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.

건축용 강재는 크게 구조용과 내외장용으로 나뉘는데 포스코의 강재들은 이 모든 용도에 적합하다. 지진에도 안전하고 최첨단 건설 기술에 부합하는 첨단 강재부터 외관이 미려한 마감재까지 어느 하나 놓칠 수 없는 팔색조 매력의 포스코 강재들. 랜드마크 별로 어떤 포스코 강재가 쓰였을까?

l 한반도에서 가장 높은 마천루 <롯데월드타워>

지상 123층, 높이 555m에 달하는 롯데월드타워. 세계에서 6번째로 높고, 아시아에선 3번째로 높다. 규모가 규모인 만큼 롯데월드타워 건설에는 내진성, 내풍압성, 내화성을 갖춘 첨단 강재가 필요했다. 포스코는 건설 초기 단계부터 건설 현장에 요구되는 강재의 특성을 파악하고, RIST와 협력해 높은 하중과 지진·태풍을 견딜 수 있는 초고층 건물의 구조 시스템을 개발했다.

보통 초고층 빌딩의 저층부에 들어가는 철구조물에는 두께 100mm 이상의 극후판이 필요하다. 강재를 얇게 만드는 것만 어려운 게 아니다. 두껍게 만드는 데도 엄청난 기술이 필요하다. 만두피를 빚는 것으로 예를 든다면, 만두피를 얇게 만들수록 밀가루 반죽을 누르는 힘이 커져서 균일한 조직의 만두피를 만들 수 있다. 반대로 1cm 두께의 만두피는 그 속을 고르게 만들기가 어려운데, 후판도 마찬가지다. 두꺼운 극후판일수록 압하량(압연 시 롤이 누르는 양)이 적기 때문에 판재 중심부까지 균일하게 조직 구성을 만들기가 어렵다.

롯데월드타워 건설 당시 시공사는 120mm의 극후판강재를 구할 수 없어 80mm와 40mm 두께의 후판을 용접으로 이어붙여 사용하려고 했다. 그런데 이렇게 용접 공정을 더하면 비용도 추가 발생할 뿐만 아니라 구조물의 성능이 떨어지는 문제가 생긴다. 이에 그동안 건축용 후판을 두께 80mm까지 생산하던 포스코는 롯데월드타워를 위해 국내 최초로 120mm 제품을 생산했다. 포스코만의 기술 개발을 통해 100mm를 뛰어넘은 120mm 고성능 극후판강재를 제조한 것이다.

120mm의 극후판 뿐만 아니라 인장강도 800MPa, 항복강도 650MPa급 고강도 강재인 ‘HSA650’도 공급했다. 인장강도란 양쪽 끝에서 강판을 잡아당겨서 찢어지기 시작할 때까지 견디는 힘으로, 인장강도 1MPa 강재는 1cm²당 10kg의 하중을 견딜 수 있다(항복강도는 변형되지 않고 견딜 수 있는 강도). 즉, 포스코의 HSA650은 인장강도가 800MPa이기 때문에 1mm² 면적만으로 체중 80kg 성인 한 명의 무게를 지탱할 수 있는 셈. 이 제품이 등장하기 전, 건설용 강재의 최고 인장강도가 570MPa이었으니, 그 능력이 40%나 상승한 것이다.

포스코가 롯데월드타워 건설에 공급한 강재는 후판, HSA650을 포함해 총 4만 1,000톤. 강재 공급뿐만 아니라 강구조 이용기술인 철골기증 무량판 구조, 모듈형 강관 다이아그리드 기술도 함께 제안했다. 이 덕분에 롯데월드타워는 같은 건물 높이에도 더 많은 층을 만들 수 있었고, 건물 구조상 높은 층으로 올라갈수록 면적이 줄어들지만 기둥을 없애 내부 공간 효율을 높일 수 있었다.

l 건축미와 내구성 두 마리 토끼를 동시에 <인천국제공항 제2여객터미널>

세계적 허브공항인 인천국제공항은 늘어나는 이용객 수요에 맞춰 제2여객터미널을 작년 1월 개항했다. 제2여객터미널은 개항과 동시에 우수한 건축미와 뛰어난 내구성으로 많은 이들의 눈길을 사로잡았다. 제1여객터미널에 이어 이곳 내·외부에도 포스코 강재가 쓰였는데, 어떤 강재가 쓰였을까?

인천국제공항 제2여객터미널 외부에는 독자 개발한 스테인리스강, 446M이 쓰였다. 446M은 크롬 26%와 몰리브덴 2%를 함유한 강종으로, 부식에 강해 해안가와 가까운 인천국제공항 외장재로 제격이다. 건축물 지붕과 외장은 부식에 가장 취약한 부분이기 때문에 어떤 소재를 쓰는지에 큰 영향을 받기 때문. 446M은 탄소와 질소 함량이 낮아 용접성과 가공성이 높고, 알루미늄이나 300계 스테인리스강 등의 소재 대비 열팽창계수(재료가 1℃ 올라갈 때 늘어나는 정도)가 낮은 점이 큰 강점이다.

제1여객터미널 지붕에도 446M이 사용됐는데, 건설된 지 18년이 지난 지금까지 부식 없이 깨끗하게 유지되고 있다. 제2여객터미널에도 다시 446M이 사용되어 그 기술력을 인증받은 셈.

외장재는 건물의 외관에 드러나기 때문에 심미적 가치를 결정짓는 중요한 요소이기도 하다. 제2여객터미널 지붕 표면은 비드 블라스트(BEAD BLAST) 스테인리스로 완성됐는데, 비드 블라스트 스테인리스는 균일한 크기의 글라스 비드(작은 유리구슬, GLASS BEAD)를 일정한 압력으로 분사해 미세한 요철을 나타낸 제품이다. 이 공법은 표면의 광택도를 일정하게 떨어뜨려 은은하고 부드러운 분위기를 연출하기에도 좋지만, 특히 항공기 이착륙 시 조종사들의 눈부심을 방지하고 반사율을 낮추는 장점을 갖추고 있다.

외부에 이어 내부에도 포스코 강재가 쓰였다. 롯데월드타워에도 쓰였던 HSA650이 그 주인공. 최소한의 기둥 크기로도 건물을 지탱할 수 있는 초고강도 강재 특성 덕분에 인천국제공항 티켓팅 홀에 적용되어 넓은 내부 공간을 확보했다. 강재 사용량을 크게 절감할 수 있기 때문에 HSA650은 고성능, 경량화는 물론 경제성도 뛰어나다.

이 덕분에 제2여객터미널 건설 당시, 포스코 강재 사용에 대한 만족도가 높아 포스코에 5만 톤 전량 발주를 확정지었다는 것이 후문.

l 또 하나의 마천루 탄생 <여의도 파크원(Parc1)>

포스코건설이 2020년 준공을 목표로 건설 중인 여의도 파크원(Parc1)에도 포스코 강재가 사용되고 있다. 파크원은 최고 높이 333m의 국내 3번째 초고층 빌딩으로, 지하 7층~지상 69층 규모로 완성될 예정이다. 파크원이 완공되면 한 곳에서 비즈니스에서부터 쇼핑, 휴식까지 누릴 수 있어 인근 지역 뭇 직장인들의 기대를 모으고 있다.

파크원에는 포스코의 건축구조용 TMCP강을 포함해 총 6만 3천 톤의 강재가 사용됐다. TMCP(Thermo Mechanical Controlled Process)강이란 빌딩의 고층화, 대형화에 따라 용접성과 내진성이 뛰어난 고강도 강재가 필요하게 되면서 탄생한 강재로, 고층 건축물 건설에 유리한 고급 후판재다. 포스코는 건축용 내진강재를 가장 먼저 상용화한 기업인 만큼 여러 내진강재를 가지고 있는데, TMCP강은 강구조 건축물에 들어가는 내진용 강재.

TMCP강은 기존의 제어압연(Controlled Rolling)*의 특성을 유지하면서도 높은 인장력은 물론, 용접 등 가공성이 개선된 강이다. 그래서 다른 강에 비해 탄소량이 적고 용접성이 우수해 예열 없이 상온에서 용접할 수 있는 것이 또 다른 강점.

이러한 강점 덕분에 TMCP강은 파크원은 물론 여의도 서울 국제금융센터, 동남아 유통단지, 일산 킨텍스 등에도 적용돼 있다.

최근 몇 년간 국내에서 발생한 지진으로 건물 안전설계 여부에 관심이 높아지는 요즘. 내진설계 의무 대상 건축물이 늘어남에 따라 TMCP강의 활약이 더욱 기대된다.

l 세계 최장 현수교를 포스코 후판으로 <터키 차나칼레 1915대교>

2023년 완공 예정인 세계 최고 길이의 현수교, 터키 ‘차나칼레 1915대교’. 터키 차나칼레에서 다르다넬스 해협을 동서로 횡단하는 이 대교에는 많은 숫자가 연관돼 있다. 먼저 대교 이름의 ‘1915’는 1차 세계대전 중 발생한 1915년 갈리폴리 전투를 기리기 위해 붙여졌다. 주탑 간 거리 2,023m는 터키 공화국 100주년이 되는 2023년을, 주탑 높이 318m는 갈리폴리 전투 승전 기념일인 3월 18일을 뜻한다.

터키의 차나칼레 1915대교는 그 규모만큼 사업비만 29.7억 달러(한화 약 3.5조 원)에 달하고, 후판 8.7만 톤, 선재 4.1만 톤 등 강재 약 12.8만 톤이 사용되는 초대형 프로젝트다. 더 놀라운 사실은 이곳에 쓰이는 강재가 모두 포스코 강재라는 것.

이렇게 큰 다리를 초장대교량(Long Span Bridge)이라고 하는데, 주탑 사이의 거리가 1km 이상인 긴 다리를 말한다. 초장대교량은 현수교(Suspension Bridge)와 사장교(Cable-Stayed Bridge)로 나뉘며, 차나칼레 1915대교는 현수교다. 그렇다면 이 현수교 건설에 있어 적용 강재는 어떤 점이 중요할까?

먼저 상판에 적용되는 강재는 차량이 지나가는 곳이기 때문에 차량 하중을 버틸 수 있는 강도가 중요하다. 주탑과 주탑 사이의 긴 거리를 구성할 수 있도록 강성도 확보해야 하고, 내후성(각종 기후에 견디는 성질)도 갖춰야 한다. 주탑의 강재는 케이블의 인장력을 지지할 수 있는 높은 강도와 더불어 내진성이 필수 요소. 뿐만 아니라 교량의 전반적인 미관을 형성하기 때문에 다양한 형상을 구현할 수 있는 가공성 역시 중요하다.

이에 차나칼레 1915대교에는 교량 안전 확보를 위해 주탑, 상판 등 다양한 부품에 기존 강재보다 강도, 인성, 용접성 등이 개선된 강재가 적용되고 있으며, 포스코는 교량 건설에 최적화된 EN-S460M등의 고성능 내후성강, 구조용강을 공급하고 있다. 2020년이면 포스코는 차나칼레 1915대교 건설에 필요한 강재 전량 공급을 마친다.

그리고 차나칼레 1915대교 케이블에는 포스코 교량 케이블용 강선, 포스케이블(PosCable92)이 적용된다. 포스코 선재로 가늘게 뽑아 만든 와이어를 여러 가닥 꼬아서 만들기 때문에 힘이 강력한데, 빨대보다 가는 강선 한 가닥이 4.5톤 트럭 무게를 지탱할 수 있을 정도다. 포스케이블의 또 다른 강점은 교량이 설치되는 바다 환경에서도 녹이 잘 슬지 않아 오랫동안 안전하고 튼튼한 다리를 유지할 수 있다는 사실이다.

포스코는 안정적인 강재 납기 및 품질확보를 위해 유럽 현지 파트너사와 긴밀한 협력체계를 구축하며 포스코 강재에 대한 솔루션 마케팅도 실시하고 있다. 이번 차나칼레 1915대교 프로젝트의 성공적인 수행을 바탕으로 터키 지역에서 후속 프로젝트를 추가 수주하고 있다고. 2023년, 멋진 위용을 드러낼 차나칼레 1915대교의 모습이 더욱 기대된다.

국내를 중심으로 터키까지 세계의 랜드마크에 쓰인 포스코 강재들을 살펴봤다. 포스코 강재는 건축 내외장재부터 토목용 철강재까지 다양한 고품질 고강도 재료들로 많은 곳에서 사랑을 받고 있었다. 포스코가 함께 만들어가는 미래의 안전한 도시. 더 높고, 더 길고, 더 안전한 내일을 위해 포스코는 지금처럼 달려나갈 계획이다.