내진 설계에 사용되는 철강재의 특징

내진 설계와 철강의 역할

최근 전 세계적으로 지진의 빈도와 규모가 증가하면서, 건축물과 인프라의 내진 설계(Earthquake-resistant Design)는 선택이 아닌 필수가 되고 있습니다. 내진 설계란 지진 발생 시 구조물이 붕괴되지 않고 인명 피해를 최소화할 수 있도록 구조를 설계하고, 그에 적합한 재료와 시공법을 적용하는 것을 의미합니다.

이러한 구조물의 핵심 재료로 가장 많이 활용되는 것이 철강재입니다. 철강은 강도와 연성(늘어나는 능력), 에너지 흡수 능력이 우수하여 지진하중에 잘 견디는 구조재로 평가됩니다. 특히 철골구조, 철근콘크리트 구조물, 내진 보강 시스템 등에서 철강재는 구조물의 생명줄과도 같은 역할을 합니다.

내진 성능이 우수한 철강재를 사용함으로써 구조물은 흔들림을 흡수하고, 반복되는 하중에도 피로파괴 없이 안정적인 상태를 유지할 수 있습니다. 본문에서는 내진 구조물에 사용되는 철강재의 종류, 성능 조건, 적용 방식 등을 종합적으로 살펴보겠습니다.

 

내진용 철강재의 핵심 성능 요소

내진 구조물에 사용되는 철강재는 단순히 강도가 높다고 해서 좋은 것이 아닙니다. 오히려 연성과 인성, 그리고 반복하중에 대한 저항성이 더욱 중요하게 평가됩니다.

• 연성(Ductility): 강재가 파단되기 전까지 얼마나 변형되며 버틸 수 있는가를 의미합니다. 연성이 높은 철강은 지진의 에너지를 흡수하고 구조 붕괴를 지연시킵니다.
• 에너지 흡수 능력: 강재가 변형되며 외부 하중의 에너지를 흡수해 구조물에 전달되는 진동을 완화합니다.
• 피로 저항성: 반복적인 하중(진동, 미세 충격 등)에 강해야 장기적인 안전성이 확보됩니다.
• 균일한 품질과 용접성: 강재가 접합부에서도 성능을 발휘하려면 용접성이 좋아야 하며, 재질의 편차가 적어야 합니다.

대표적으로 SN강(SN400B, SN490B 등), SM강(SM490, SM520, SM570), H-SA700 같은 구조용 압연강재가 내진 설계에서 많이 사용됩니다. 이들 강종은 연성과 고강도를 동시에 만족시키며, 구조적 안정성을 극대화할 수 있도록 설계되어 있습니다.

 

내진 구조물에 적합한 철강재 종류

 

내진 설계에 적합한 철강재는 일반 구조용 강보다 더 엄격한 기준을 충족해야 하며, 다음과 같은 강종이 대표적입니다.

• SN강(SN Structural Steel): 내진용으로 개발된 구조용 압연강재. SN400, SN490 등으로 나뉘며, 건축물의 기둥·보 등 주 구조부에 사용됩니다. 용접성, 연성, 인성이 뛰어나 구조물의 전도 및 붕괴 위험을 낮춥니다.
• SM강(SM490~SM570): 일반 구조용 강이지만 내진 성능이 우수한 고장력 강재로 평가받습니다. 강도와 연성을 모두 갖추고 있어 내진 벽, 트러스 구조, 강재 프레임 등에 적용됩니다.
• H형강, 박스형강, 강관형강: 단면 형상이 구조적 강성을 확보할 수 있도록 설계된 철강재. H형강은 건물 기둥 및 보에서 사용되며, 강관은 강성과 비틀림 저항성이 뛰어나 교량이나 고층 빌딩에 적합합니다.
• 내진 보강용 철근(SD500, SD600): 고강도 이형철근으로, 철근콘크리트 구조물의 인장 성능을 보강합니다.

또한 일본과 미국에서는 Low Yield Point Steel(저항도 강재), Buckling-restrained Brace(BRB)에 사용되는 특수 철강재도 보급되고 있습니다. 이는 구조체의 국부좌굴을 방지하고 에너지를 흡수하는 데 최적화된 재료입니다.

 

내진 설계 요소와 철강재의 적용 방식

 

내진 구조물은 철강재만 좋은 것을 쓰는 것이 아니라, 배치 방식과 접합 방법, 시공 품질까지도 일관되게 고려되어야 합니다. 주요 설계 요소는 다음과 같습니다.

• 강성(하중 분산 능력): 철강재는 주요 하중을 지지하는 기둥, 보, 브레이싱 부재 등에 사용되어 강성을 높입니다.
• 연성 확보를 위한 부재 설계: 접합부가 아닌 부재 중심에서 소성변형이 유도되도록 설계해야 하며, 이를 위해 특정 철강재는 항복강도가 낮은 지점에 집중되도록 배치됩니다.
• 에너지 소산 장치 사용: 댐퍼(Damper), BRB 등의 보조 구조물과 결합하여 진동을 흡수하고, 철강재는 이를 안정적으로 지지합니다.
• 용접 및 볼트 접합 품질 관리: 고강도 철강재의 경우, 용접 열영향부(HAZ)에서 균열이나 취성이 발생할 수 있으므로 용접 기술과 모재 품질 모두 중요합니다.
• 이중 구조 또는 유연 구조 적용: 건물 전체를 강체로 만들기보다는 유연한 부분과 강한 부분을 조합해 지진 에너지 분산을 유도하는 설계가 많습니다.

결론적으로, 철강재는 단순 자재가 아니라 내진 성능을 결정짓는 핵심 시스템의 일부로 설계되어야 합니다.

 

내진 설계의 글로벌 트렌드와 철강재 개발 방향

 

내진 설계와 철강재의 개발은 계속해서 진화하고 있으며, 다음과 같은 글로벌 트렌드가 주목됩니다.

• 고성능 고연성 철강 개발: 기존 SM490보다도 더 높은 연성과 고강도를 가진 H-SA700, H-SA800 같은 초고강도 강재가 개발되어 고층 빌딩과 초대형 구조물에 적용되고 있습니다.
• 모듈화 및 프리패브 구조 확대: 철강 부재를 사전 제작한 후 현장 조립하는 방식이 확산되면서, 정밀 절단·용접 가능한 철강재의 수요가 늘어나고 있습니다.
• 에너지 소산형 구조 부재의 표준화: BRB, 링크빔, 유연 프레임 등 철강 부재의 내진 기능을 특화하는 방향으로 설계가 진화 중입니다.
• 내진 설계 인증과 철강재 품질 보증: 일본(JIS), 미국(ASTM), 유럽(EN), 한국(KS)의 내진 인증 체계가 강화되고 있으며, 이에 따라 공급되는 철강재는 품질시험서(MTC), 내진 인증서류 등을 필수로 요구받고 있습니다.
• ESG 대응을 위한 고기능 재료 선택: 구조 안정성과 함께, 지속 가능성, 재활용성, 탄소 배출량 등도 철강재 선택의 기준으로 떠오르고 있습니다.

향후에는 구조 설계자가 내진뿐 아니라 친환경성과 경제성을 모두 고려해 지능형 내진 설계와 철강재 조합을 설계하게 될 것이며, 그 중심에는 고성능 내진용 철강재가 존재할 것입니다.

 

 

내진 설계는 단순한 하중 계산이 아니라, 사람의 생명과 자산을 지키는 생존 설계입니다. 그리고 그 중심에서 철강재는 탁월한 연성과 강도로 구조물의 생명을 지키는 역할을 수행합니다. 내진용 철강재에 대한 정확한 이해와 설계 지침의 반영은 곧 안전한 도시를 만드는 기초라고 할 수 있습니다.