철강협회, 철강소재와 건축물 안전성능에 관한 세미나 개최
제6회 철의 날을 기념하여 열린 이번 세미나에서는 아끼야마 일본 건축학회장이 국제적으로 처음 일본에서 금년내로 채택하는 에너지 평형 내진설계법을 소개하였으며, 이 설계법을 적용시 강구조가 안전성과 경제성에서 우수함을 설명했다.
또한, 국내 강구조 전문가 전우구조(주) 이태형 소장이 뉴욕의 9. 11테러에 의한 국제무역센터의 붕괴원인과 강구조로 재건축하고자 설계한 Freedom Tower의 안전성능에 대한 구조개념을, 호서대학교 김원기 교수는 최근에 건설교통부에서 고시한 건축구조설계기준(KBC Structural)에 포함된 강구조의 내진성능과 새로운 강재를 소개하고, 내진성능과 관련된 강구조의 각종 신기술 개발 동향을 소개하였다.
이날발표에서는 건축물의 구조용 재료 중에서 철강재는 강도 뿐만 아니라 변형 능력이 우수하여 여러 면에서 안전성능이 우수하며, 특히, 지진이나 폭발 등과 같은 재난에 저항하는 성능이 다른 재료보다 우수하여 그동안 그동안 전세계적으로 발생한 건축물 피해사례에서 비교적 타공법에 비해 피해가 적은 것으로 알려졌다.
또한 이번 세미나에서 발표된 강구조의 새로운 기술과 학문이 발전되면, 강구조의 재료적 성능뿐만 아니라, 구조시스템, 구조설계법 등이 향상되어, 강구조 건축물은 다른 구조에 비해서 우수한 내진성능과 안전성을 보유하며 경제성을 도모할 것으로 내다봤다.
한편 이번 세미나는 한국강구조학회, 대한건축학회, 한국지진공학회가 주최하고, 한국철강협회, 한국건축구조기술사회, 한국건설기술연구원, 포항산업과학연구원이 주관하며, 포스코와 현대아이앤아이스틸스틸이 후원했다.
<발표내용1>일본 고층건축물의 내진설계 현황(요약문)
- 아끼야마 일본건축학회 회장
건축물의 안전성을 확보하기 위한 내진설계법은 1923년 관동대지진 이후에 일본에서 처음 도입된 이래 그동안 기술적 진보 및 지진 피해 경험을 통해 여러 차례 개정되어 왔다.
최초의 내진설계법은 지진력을 수평력으로 치환하여, 수평력에 저항할 수 있는 강도를 확보할 수 있도록 하여 건축물의 안전성을 부여하고자 했다. 그러나 건물의 주기가 길게되면 그에 반비례하여 건물에 부가되는 지진력은 작아지게 되는 것을 알게 되어 강도를 확보하는 것보다는 보다 유연한 건물로 설계하는 것이 유리하다는 주장이 제기되었다.
그러나 전자계산기의 등장으로 지진에 의한 구조물의 거동에 대한 정보를 더욱 많이 얻을 수 있게 됨으로써 중저층 건축물에서는 변형을 확보하는 것이 결코 쉽지 않다는 것을 알게 되었다. 그리고 1963년의 Nigata지진, 1968년의 Tokachioki지진, 1973년의 Miyagikenoki지진 등을 경험하면서 당시의 내진설계법은 불완전하다는 사실을 알게 되었다.
그 이후 내진설계법은 강도와 변형능력을 동시에 고려한 에너지의 개념이 제기되었고, 1981년에 개정된 신내진 설계법에서는 구조물의 강도뿐만 아니라 변형능력을 확보하도록 하여 에너지 흡수능력의 확보가 의무화되었다.
그러나 1995년에 발생한 고베지진은 일본 건축기준법에서 정한 내진설계 레벨을 훨씬 상회하는 규모이기도 하였으나, 너무 큰 건축물의 지진피해 상황을 접하면서 기존의 내진설계법의 한계를 실감하게 되었다.
고베 지진 이후에 일본에서는 내진설계법에 관한 보다 근본적이고 종합적인 검토가 진행되었고, 면진구조 및 제진구조 등이 활발하게 적용되기 시작하였다. 그러나 모든 건축물이 면진 및 제진구조로 설계되기는 힘들며, 내진구조의 한계를 극복하기 위한 설계법에 대해 폭넓은 검토가 진행되었다.
그 결과 현재까지 지진이 건축물에 미치는 영향을 하중효과(힘)으로 생각했던 설계법 대신에 지진에 의해 건축물에 입력되는 에너지의 크기를 상정하여 그에 저항하기 위한 건축물의 에너지 흡수능력을 확보하도록 하는 방법이 보다 합리적이고 논리적으로 명쾌한 설계가 가능함을 알 수 있었다. 따라서 최근 일본에서는 에너지법에 의한 내진설계법이 거의 완성되어 올해 중에 건축기준법에서 정식으로 고시될 예정이다.
신개념의 에너지에 근거한 내진설계법을 적용하면 현재까지 사용된 구조시스템 외에 다양한 형태의 구조시스템이 개발될 수 있으며, 특히 변형능력이 우수한 것으로 알려진 강구조 분야에서는 구조설계의 다양화와 함께 보다 경제적인 구조시스템의 다양한 설계가 가능하여 그 적용범위는 매우 넓어질 수 있을 것으로 기대되고 있다.
그리고 에너지에 근거한 내진설계법을 적용하는 경우 중저층에서 어렵게 생각되던 변형능력 확보 및 각 층의 손상분포 등을 쉽게 예측할 수 있고, 고층건물에서는 에너지를 효과적으로 분산 흡수 혹은 집중시키는 방법 등을 다양하게 구사할 수 있어 가장 효율적이고 경제적인 설계가 가능할 것으로 기대되고 있다.
<발표내용2> 세계무역센터 붕괴와 재건축
- 전우구조 이태형 소장
2001. 9. 11 NEW YORK 세계무역센터 (WTC) 테러 공격직후, 미 연방위기관리청 (Federal Emergency Management Agency : FEMA)과 미 토목학회 구조분과위원회 (SEI / ASCE)는 뉴욕 시, 연방기관 및 전문단체와 합동으로 WTC 부지 내 피해 건물의 성능을 연구하기 위하여 토목, 구조, 소방 기술자로 구성된 조사팀을 발족하였다.
WTC 붕괴 당시 약 58,000명이 WTC complex 내에 있었고 이중 긴급구조요원 403명을 포함하여 2,830명이 목숨을 잃었다. 민간항공기의 충돌로 110층 건물 2동은 구조체의 훼손과 더불어 화재가 발생하여 붕괴되었고 이에 따른 거대한 건물 잔해가 인접 건물에 낙하하여 건물을 파괴하거나 화재를 유발하여 총10개 건물이 반파 또는 전파되어 총 1,200만 평방피트 단지 내 사무공간을 포함하여 총 3,000만 평방피트의 사무공간이 훼손되었다.
항공기 충돌시 구조체의 거대한 국부파괴에도 불구하고 WTC 1은 102분간 WTC 2는 56분간 서있었고 화재의 확산으로 주골조인 강구조체가 약화되어 결국 붕괴되었다.
조사팀은 붕괴현장과 잔해수거지 조사, 붕괴 구조체 샘플채취, 시험, 사고비디오 및 사진판독, 목격자 및 설계, 시공, 유지 관리 관계자와 면담, 시공 도서 검토 및 손상된 WTC Tower의 개략구조 해석을 통하여
1) 테러공격으로 WTC 1&2는 심각한 구조적 손상을 입었으나 놀랍게도 오랜 시간 동안 지탱하였고,
2) 개략 구조해석을 통하여 폭풍이나 지진 등 추가 하중 재하가 없는 한 손상구조물은 어느 정도 지속해서 서 있을 수 있었으나 충돌과 더불 어 발생한 화재에 의하여 상황이 악화되었으며
3) 많은 양의 항공기연료의 연소에 따른 화재로 2개 동 모두 붕괴가 유발 되었으나
4) 구조체가 즉시 붕괴 않고 비행기 충돌 하중을 이겨 낼 만큼 설계 시공 된 것을 확인한 후
고층 건축물은 예상치 못한 충격이나 화재에 대비하여
1) 구조시스템은 잉여력과 견고함이 요구되고
2) 충격이나 화재시 강재를 보호할 내화피복이 필요하며
3) 충격이나 화재 시에도 접합부의 성능이 유지되어야 하고
4) 스프링쿨러를 포함한 화재방지 시설은 신뢰할 수 있고 충분하여야 하며
5) 비상탈출 시스템은 화재나 건물 국부 파괴시도 그 기능을 유지하도록 견고하여야 하고
6) 중력 하중 전이 시스템은 건물 전체의 안정을 감안하여 내화피복 및 안 전율을 결정하여야 한다고 결론지었다.
한편 WTC 재건축과 관련하여 WTC부지 개발권자인 Silvestein은 이미 9.11 테러전 David Childs 와 접촉하여 재건축 상담을 진행중이었으나 2002.7 맨허튼 개발공사 (LMDC)는 6개안의 재건축 기본 구상을 제시하고 WTC 부지에 대한 재건축 국제 현상 설계를 공모하여 총 406개 업체의 응모를 받아 2003. 2 Daniel Libeskind 작품을 당선작으로 발표하였다.
Freedom Tower 로 명명된 Libeskind안은 70층 높이의 Tower 1,100피트에 풍력 발전이 가능한 400피트 래티스와 276피트 첨탑을 두어 미국 독립 년도를 상징하는 총 1776피트로 계획하였으며 총 20억불 사업비로 2009년도 준공예정이었으나 2005. 4 뉴욕 경찰국의 안전상 우려를 이유로 2005. 5 현재 건물 재설계에 착수하였다.
<발표내용3> 강구조 내진성능과 신기술 동향 (요약문)
- 호서대학교 건축공학과 김 원 기 교수
우리나라는 1987년에 건축물의 내진설계를 기준으로 정하기 시작하였지만, 훨씬 일찍이 내진설계를 시작한 선진국들도 최근에 지진발생시 엄청난 건축물의 피해가 발생하는 상황이다.
국내 건설교통부가 2005년 4월에 고시한 "건축구조설계기준(KBC Structural)"은 기존의 2000년에 고시한 "건축물 하중기준"에 비하여 건축물의 내진설계와 관련된 내진하중을 강화하였다. 그러나, 지진에 저항하는 연성도와 관련되며 구조방식에 따라 내진하중을 산정하는데 적용하는 반응수정계수 R 값은 다른 구조의 건축물에 비해 강구조 건축물이 매우 우수한 값을 보여주고 있다. 즉, 선진국들의 지진피해에서 강구조 건축물의 피해가 다른 구조에 비해 상대적으로 적었기 때문이다.
이번에 고시된 "건축구조설계기준"에서 "강구조" 설계기준은 한계상태설계법을 적용함으로서 기존의 허용응력설계법에 비하여 안전성능에 대한 신뢰성을 증대시켰다. 즉, 강구조의 강도 한계상태에 대한 설계로서, 확률론적 각종 설계하중계수와 강도저감계수를 적용하였고, 적절한 공칭강도를 산정하는 설계법을 적용하여 건축물의 안전성과 경제성을 동시에 도모하였다.
또한, 이번에 고시된 "강구조" 설계기준은 강재의 재질 규격에서 용접성능 및 항복강도가 우수한 SM570TMC강과 용접성능 및 내진성능이 우수한"건축구조용 압연강재(KS D 3861)"인 SN강을 포함하여, 일본의 TMC강 및 SN강과 동등한 안전성능을 가진 강재를 사용하게 되었다. 즉, 강구조 건축물 의 연성도와 강도를 향상하게 되었다.
한편, 용접성능과 내진성능이 우수한 "건축구조용 압연H형강"인 SNH강에 대한 연구개발이 완료되어, 미국의 ASTM A992와 동등한 성능을 가진 강재임을 확인하였고, 현재 한국산업규격과 구조설계기준에 포함시키는 것을 준비 중이다. 즉, 전기로에서 생산하는 압연H형강을 사용하는 강구조 건축물의 연성도와 강도를 향상하게 되었다.
현재 진행하고 있는 신기술 개발 연구로서, 강구조 건축물의 내진성능을 보다 향상시키며 국제적인 경쟁력을 갖추기 위하여 강판 전단벽 구조, 강구조용 댐퍼, 최대인장강도 1300MPa급 F13T 고력볼트, 최대인장강도 800MPa급 고성능강 등에 대한 연구가 계속 진행 중이다.
이러한 연구가 모두 완성되면, 강구조의 재료적 성능뿐만 아니라 구조 시스템의 성능도 향상되어, 강구조 건축물은 다른 구조보다 우수한 내진성능과 안전성을 보유하며 경제적인 시공을 도모할 것으로 믿는다.
웹사이트: http://www.kosa.or.kr
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