 위험이 커짐
주의 : 설계 단계에서 받침대 배치를 우선 결정한 후, 받침대 전체를 포함하는 기초 슬래브 또는 링 월 형상을 잡아야 한다. 기초 설계와 받침대 배치를 따로 검토하면 나중에 도면 불일치로 재설계가 발생하기 쉽다.
5. 안정성 검토 항목(지지력·침하·전도·활동·내진)
5.1 지지력 및 슬래브 두께 검토
저장탱크 기초에 작용하는 대표 하중은 다음과 같다.
- 고정하중: 탱크 자중, 기초 콘크리트, 흙다짐층, 배관 지지 등
- 변동하중: 내용물(가스·액체) 하중, 온도변화에 의한 하중
- 환경하중: 풍하중, 적설하중, 내진하중, 수압·부력 등
지지력 검토는 기초 저면에 발생하는 최대 지반반력 qmax가 허용지반반력 qall 이하인지 확인하는 방식으로 수행한다. 슬래브 두께는 단면력 검토(휨, 전단)와 균열, 최소철근비 기준을 만족하도록 결정한다.
5.2 침하 및 부등침하 검토
침하는 전체 침하량과 부등침하량 모두를 검토해야 한다. 대략적인 실무 기준은 다음과 같다(구체 값은 설계 기준서 참조).
- 총 침하량: 수 cm 수준 이내(지반 및 탱크 형식에 따라 다름)
- 부등침하: 탱크 직경/500~1000 범위 이내
침하 계산은 탄성이론, 압밀이론, 경험식 등을 사용하며, 연약층이 두꺼운 경우 장기 침하에 대한 검토가 필수이다. 필요 시 프리로딩, 지반개량, 말뚝기초 등으로 침하를 제어한다.
5.3 전도·활동(슬라이딩) 검토
탱크와 기초 시스템은 지진·풍하중, 부력(지하수 상승) 등에 대해 전도 및 활동에 대한 안전율을 확보해야 한다. 대표적인 검토식 예시는 다음과 같다.
전도 안전율 FS_overturning = Σ저항모멘트 / Σ전도모멘트
활동 안전율 FS_sliding = Σ마찰저항 / Σ수평하중
= (N × μ) / H
여기서
N : 기초 저면에 작용하는 수직력(자중+내용물-부력 등)
μ : 기초와 지반 사이 마찰계수
H : 설계 수평하중(지진·풍 등)
전도 및 활동에 대해서는 통상 정상 상태, 지진 상태 각각에 대해 서로 다른 목표 안전율을 적용한다. 부력이 크게 작용하는 경우(지하수위가 높고 기초 저면이 깊은 경우 등) 말뚝기초를 통해 인장에 저항하는 설계를 병행해야 한다.
5.4 내진 설계와 탱크-기초 상호작용
고압가스 저장탱크는 일반적으로 내진 검토 대상 구조물에 해당한다. 내진 설계 시 다음 사항을 고려한다.
- 설계지반계수·지반종류, 설계응답스펙트럼 결정
- 탱크의 동적 특성(고유진동수, 모드 형상)과 슬로싱(액체 탱크의 액면 진동) 고려
- 기초를 포함한 전체 시스템의 강성·변위 검토
- 앵커볼트, 탱크 쉘-기초 접합부 상세(인장·전단 내력) 검토
- 배관·케이블 트레이 등 부속설비의 상대변위 허용 범위 검토
주의 : 내진해석에서 기초를 완전고정보다는 스프링(지반반력계수)으로 모델링하면, 실제 지반-구조물 상호작용을 더 현실적으로 반영할 수 있다. 다만 인허가용 구조계산서에서는 기준에서 허용하는 단순화 모델을 우선 확인해야 한다.
6. 고압가스 저장탱크 특유의 지반·기초 설계 고려사항
6.1 저온 저장탱크(냉열 영향)
LNG, 일부 LPG 저장탱크는 극저온 액체를 저장하므로 다음 사항을 고려해야 한다.
- 냉열에 의한 기초 콘크리트 및 지반의 동결·수축
- 동결융해 반복에 의한 재료 열화
- 단열층 및 하부 모래·쇄석층의 구성과 배치
- 동결심도와 배수 계획(동결 팽창에 따른 부등침하 방지)
저온 탱크 하부에는 단열재와 배수층을 적절히 배치하고, 동결에 민감한 세립토층이 직접 냉열에 노출되지 않도록 설계해야 한다.
6.2 누출·화재 시 기초의 내열 성능
인화성 가스를 저장하는 탱크 주변에서는 누출·화재 시 고온이 기초 콘크리트 및 철근에 영향을 줄 수 있다. 따라서 다음과 같은 방안을 검토한다.
- 철근 피복두께를 내화성능을 고려하여 충분히 확보
- 방유제, 방류둑, 방호벽 등으로 직접 화염에 노출되는 면적 최소화
- 지상 배관 지지기초의 내열성 확보(열에 강한 재료, 피복 등)
6.3 배관·부속설비와의 상호작용
저장탱크 기초 설계에서는 탱크 본체뿐 아니라 다음 요소와의 변위·침하 차이를 반드시 고려해야 한다.
- 탱크 노즐에 접속되는 공정배관·가스배관
- 펌프, 압축기 등의 기초
- 케이블 트레이, 계장선로 지지구조물
배관은 고정점·가이드·슬라이드 지지방식을 적절히 조합하여, 탱크 및 기초의 침하·온도변형·지진응답에 따른 상대 변형을 흡수할 수 있도록 설계해야 한다.
7. 설계·시공 단계별 실무 체크리스트
7.1 단계별 주요 체크포인트 요약
| 단계 | 점검 항목 | 핵심 포인트 |
|---|---|---|
| 기획·기본설계 | 부지 선정, 법적 규제 검토 | 안전거리, 토지이용계획, 주변 보호시설 검토 |
| 지반조사 | 시추 위치·심도, 시험 항목 | 탱크 위치별 대표 지반조건 확보, 연약층 확인 |
| 상세설계 | 기초 형식·두께, 지지력·침하 계산 | 받침대 동일 기초 여부, 내진·전도·활동 검토 |
| 시공 | 기초 배근·타설 품질, 지반개량 품질 | 도면대로 시공, 지반 다짐·배수 상태 확인 |
| 시험운전·운영 | 침하계측, 균열 점검 | 운전 초기 침하계측 후 추세 관리 |
주의 : 실제 사고 사례를 보면, 구조계산의 오류보다도 시공 품질 미흡(다짐 부족, 콘크리트 타설 불량, 배수 불량)으로 인한 국부 침하·균열이 훨씬 자주 발생한다. 설계 단계에서 시공관리 항목을 명확히 지정하는 것이 중요하다.
8. 연약지반·기존 시설 증설 시 기초 보강 전략
8.1 연약지반에서의 대책
연약지반에 고압가스 저장탱크를 설치해야 하는 경우, 대표적인 대책은 다음과 같다.
- 지반개량(프리로딩, 샌드드레인, 치환공법 등) 후 직접기초 적용
- 말뚝기초 또는 복합기초 채택
- 기초 저면 확대 및 강성 증가를 통해 부등침하 방지
경제성과 공정, 향후 증설 계획을 고려하여 개량·기초 형식을 선택해야 하며, 탱크 간 침하 차이가 너무 커지지 않도록 계획하는 것이 중요하다.
8.2 기존 탱크 인접 증설 시 고려사항
기존 저장탱크 바로 옆에 신규 탱크를 증설하는 경우 다음 사항을 검토해야 한다.
- 기존 기초 형식과 지반조건을 조사하여 동일 또는 유사한 기초 형식을 채택
- 기존 탱크의 장기 침하 실적을 조사하여 상대 침하 예측
- 두 탱크 및 공통 배관의 상대 변위 허용범위 검토
필요 시 기존 기초 주변에 마이크로파일, 언더피닝 등 보강 공법을 적용하여 탱크 간 상대 침하를 허용 범위 내로 제어한다.
FAQ
Q1. 소형 고압가스 저장탱크도 지반조사가 반드시 필요한가?
저장능력이 작은 소형 탱크의 경우 법적으로 상세 지반조사를 의무화하지 않는 경우도 있으나, 부지 조건이 불확실하거나 매립지·연약지반이 의심되는 경우에는 간이 조사라도 실시하는 것이 안전하다. 최소한 인근 시추자료, 지반도, 과거 시설물 침하 사례 등을 확인하고, 위험성이 있으면 표준관입시험 등을 포함한 지반조사를 수행하는 것이 바람직하다.
Q2. 여러 개의 받침대를 사용하는 구형 탱크에서 기초를 나누어 시공해도 되는가?
관련 기준에서 일정 규모 이상의 저장탱크 받침대는 같은 기초 위에 설치하도록 요구하고 있다. 받침대마다 서로 다른 기초를 사용하면 지반 상태 차이로 인해 부등침하가 커지고, 탱크 쉘 및 노즐에 과도한 응력이 발생할 수 있다. 따라서 구조·지반 안정성을 위해 하나의 연속된 기초 슬래브 또는 링 월 위에 받침대를 모두 배치하는 것이 원칙이다.
Q3. 고압가스 저장탱크 내진 설계 시 건축 기준과 KGS 기준 중 무엇을 우선 적용해야 하나?
고압가스 저장탱크는 고압가스 관련 법령 및 KGS 코드의 적용을 우선 받으며, 내진 설계에 대해서는 KGS 내진설계 기준과 건축 구조설계 기준을 함께 고려하는 것이 일반적이다. 인허가 기관 또는 한국가스안전공사 심사 시 요구하는 기준을 우선 확인하고, 양 기준에서 더 엄격한 요구사항을 충족하도록 설계하는 접근이 실무에서 많이 사용된다.
Q4. 운전 중 저장탱크 주변 기초에 균열이나 국부 침하가 발견되면 어떻게 해야 하나?
먼저 균열 폭·길이·위치를 기록하고, 침하·틸트 계측을 통해 진행성 여부를 확인해야 한다. 동시에 탱크 쉘, 노즐, 배관, 앵커볼트 등 구조 안전에 직접 관련되는 부분에 변형·누출이 없는지 확인한다. 위험성이 있다고 판단되면 탱크 운전을 감압·정지하고, 구조·지반 전문기술자의 정밀 진단을 거쳐 보수·보강 공법(주입, 언더피닝, 말뚝 보강 등)을 적용해야 한다.