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.

포스코가 개발한 ‘POSCO-Box Column(이하 P-Box 기둥)과 철근콘크리트 보 접합공법’이 지난 7월 23일 건설신기술(868호)로 지정됐다. 이 기술은 콘크리트 충전형 강관 제품인 P-Box 기둥에 수평 구조재인 철근콘크리트 보를 접합하는 것으로, 국내뿐만 아니라 외국기술에도 의존하지 않은 독창적인 공법이다. 포스코 고유의 솔루션이 건축시장에 혁신적 변화를 가져올 것으로 기대된다.

P-Box는 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. HSA600은 두께가 6~16mm면서 인장강도 600Mpa과 항복비 0.8을 보증하는 건축용 열연재로, 현재 내진 성능을 갖춘 인장강도 600Mpa 이상의 열연제품은 포스코만 생산이 가능하다.

기존의 사각형 강관은 4면의 모서리를 모두 용접해 제작하기 때문에 가격이 높고 품질 확보가 어려웠지만, P-Box는 열연재를 구부려 중앙만 용접하기 때문에 제작이 간편하다. 또한 내부 보강재의 영향으로 6mm의 판재로도 기존 9mm 두께와 같은 강도를 확보할 수 있다.

이 기술의 기본은 기다란 P-Box를 공장에서 제작 후 기둥에 보를 접합할 앵커를 미리 부착하는 것에서 시작한다. 그 후 기둥을 시공 현장으로 옮겨와 설치하고, 각 앵커에 가로 방향 콘크리트 보를 부착하는 방식이다. P-Box 기둥은 높이가 15m에 달하기 때문에 한 번에 3층 높이를 시공할 수 있다. 한 번에 한 층씩만 올려야 하는 철근콘크리트 방식과 비교해 큰 차별점을 갖는 부분이다.

그러나 기존 철근 콘크리트 구조물의 기둥을 P-Box 기둥으로 1:1 대체하는 것으로는 가격 경쟁력을 갖추기 어려웠다. 포스코는 이 난제를 해결하기 위해, 기둥 폭보다 더 넓은 폭의 보를 거더(Girder)로 적용했다. 거더는 기둥과 기둥을 연결하는 역할을 한다. 거더의 폭이 기둥보다 넓어지면, 거더 하나가 지탱하는 하중이 늘어나 기존 2개 거더를 1개로 축소할 수 있고, 거더를 연결하는 보부재(beam)는 전면 삭제할 수 있다.

또한 기존 공법의 기둥이 1,000mm x 1,000mm의 크기를 요구했다면, P-Box 기둥을 이용한 신기술로는 500mm x 500mm만으로도 같은 무게를 버틸 수 있다. 기둥이 작아지면, 동일 넓이의 부지에서도 건물 안의 유효 면적이 늘어난다. 즉, 같은 공간을 더 넓게 사용할 수 있다. 기존 철근콘크리트 공법 대비 약 10~15%의 경제성 확보가 가능하고, 탄소 배출량을 저감시킬 수 있는 친환경적인 공법이기도 하다.

포스코는 본 기술을 포스코건설과 공동으로 연구하고, 엔지니어링사인 피컴스, 종합건설사인 한라·한양·호반건설 등도 기술 개발에 참여토록 했다. 소재, 설계, 시공까지 건설 전 라인에 걸쳐 현실적인 기술 개발이 될 수 있도록 하기 위함이다. 또한 포스코의 강소고객사인 ㈜덕암테크에서 신기술을 이용한 제품 제작이 가능토록 지원해, 고객사의 기술력과 매출 증대에도 기여하고 있다.

이 신기술은 이미 서울 장충동 호텔신라 부설주차장, 서울 문정동 업무시설, 경기 하남 신축 아파트 등 11곳 이상에 적용되며 시장에서의 경쟁력도 검증을 마쳤다. ㈜호반건설 설계담당자는 “이 기술을 이용해 공사비 절감은 물론 공사 기간을 15% 단축했고, 기둥 단면이 40% 절감돼 분양할 수 있는 면적이 늘어났다.”라고 만족감을 전했다. 또한 ㈜한양의 기술담당자는 “포스코 HSA600 강재를 적용한 P-Box는 공장제작으로 품질이 우수하고, 1부재당 15m까지 한 번에 설치할 수 있어 기존 공법 대비 시공성이 대폭 개선되었다.”라고 말했다.

건설신기술로 지정된 P-Box 접합공법은 향후 8년간 보호기간이 부여된다. 국토교통부 장관이 발주처에 신기술을 우선 적용할 수 있도록 권고하며, 건설공사 입찰참가자격 사전심사 시 이 기술을 활용하면 가점을 받을 수 있다.

이번 기술을 개발한 포스코 철강솔루션연구소(소장 주세돈 전무)의 김진원 책임연구원은 “기존 철근콘크리트 공법은 현장에서 노동력이 많이 투입되기 때문에 최근 인건비 상승으로 어려움이 있었다. 포스코의 소재와 기술력을 통해 건설 산업에 솔루션을 제공하고자 기술 연구에 착수했다.”라면서 “P-Box 기둥에 적용할 소재 개발에 강건재판매그룹, 강건재솔루션그룹, 품질설계그룹, 열연선재연구그룹이 합심해 1년 만에 HSA600을 양산화했다. P-Box 접합 공법의 연구개발과 신기술 지정에도 3년이 걸렸다. 이 기술로 노동집약적인 재래식 공법보다 경제적이면서 안정적인 신기술에 대한 수요가 국내외에서 늘어날 것으로 기대한다.”라고 말했다.

포스코는 HSA600 제품 및 P-Box 기둥 기술과 더불어 건축시장에 다양한 WTP 제품과 솔루션을 내놓고 있다. 구조재 이외에 고내식강인 PosMAC(POSCO Magnesiumn Aluminium alloy Coating product)을 적용한 건축용 내외장재, 태양광 하지재 등을 개발하여 제품의 사용연수를 높일 수 있는 솔루션도 제공하고 있다. 포스코는 이번 신기술이 시장에서 더 활발히 적용될 수 있도록, 고객맞춤형 제품과 이용기술 지원을 이어나가, 회사의 비전인 Business With POSCO를 실현하겠다는 방침이다.