지진이 일어나면 건물에는 무슨 일이 생길까?

버스가 출발할 때 우리는 관성 때문에 뒤로 밀리는 느낌을 받습니다. 반대로 버스가 급정거하면 몸은 계속 앞으로 나아가려 하기 때문에 앞으로 쏠리게 됩니다. 우리 몸무게는 보통 100kg이 채 되지 않기 때문에 몸에 힘을 주거나 손잡이를 잡아 버틸 수 있습니다.

그렇다면 수천 톤에 이르는 건물은 어떨까요? 지진으로 지반이 흔들리면 건물 역시 관성의 영향을 받아 원래 상태를 유지하려 합니다. 이 과정에서 건물에는 좌우로 미는 수평력이 발생하고, 이 힘은 바닥판과 보*, 기둥을 거쳐 기초와 지반으로 전달됩니다.

건물에 작용하는 지진력은 매우 크기 때문에 구조재가 전혀 손상되지 않도록 설계하려면 보와 기둥의 크기를 크게 늘려야 합니다. 하지만 이렇게 되면 자재 사용량이 증가하고 실내 공간도 줄어들어 경제성이 떨어집니다. 언제 발생할지 모르는 큰 지진 때문에 우리 집이 좁아진다는 건 받아들이기 힘들죠. 따라서 대부분의 건물은 전체 구조의 안전성을 유지하는 범위 내에서 특정 부위가 먼저 변형되도록 설계합니다. 즉, 일부 부재가 지진 에너지를 흡수하며 손상되더라도 건물 전체가 붕괴되는 것은 막도록 하는 것입니다.

※이해를 돕기 위해 AI로 생성한 이미지로 실제와 다를 수 있습니다.

그렇다면 접합부는 어떤 기둥과 만나 힘을 전달할까요? 이를 알아보기 위해 먼저 기둥에 사용되는 CFT를 살펴보겠습니다.

*보: 바닥이나 지붕의 하중을 받아 기둥으로 전달하는 수평 방향의 구조재

강철과 콘크리트가 힘을 합친 기둥, CFT

접합부를 이해하려면 먼저 기둥에 사용되는 CFT(Concrete Filled Steel Tube, 콘크리트충전강관)를 살펴볼 필요가 있습니다. CFT는 속이 빈 강관* 안에 콘크리트를 채운 구조입니다. 바깥의 강관은 잡아당기거나 휘어지는 힘을 견디고, 안쪽의 콘크리트는 눌리는 힘을 받아냅니다. 서로 다른 두 재료가 각자의 장점을 살리면서 약점을 보완하는 구조인 셈이죠.

이러한 특성 덕분에 CFT는 합리적인 구조로 평가받지만, 폐쇄된 강관 단면과 내부가 콘크리트로 채워져 있어 일반 철골기둥보다 보와의 접합이 훨씬 복잡합니다. 따라서 CFT의 우수한 구조 성능을 충분히 활용하기 위해서는 보에서 전달되는 하중을 효과적으로 연결할 수 있는 접합부 기술이 필수적입니다.

*강관: 내부가 빈 관 형태의 철강제품

※이해를 돕기 위해 AI로 생성한 이미지로 실제와 다를 수 있습니다.

CFT는 단면 모양에 따라 원형과 각형으로 구분됩니다. 이 가운데 원형 CFT는 강관이 내부 콘크리트를 모든 방향에서 균일하게 감싸기 때문에 각형보다 우수한 강도를 발휘합니다. 그런데 실제 건축 현장에서는 각형 CFT가 더 널리 사용돼 왔습니다. 원형 모양은 보와 기둥이 만나는 접합부를 제작하고 시공하기가 상대적으로 까다롭기 때문입니다.

그렇다면 원형 CFT의 장점은 살리면서, 접합부는 더 쉽게 만들 수 없을까요? 현대제철은 이 질문에서 새로운 접합부 기술 개발을 시작했습니다.

지진의 힘을 나눠 전달하는 다이아프램

지진이 발생하면 보와 기둥이 만나는 접합부에는 큰 힘이 반복해서 가해집니다. 특히 보의 플랜지*에는 기둥을 미는 힘과 당기는 힘이 번갈아 작용합니다. 미는 힘은 CFT 내부의 콘크리트가 함께 받아주지만, 당기는 힘이 가해지면 강관 면이 국부적으로 바깥쪽으로 끌려 나가 기둥의 내력이 충분히 발휘되지 못할 수 있습니다.

*보 플랜지: H형강 보 단면의 위·아래 넓은 판 부분

※이해를 돕기 위해 AI로 생성한 이미지로 실제와 다를 수 있습니다.

강관 면이 끌려 나가는 현상을 막는 방법은 크게 세 가지입니다. 첫째는 강관 자체를 두껍게 만드는 방법입니다. 하지만 이 방법은 강재가 두꺼울수록 경제성이 떨어진다는 단점이 있습니다. 다른 두 방법은 ‘다이아프램’을 사용하는 것입니다. 다이아프램은 보의 힘을 CFT 기둥으로 안정적으로 전달하는 보강판입니다.

관통형 다이아프램(Through Diaphragm)은 CFT 기둥 내에 판을 보강하는 방식으로, 내부의 판이 보 플랜지의 연장판 같은 효과를 내어 당기는 힘을 기둥 단면 전체로 분산합니다. 외다이아프램(Outer Diaphragm)은 강관 바깥에 설치하는 방식으로, 당기는 힘을 외부 장치로 분산시킵니다.

다이아프램은 접합부의 과도한 변형이나 균열·파괴 위험을 낮추고, 보와 기둥 사이에서 힘이 원활하게 이동하도록 돕는 장점이 있지만, 제작과 용접에서는 난이도가 높은 편이었습니다. 제작 및 용접의 난이도는 낮추면서도, 다이아프램의 역할은 충실히 수행할 수 있는 새로운 형태의 접합부가 필요했죠.

기둥을 자르지 않고 넣는 ‘새로운 관통형 다이아프램’

기존 관통형 다이아프램은 강관을 여러 부분으로 나눈 뒤 그 사이에 다이아프램을 넣고 다시 용접해야 했습니다. 이 과정에서 강관의 중심축과 수직도를 정확하게 맞추기가 쉽지 않았습니다.

현대제철은 이를 개선해 기둥을 나누지 않고 강관에 구멍을 낸 뒤 다이아프램을 끼워 넣는 방식을 개발했습니다. 지상층에 주로 적용되는 이 방식은 용접 난이도를 일반적인 수준으로 낮출 수 있습니다. 또 보에서 전달되는 힘의 이동 경로가 명확해 접합부가 힘을 받을 때 어떻게 움직일지 예측하고 안정적인 성능을 확보하는 데 유리합니다.

힘을 여러 방향으로 퍼뜨리는 ‘박스 타입 외다이아프램’

지하층에 사용되는 외다이아프램은 박스 형태로 개발했습니다. 박스형 외다이아프램의 특징은 네 모서리 안쪽에 대각 방향의 보강부를 더했다는 점입니다. 이 보강부는 보에서 전달되는 힘을 원형 CFT 기둥과 다이아프램의 옆면으로 나눠 전달합니다. 동시에 사각 형태의 다이아프램이 바깥쪽으로 찌그러지는 것을 막아 접합부의 안정성을 높여줍니다.

실제 지진처럼 흔들어보니, 결과는?

원형 CFT 기둥에 이러한 다이아프램을 적용한 합성구조 공법이 바로 ‘ID-Column’입니다. 그렇다면 실제로 지진이 발생했을 때도 접합부가 힘을 견딜 수 있을까요? 현대제철은 인장 실험과 반복가력 실험을 통해 ID-Column의 내진 성능을 검증했습니다.

얼마나 큰 힘까지 견딜 수 있을까?

먼저 인장 실험에서는 개발한 접합부가 보 플랜지에 가해지는 잡아당기는 힘을 얼마나 견딜 수 있는지 확인했습니다. 실험은 일정 수준까지 힘을 견딘 뒤 플랜지가 변형되도록 진행했습니다. 실제 실험에서 설계식으로 계산한 수준보다 더 높은 하중을 견디며 성능을 입증했습니다.

지진처럼 힘의 방향을 계속 바꿔보면?

지진은 한쪽 방향으로만 힘을 가하지 않습니다. 건물이 좌우로 흔들리면서 힘의 방향도 계속 바뀝니다. 반복가력 실험은 이러한 지진 상황을 재현해 접합부가 반복되는 힘에도 안정적으로 견디는지를 확인하는 실험입니다. 그 결과 ID-Column 접합부는 목표로 한 합성중간모멘트골조* 수준의 성능을 발휘한 것으로 나타났습니다.

*모멘트골조: 보와 기둥을 견고하게 연결해, 지진이 발생했을 때 보와 기둥이 수평으로 함께 휘도록 설계한 구조

실험을 넘어, 기술 인증까지

실험을 통해 내진 성능을 확인한 ID-Column 접합부 기술은 한국강구조학회로부터 구조 안전성과 기술 신뢰성을 공식적으로 인증받았습니다. 구체적으로 보 높이 800mm 이하의 H형강 보와 ID-Column CFT 기둥으로 구성된 다이아프램 형식의 중간모멘트골조 내진 접합부 설계방법과 기술지침에 대한 인증을 획득했습니다. 뿐만 아니라 자체 경제성 분석 결과, ID-Column 공법은 일반적인 기둥 공법보다 강재 사용량을 줄여 보다 경제적이게 시공할 수 있는 것으로 나타났습니다.

건물 안전의 시작은 ‘연결하는 기술’에서

지진이 발생하면 건물을 이루는 기둥과 보는 끊임없이 흔들리고 힘을 주고받습니다. 이때 두 구조물을 이어주는 접합부가 그 힘을 얼마나 안정적으로 전달하느냐가 건물의 안전에 중요한 영향을 미칩니다. 현대제철의 ID-Column은 원형 CFT가 가진 구조적 장점은 살리면서 접합부의 제작과 시공 과정의 난이도를 개선했으며, 실험과 기술 인증을 통해 내진 성능을 검증받았습니다. 건축물의 안전을 지키는 기술. 현대제철은 여기서부터 건축 강재의 새로운 기준을 만들어 갑니다.