왜 지진에 강한 창고에는 철골 구조가 선호될까?

강재가 해결하는 지진 문제

지진은 차별하지 않는다. 지반이 움직이면 영향을 받는 지역 내 모든 구조물이 동일한 하중을 받는다. 그러나 모든 구조물이 같은 방식으로 반응하지는 않는다. 생존하는 건물과 붕괴되는 건물 사이의 차이는 종종 하나의 재료 특성, 즉 연성에 달려 있다. 강재 구조물은 이 특성을 풍부하게 갖추고 있어, 전 세계 지진 위험 지역의 창고 설계에서 기본 선택이 되었다.

최근 지진에서 나온 수치는 냉혹한 실상을 보여준다. 2010년 아이티 지진에서는 31만 6,000명이 목숨을 잃었고, 포르토프랭스의 인프라 70%가 파괴되었다 . 실패 양상은 일관적이었는데, 거의 모든 붕괴 사례가 콘크리트 조적 구조물이었다 . 반면, 진원지 인근 지역에 위치한 강구조물 15동에 대한 지진 후 피해 분석 결과, 이들 중 단 한 동도 붕괴되지 않았다 . 이 중 3동은 충전벽에 미세한 균열이 발생했으나, 강골격은 수직 상태를 유지하며 정상적으로 기능했다 .

연성—가장 중요한 성질

연성이란 재료가 파단 없이 소성 변형을 견딜 수 있는 능력을 말한다. 지진 시 연성 구조물은 제어된 변형을 통해 지진 에너지를 흡수하고, 치명적인 붕괴가 일어나기 전에 그 힘을 소산시킬 수 있다. 강재는 본래 연성이 뛰어나다. 극심한 응력 하에서도 강재 부재는 산산조각 나기보다는 휘거나 늘어난다.

이러한 거동은 예측 가능하며 설계가 가능하다. 강재 모멘트 프레임은 6에서 8까지의 연성 계수를 달성하도록 설계될 수 있으며, 이는 구조물이 붕괴 없이 상당한 비탄성 변형을 여러 차례 반복적으로 겪을 수 있음을 의미한다. 보와 기둥 사이의 접합부는 기둥 면 근처 보 끝과 같은 특정 위치에서 제어된 소성 힌지 형성을 허용하도록 상세히 설계된다. 이러한 의도적인 설계는 에너지 흡수가 관리 가능한 위치에서 발생하도록 하여, 연쇄적 붕괴가 일어나는 것을 방지한다.

건축 규정이 요구하는 사항

현대의 내진 설계 규정은 전 세계 지진으로부터 수십 년간 얻은 교훈을 반영한다. 국제 건축 규정(International Building Code, IBC)은 지진 설계 범주를 A(가장 낮은 위험)에서 F(가장 높은 위험)까지 분류한다. 최대 가능 지진 동작이 0.4g을 초과하는 범주 D에서 E까지는 규정이 구조물에 중간에서 높은 수준의 연성을 요구한다. .

강재 구조물은 다음의 승인된 시스템들을 통해 이러한 요구사항을 충족한다:

1. 특수 모멘트 프레임(SMF)—높은 연성 및 에너지 흡수 능력을 위해 설계됨

2. 일반 모멘트 프레임(OMF)—중간 수준의 지진 위험 지역에 적합함

3. 브레이스드 프레임—동심 또는 이심 브레이싱 시스템으로, 횡방향 저항을 제공함

미국 철골 건축 협회(AISC)의 '구조용 철골 건물에 대한 내진 규정'(AISC 341)이 이러한 시스템에 대한 상세 설계 요건을 제시함. AISC 341에 따라 설계되고 적절히 상세화된 접합부를 갖춘 구조물은 실제 지진에서 신뢰할 수 있는 성능을 입증함

생존해야 했던 창고

서부 해안의 주요 항만 확장 프로젝트에서 창고 시설은 지진 지반 운동을 증폭시키는 토양 조건 바로 위에 위치함. 설계팀은 강화 콘크리트, 벽돌조, 철골 등 여러 구조 시스템을 평가함. 콘크리트 및 벽돌조 방안은 귀중한 바닥 공간을 차지하고 기초 비용을 크게 증가시킬 만큼 방대한 전단벽을 필요로 함

이 강재 솔루션은 소성 힌지 위치에서 보 단면을 축소한 특수 모멘트 프레임을 사용하였다. 이 설계는 지진 발생 시 프레임이 흔들릴 수 있도록 하여, 힌지 구역에서의 제어된 소성 변형을 통해 에너지를 소산시킨다. 지진 후 예측된 변위는 허용 한계 이내로 나타났으며, 설계 기준 지진 발생 후에도 구조물은 계속 기능할 수 있다. 시공주가 강재 설계를 승인하였고, 이후 해당 시설은 여러 차례 경미한 지진을 겪었음에도 구조적 손상 없이 정상 운영되고 있다.

강재를 선택하지 않음으로 인한 비용

지진 위험 지역에서 강재를 채택하는 경제적 타당성은 초기 시공 예산을 넘어서는 범위에 있다. 지진으로 손상된 철근콘크리트 또는 조적 구조물의 복구 비용은 종종 원래 시공 비용을 초과한다. 반면, 적절히 설계된 강재 구조물은 일반적으로 점검만으로도 충분하며, 극단적인 경우 소성 힌지 위치에서 소성 변형을 겪은 부재만 교체하면 된다.

강재의 높은 초기 비용은 종종 보험료 절감, 사업 중단 위험 감소, 재난 후 신속한 재입주 가능성이 상쇄한다. 지진 발생 빈도가 높은 지역에서는 이러한 수명 주기 고려 사항이 일반적으로 강재를 유리하게 만든다.

알아두면 좋은 한계 사항

강재 구조물도 지진 피해에서 자유롭지 않다. 부적절하게 상세 설계된 접합부는 취성 파괴 모드로 파손될 수 있으며, 부족한 보강은 프레임이 설계 연성에 도달하기 전에 기둥 좌굴을 유발할 수 있다. 강재 창고의 성능은 단순한 재료 선택 이상으로, 설계 및 제작 품질에 크게 의존한다.

강철은 특히 해안 지역 또는 내부 대기 환경이 공격적인 시설에서 부식으로부터 보호가 필요하다. 또 다른 고려 사항은 내화성으로, 강철은 고온에서 강도를 잃는다. 이러한 문제들은 검증된 해결책을 통해 관리할 수 있지만, 총 프로젝트 비용을 증가시키므로 의사결정 시 반드시 반영해야 한다.

지진 지역에서 창고 건설에 강철이 주로 사용되는 이유

창고는 지진 설계 측면에서 독특한 도전 과제를 제시한다. 일반적으로 넓은 개방형 바닥 면적, 높은 천장, 무거운 적재물 등이 특징이며, 이 모든 요소가 상당한 지진 하중을 유발한다. 강철은 높은 강도 대 중량 비율을 가지므로 중간 기둥 없이 긴 거리를 가로질러 구조 부재를 설치할 수 있어, 창고에 필수적인 개방형 바닥 공간을 확보할 수 있다.

주기 하중 하에서 강재의 거동 예측 가능성은 엔지니어에게 설계 결과에 대한 신뢰를 부여한다. 콘크리트와 달리, 시공 품질에 따라 현장에서의 실제 강도가 달라질 수 있는 반면, 강재 부재는 일관되고 문서화된 기계적 특성을 갖는다. 이러한 신뢰성은 더 안전한 건물과 보다 정확한 성능 예측으로 이어진다.

지진 저항형 창고 건설을 위한 산둥성 Glostar 패널 빌딩 시스템은 구조 골격과 단열 패널 외피를 통합한 강재 건물 솔루션을 제공한다. 이 회사의 제조 역량을 통해 주요 구조물과 건물 외피 모두 지진 하중 조건에서 함께 작동하도록 설계된다. 여러 지진 위험 지역에서의 프로젝트 경험을 바탕으로, 이 회사는 강재 구조물이 가장 중요한 순간에 제 기능을 발휘하도록 하는 세부 설계 및 접합 요건을 정확히 이해하고 있다.