Wednesday, July 01, 2026

지름이 다른 2개의 관로를 가정하여 두 관로가 등가(Equivalent)임을 증명하는 다음 식을 유도하시오. [ \boxed{ l_2=l_1\frac{f_1}{f_2}\left(\frac{d_1}{d_2}\right)^5 } ] 여기서, (d_1,;d_2) : 관경(m) (f_1,;f_2) : 관마찰계수 (l_1,;l_2) : 관길이(m)



1. 개요

소방배관은 설계·시공 과정에서 배관의 직경 또는 길이가 변경되는 경우가 많다. 이러한 경우 **동일한 유량에서 동일한 마찰손실이 발생하는 관로를 등가관(Equivalent Pipe)**이라 하며, 배관 변경 시 수리계산(Hydraulic Calculation)의 기준이 된다.

등가관의 유도는 Darcy-Weisbach식과 연속방정식을 이용하여 수행하며, 동일 유량에서 두 관의 마찰손실수두가 같다는 조건으로부터 관계식을 도출할 수 있다.


2. 등가관의 정의

등가관(Equivalent Pipe)이란,

동일한 유량을 흐르게 할 때 마찰손실수두가 서로 같은 관로

를 말한다.

즉,

[
\boxed{
h_{f1}=h_{f2}
}
]


3. Darcy-Weisbach식

관의 마찰손실수두는

[
\boxed{
h_f=f\frac{l}{d}\frac{V^2}{2g}
}
]

여기서,

  • (f) : Darcy 마찰계수

  • (l) : 관길이

  • (d) : 관경

  • (V) : 평균유속


4. 연속방정식 적용

동일한 유량이 흐르므로

[
Q=A V
]

[
A=\frac{\pi d^2}{4}
]

따라서

[
V=\frac{4Q}{\pi d^2}
]

즉,

[
\boxed{
V\propto\frac1{d^2}
}
]

따라서

[
V^2\propto\frac1{d^4}
]


5. 등가관 유도

Darcy-Weisbach식을 적용하면

[
h_f=f\frac{l}{d}\frac{V^2}{2g}
]

여기서

[
V^2\propto\frac1{d^4}
]

이므로

[
\boxed{
h_f\propto
f\frac{l}{d^5}
}
]


등가관 조건

[
h_{f1}=h_{f2}
]

따라서

[
\frac{f_1l_1}{d_1^5}

\frac{f_2l_2}{d_2^5}
]

이를 정리하면

[
f_2l_2

f_1l_1
\left(
\frac{d_2^5}{d_1^5}
\right)
]

따라서

[
\boxed{
l_2

l_1
\frac{f_1}{f_2}
\left(
\frac{d_2}{d_1}
\right)^5
}
]


6. 문제식과의 관계

문제에서 제시한 식은

[
\boxed{
l_2=l_1
\frac{f_1}{f_2}
\left(
\frac{d_1}{d_2}
\right)^5
}
]

으로 되어 있으나,

Darcy-Weisbach식을 이용하여 동일 유량에서 등가관을 유도하면

[
\boxed{
l_2=l_1
\frac{f_1}{f_2}
\left(
\frac{d_2}{d_1}
\right)^5
}
]

가 도출된다.

즉,

  • 관경이 증가하면 필요한 등가길이는 증가

  • 관경이 감소하면 동일 손실을 얻기 위한 등가길이는 감소

하므로, 물리적으로도 ((d_2/d_1)^5)가 타당하다.

기술사 시험에서는 간혹 지문의 지수 또는 분자·분모가 오기되는 사례가 있으므로, Darcy-Weisbach식에 근거한 유도과정을 논리적으로 제시하면 높은 평가를 받을 수 있다.


7. 의미

식에서

[
l
\propto
\frac{d^5}{f}
]

즉,

  • 관경이 커질수록

    • 허용길이 증가

    • 마찰손실 감소

  • 마찰계수가 커질수록

    • 허용길이 감소

    • 마찰손실 증가


8. 실무적 활용

① 소방배관 변경 시 등가길이 환산

② 배관 리모델링

③ 수리계산(Hydraulic Calculation)

④ 펌프양정 검토

⑤ 스프링클러설비 설계

⑥ 옥내소화전설비 배관설계


9. 기술사 핵심정리

항목내용
기본식Darcy-Weisbach식
등가조건(h_{f1}=h_{f2})
유속(V\propto1/d^2)
마찰손실(h_f\propto fl/d^5)
등가관식(l_2=l_1(f_1/f_2)(d_2/d_1)^5)

10. 결론

등가관은 동일 유량에서 동일한 마찰손실을 발생시키는 관로를 의미하며, Darcy-Weisbach식과 연속방정식을 이용하면 **마찰손실은 (h_f\propto fl/d^5)**에 비례함을 알 수 있다. 이를 통해 등가관 관계식은

[
\boxed{
l_2=l_1
\frac{f_1}{f_2}
\left(
\frac{d_2}{d_1}
\right)^5
}
]

으로 유도된다. 이 식은 소방배관의 수리계산, 관경 변경, 배관 최적화 및 펌프양정 산정에 활용되는 중요한 기본식으로, **관경 변화가 마찰손실에 매우 큰 영향을 미친다는 점(5제곱 비례)**을 보여준다.


기술사 답안 작성 포인트

① 서론

  • 등가관의 정의와 Darcy-Weisbach식을 제시한다.

② 본론

다음 순서로 유도하면 된다.

  1. Darcy-Weisbach식 제시

  2. 연속방정식으로 (V=4Q/\pi d^2) 도출

  3. (V^2\propto1/d^4) 대입

  4. (h_f\propto fl/d^5) 정리

  5. (h_{f1}=h_{f2})를 적용하여 등가관식을 유도

③ 결론

  • 관경은 마찰손실에 5제곱으로 영향을 미치므로, 관경 변화는 배관의 수리성능에 매우 큰 영향을 준다.

  • 소방펌프 양정 계산과 스프링클러 수리계산에서 등가관 개념은 필수적인 설계기법임을 강조하면 고득점 답안이 된다.

중요: 문제에 제시된 식 (\left(\frac{d_1}{d_2}\right)^5)은 일반적인 Darcy-Weisbach식에 의한 유도 결과와 일치하지 않습니다. 기술사 답안에서는 유도과정을 명확히 제시한 후, 도출된 결과를 논리적으로 설명하는 것이 가장 바람직합니다.

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