튀르키예·시리아 지진이 지구를 흔들었다. 7400km나 떨어진 우리나라의 모든 관측소에서 관측될 정도였다. 10만채가 넘는 건물을 파괴하고 수만명의 생명을 앗아갔다.
우리나라도 지진 안전지대가 아니다. 2016년 9월 경주 규모 5.8, 2017년 11월 포항 규모 5.4 지진 이후 지난해 10월 충북 괴산군에서 규모 4.1 지진에 이어 올해 1월에도 강화도 해상에서 규모 3.7의 지진이 발생하는 등 한반도에 지진발생 횟수는 계속 증가하고 있는 추세다. 이웃나라 일본에서는 30년 안에 규모 9.0 이상의 지진이 발생할 확률을 99%로 예측하고 있고, 일본에서 대지진이 발생하면 한반도에도 규모 5 이상의 지진이 발생하였던 역사 기록은 우리에게 시사하는 바가 크다.
우리나라는 2000년 이후 건축물의 내진설계 의무화가 본격화되었으며 신축 건물과 주요 공공시설에 내진설계가 반영되어 꾸준히 내진성능 확보율이 높아지고 있다. 그러나 전국적으로 건축물 10채 중 8채 이상이 내진성능을 갖추고 있지 않다.
내진은 지진에 견디는 것으로, 내진설계는 건축물이 지진에 버티며 붕괴하지 않도록 하여 인명의 손상을 막기 위한 목적의 구조설계를 말하며, 내진구조에는 내진구조, 제진구조, 면진구조가 있다.
내진구조는 구조물 자체가 지진에너지에 견디는 것이며, 면진은 구조물에 전해지는 지진에너지를 줄이는 것, 제진은 지진에너지 자체를 소산시키는 것을 말한다.
내진설계 대상 구조물과 그 구성부재는 건축물의 하중을 지탱할 수 있도록 충분한 강도를 갖춰야 하며 지진의 흔들림에 유연하게 대응할 수 있는 연성도 지니고 있어야 한다.
‘연성’은 당기는 힘을 받아 파괴되기 전까지 늘어나는 것으로 철강이 지닌 대표적인 특성이다. 반대로 부서지거나 깨지는 성질을 ‘취성’이라 하는데 콘크리트가 대표적이다. 콘크리트에 철근을 함께 사용하는 가장 큰 이유도 연성을 확보하기 위해서다.
건축물의 구조재로 가장 많이 사용되는 재료로 철강, 콘크리트, 목재를 꼽을 수 있는데, 이중 외부 충격을 가장 잘 흡수하면서 균열이나 파괴 가능성이 가장 낮은 것이 철강이다. 지진이 자주 발생하는 일본과 대만에서는 건축물, 교량 등 구조물의 내진성능을 확보하기위해 강구조를 우선적으로 적용하고 있다.
현재 설계 기준상 항복비* 0.85 이하면 내진용 강재로 분류된다. 항복비가 낮을수록 내진성능이 우수하다고 하는데, 이는 지진 등의 충격으로 건축물이 기울어지기 시작해서 붕괴되기 전까지 대피 등 지진에 대응할 수 있는 시간을 그만큼 더 확보할 수 있다는 것이다.
*항복비 : 항복강도를 인장강도로 나눈 값. 물체에 힘을 가하여 양쪽에서 당길 때 물체의 길이가 늘어나는데, 어느 정도 힘까지는 힘을 놓으면 원래 크기로 돌아가게 된다. 이 때 원래 상태로 돌아갈 수 있을 때의 최대 힘을 ‘항복강도’라 한다. 항복강도를 넘어 더 많은 힘을 가하면 물체가 늘어나면서 마지막에는 절단되는데, 절단되기 전까지 가해지는 힘 중 가장 큰 힘을 ‘인장강도’라고 한다.
▲ 대만 타오위안 공항 제3터미널 조감도
◆ SN : SN(Steel New)강은 항복비가 0.8으로 내진강의 대명사다. SN재는 고베 대지진이후 일본내 건축물의 내진설계강화 및 강재의 용접성 향상을 목적으로 1994년에 제정된 SN(Steel New Structure) 규격을 따르는 강재다. 포스코는 1995년 SN강재개발 상용화에 성공하고 1999년 KS규격(KS D 3632) 인증을 획득했다. 포스코의 SN강재는 신도림 테크노마트, 고양 체육관 등 일반 건축물에서부터 대형 공공시설까지 널리 사용되고 있다. 삼성물산이 시공중인 대만 타오위안 국제공항 제3터미널 신축 공사에 소요되는 건설용 후판 7만톤을 포스코가 전량 수주했는데, SN재가 90% 이상을 차지한다.
△ 서울대 관정도서관
◆ HSA : HSA는 내진 성능을 가진 건축구조용 전용 강재이다. 그중 인장강도 600Mpa과 항복비 0.8을 보증하는 HSA600은 포스코만 생산이 가능하다. 기존 건축구조용 일반 강재보다 약 1.7배 강하고, 중량은 약 30% 가벼워 초고층 건물에 적격이다. 서울대 관정도서관, 동대구역 복합환승센터 그리고 우리나라에서 가장 높은 롯데월드타워 등에 적용됐다.
◆ HSA80 : 항복강도가 80MPa인 HSA80은 항복비 0.6 이하의 저항복비, 연신율 50% 이상의 저항복점의 특성을 가지고 있다. 지진의 충격에너지를 댐퍼에 집중시킴으로써 주요 부재인 기둥과 보의 손상을 최소화하는 제진댐퍼 전용 강재이다.
건축물이 제대로 된 내진성능을 확보하기 위해서는 내진 강재의 품질 확보 뿐 아니라 강재와 강재를 접합하는 용접 기술과 건물의 연성능력을 유도하는 보기둥 접합부의 디테일이 동시에 갖춰져야 한다.
바람이나 지진으로 건축물이 휘거나 변형되는 정도를 층간변위라 하는데, 보기둥 접합부의 내진 등급은 보와 기둥 접합부가 견뎌내는 층간변위의 정도(층간변형각)에 따라 보통모멘트(1%), 중간모멘트(2%), 특수모멘트(4%) 접합부로 구분되고 있다. 중간모멘트, 특수모멘트로 갈수록 내진성능이 높아지는 것이고, 내진성능이 높아진만큼 안정성을 인정받아 구조부재의 물량을 추가로 10~20% 절감할 수 있는 효과가 있다.
하지만 중간모멘트나 특수모멘트 접합부로 설계, 제작, 시공할 수 있는 기술이 국내에 보급되지 않아 내진접합부를 이용하는 사례가 거의 없다가 최근에 포스코에서 세계최대 사이즈의 특수모멘트 개발 및 설계, 제작 기술을 제공하면서 원가 절감 및 구조물의 내진안정성을 위하여 발주처나 건설사에서 내진접합부를 적용하는 사례가 증가하고 있는 추세이다.
▲ 창원 스타필드 조감도 (출처: 창원시청 홈페이지)
◆ Pos-H : Pos-H는 포스코의 내진강을 절단 후 용접하여 만든 맞춤 형강이다. 건축물의 안전에 필요한 최적의 사이즈로 제작할 수 있기 때문에, RH형강 대비 15~20% 상당의 강재량 절감이 가능하다. 진정 지진에 안전한 강구조 건축물인지는, 사용된 강재의 항복비가 0.8 이하인지 그리고 대형단면에서도 최고 내진등급인 특수모멘트 골조의 성능 구현이 가능한지를 확인하면 된다. Pos-H는 세계 유일하게 보 높이 1,500mm에 대해서도 특수모멘트를 구현했다. 고양 데이터센터, 창원 스타필드 등에 적용되었다.
◆ ES-Column : SN강으로 제작된 ES-Column은, 각형 강관의 내부에 구멍이 있는 원형 강관을 삽입하고 그 구멍 안에 콘크리트를 채우는 합성기둥시스템으로 내진성능 뿐 아니라 내화성능*도 갖추었다. 국회 소통관, 넥센 R&D센터 등에 적용되었다.
*내화성능 : 어떤 구성요소 또는 부재가 지속적으로 화재에 견딜 수 있는 시간
◆ P-Box : 포스코 WTP(World Top Premium) 열연 제품인 HSA600(High performance Steel for Architecture 600)을 구부려 만든 사각형의 기둥 내부에 콘크리트를 채워 강도를 향상시킨 제품이다. 서울 장충동 호텔신라 부설주차장, 서울 문정동 업무시설, 경기 하남 신축 아파트 등에 적용되었다.
▲ 강릉원주대학교 치과병원. 하이퍼 댐퍼(HIPER-DAMPER)로 규모 6~6.5의 지진에도 인명을 보호할 수 있도록 내진성능 보강이 되어 있다.
◆ HIPER-DAMPER : 일반강 대비 2배의 연신율을 갖춘 고연성 저항복점강 HSA80을 활용한 강재댐퍼(HIPER-DAMPER)는 기존 일반강 대비 2배 이상의 에너지 소산 능력을 발휘한다. 지진 시 소성변형을 댐퍼에 집중시켜서 주요부재인 기둥과 보의 손상을 최소화할 수 있다. 신축부터 기존 건축물의 내진 보강까지 적용이 가능하다. 원주대 치과병원, 충북지방중소기업청, 부산대와 충북대 등에 적용되었다.
◆ 삼축내진말뚝 : 모든 방향에서 동일하게 수평방향 하중에 저항하는 구조시스템으로 건물 하부의 트러스 기둥이 설치되는 효과로 수평과 수직적 저항에 우수하다. 삼축내진말뚝은 직접기초에서 지내력이 부족한 경우와 말뚝 기초에 수평력이 부족한 경우 안정성을 확보해준다. 소규모 건축현장에서도 시공이 용이해 기존 건축물의 내진 보강에도 최적화된 공법이다.
▲ 여의도 파크원
◆ STS 웨이브 물탱크 : 물탱크의 파손 원인은 다름 아닌 탱크 속 물 때문이다. 물과 지진파의 진동이 일치하게 되면 수면이 요동쳐 물탱크의 천장이나 벽면이 파손된다. 포스코가 개발한 STS 웨이브 물탱크는 벽체가 평평한 형태의 패널이 아닌, 물결 모양이며, STS304 수준의 내식성을 가지면서도 항복강도는 STS304 보다 1.7배 높은 고강도 스테인리스강(PossHN1, STS316HN3, STS329LD) 패널로 구성되어 있다. 지진 모의실험에서 설계 지진력(진도 약 6.5 수준) 보다 2.5배 큰 지진에서도 주요한 구조적 손상 없이 충분한 내진 성능을 확보하는 것으로 나타났다. 여의도 파크원 등 건축물부터 각종 산업시설에 적용되었다.
내진 설계에 꼭 필요한 존재인 내진 강재는 지진 발생 시 인명 피해, 2차 참사 등을 막는데 중요한 역할을 한다. 포스코는 최근 발생한 지진의 영향으로 대형건축물, 공공이용시설 등에 안전한 내진 강재가 쓰이는 것이 더욱 중요해질 것으로 보고, 관련 솔루션의 개발과 적용 확대에 더욱 박차를 가할 예정이다.