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문제 정의
- 용접부의 성능검증과 더불어 실제 부재의 제작 가능성 여부를 검증하기 위하여 시범적용 현장인 서강대 인공광합성 센터에 적용되는 기둥부재를 대상으로 제작성 평가를 수행하였다. 실제 철구사에서 부재를 제작하는 절차대로 절단, 조립, 용접순서로 제작이 완료되었으며, 고강도 강재 임에도 불구하고, 절단 및 용접성이 상당히 우수한 것으로 평가되었다.
- 국내에서도 잠실롯데월드 타워 프로젝트에서 철골부재에 대한 기술검토결과 현재의 600MPa급 강재를 적용할 경우 하층부 기둥에서는 두께 100mm를 초과하는 경우가 대부분이었으며 부재제작/시공 등을 고려할 때 두께감소를 위한 고강도강의 필요성이 지적되었다. 이러한 시장에서의 니즈(Needs)와 함께 초고층 시장에서의 우위를 확보하고, 국가 기술수준을 세계적인 수준으로 높이기 위한 기술 개발에 돌입했다. 2009년 국토 해양부와 건설교통평가원이 진행한 첨단도시개발사업 초고층 복합빌딩 분야 ‘저탄소 고성능 재료기술 개발’ 과제를 위한 RIST 강구조연구소와 포스코의 공동연구로 고성능 강재의 개발이 시작되었다.
제안 방법
- 2011년 8월 우선적으로 9층 규모의 서강대 인공광합성센터 신축공사에 시범적으로 HSA800을 적용하여 제작성능 및 시공성능을 모니터링하였고, 또한 50층 규모의 실제 건물을 대상으로 대안설계를 진행하여 강재적용 효과에 대한 구조적인 검토와 경제성 검토를 수행하였다. 이와 같은 결과를 토대로 현재 잠실에서 시공 중인 롯데월드타워에 HSA800 강재를 설계에 반영하는 성과를 이루었다(그림 12참조).
- HSA800강재를 적용하여 강관형태로 제작할 경 우, 제작성에 문제가 없는지 검증할 필요성이 대두되었다. 25mm와 60mm의 HSA800 강재를 적용하여 직경 400mm의 소구경 강관과 2,000mm의 대구경 강관에 대한 제작성을 평가하였다(그림 6 참조). HSA800 강재는 16% 이상의 연신율을 확보하였기 때문에 강관 제작시 별다른 문제점이 발견되지 않았다.
- 강관 조관 후 모재의 기계적 성질 변화에 대한 추가 데이터를 구축하여 HSA800 강재의 강관 조관 후 성능에 대한 규정이 필요할 것으로 사료된다. HSA800 강재를 적용 하여 제작한 고강도 강관의 품질에 대한 신뢰성을 확보하고자 강관 제작 과정과 강관 용접부의 성능검증 결과를 바탕으로 신뢰성 인증을 획득하였다.
- 강재의 용접이음부에 요구되는 성능은 모재가가 지는 인장강도 이상의 강도를 확보하고, 구조적 위험을 초래하는 결함이 없어야 하며, 용접부 근처(용접금속, 본드부, 열영향부)에서의 성능을 확보해야 한다. HSA800의 용접성 능을 검증하기 위해서 HSA800 동종용접부와 HSA800에 비해 강도가 낮은 400MPa, 500MPa와의 이종용접부에 대하여 용접부 성능검증을 수행하였다. 용접부의 성능평가에 사용 되는 항목은 인장시험, 굽힘시험, 충격시험, 비커스 경도시험 등이며, 동종강재 및 이종강재 시험편 모두 규정이상의 성능을 발현하였다(그림 4 및 그림 5 참조).
- 또한, HSA800 강재의 구조적인 안전성과 성능을 검증하기 위하여, 압축력을 받는 기둥부재, 휨을 받는 보부재에 대한 성능과 보-기둥 접합부의 내진성능을 검증하였다. 각 성능검증은 실제 건물을 대상으로 설계한 후 실물대 크기의 실험체로 실험을 수행하였다(그림 7 참조).
- 구조설계에 적용한 기준은 KBC2009(Korean Building Code 2009)를 비롯하여 미국의 ASCE7-05(American Society of Civil Engineers7-05) 등을 적용하였고 바닥구조시스템은 사무실과 오피스텔은 철골보시스템, 호텔층은 RC무량판을 사용하였으며 횡력저항시스템으로는 RC코어벽체에 철골 아웃리거 트러스, 벨트트러스 및 RC 메가기둥을 사용한 하이브리드(Hybrid) 구조시스템을 채택하였다. 고강도 강재 적용 대상 부재로는 횡강성에 영향을 안미치는 아웃리거 수평부재, 벨트트러스, 호텔층 외곽부 기둥을 대상으로 선정하였으며 중력하중모델, 횡력저항모델, 연쇄붕괴 모델 각각에 대하여 대안설계시 변화된 응력비, 고유진동수 그리고 사용성을 기준으로 해석 및 평가를 수행하였다. 연구결과 기존설계대비 HSA800 대안설계시 약 1100톤(28%) 가량 절감 가능하며 HSA800 적용시 줄어든 부재 두께로 인해 용접물량 감소 및 양중량 저하로 인한 경제성과 시공성을 확보할 수 있었다.
- 강재 선진국인 일본의 경우 이미 1970년 대부터 토목 및 조선 분야에 최소인장강도 780MPa(1MPa은 cm2당 10㎏의 하중을 견딜 수 있는 강도)급 강재를 사용해왔다. 또한 건축용 고강도 강재 및 이를 이용한 신구조 시스템의 개발을 위해 2006~2007년 780MPa급 건축구조용 강재를 개발 및 규준으로 제정하였다.
- 또한, HSA800 강재의 구조적인 안전성과 성능을 검증하기 위하여, 압축력을 받는 기둥부재, 휨을 받는 보부재에 대한 성능과 보-기둥 접합부의 내진성능을 검증하였다. 각 성능검증은 실제 건물을 대상으로 설계한 후 실물대 크기의 실험체로 실험을 수행하였다(그림 7 참조).
- 초고층건물에 사용되는 강재의 요구 성능을 도출을 위하여 일본, 유럽 등 외국의 선진 규격을 분석했고 2년여의 연구개발 과정과 국내 학계 및 산업계 건설 전문가들로부터 자문회의를 열었다. 그 결과 2011년 세계 최고 사양의 최소 인장강도 800MPa급 건축구조용 초고강도 강재인 HSA800(High Strength Steel for Architecture, 이하 HSA800)을 개발 하는데 성공했다(표 1 참조).
- 50MPa 이상의 고강도 콘크리트를 충전한 CFT기둥의 경우에도 강관이 외부 화염에 대한 차단으로 폭렬 현상이 거의 발생하지 않는다고 보고되고 있다. 포스코건설과 RIST에서는 국내 최초로 초고강도 800MPa 강관과 100MPa 콘크리트를 적용한 CFT 구조에 대해 내화피복 없이 2시간 동안 화재에 견디는 무내화 피복 CFT기둥 인증 실험을 수행하였다(그림 11 참조). 그 결과 3시간 재하가열실험을 성공적으로 이뤄내며, 한국 건설기술연구원의 내화성능 평가 인증기준인 1,000℃이상 의 고온과 300톤 이상의 하중을 3시간 동안 동시에 견뎌내어 기술력을 인증 받았다.
대상 데이터
- 1908년 베트레헴사(Bethlehem Steel Company)에서 H형강의 생산과 더불어 건축구조시스템이 제안되기 시작하면서 건축물의 고층화를 촉진하게 되어, 뉴욕에 크라이슬러빌딩(Chrysler Building, 1930), 엠파이어스테이트 빌딩(Empire State Building, 1931)이 세워졌다. 엠파이어스테이트 빌딩은 지상 102층, 높이 381m의 철골구조로서 1974년 시카고의 윌리스 타워(Willis Tower, 442m)가 완공되기 전까지 세계 초고층빌딩으로 군림하였다.
- 국내 최초의 고로(高爐；용광로) 업체로서 포항제철소와 광양제철소 등 2개의 일관제철소를 보유하고 있다. 포항제철소는 1970년 4월 1일에, 광양제철소는 1985년 3월 5일에 착공하였다. 1973년 7월 3일 조강(粗鋼) 연산 103만t 규모의 포항제철소 1기 설비를 준공한 이래 꾸준히 설비를 늘려 2009년 현재 포항제철소는 고로 5기와 PCI(Pulverized Coal Injection, 미분탄취입) 설비, 용광로공법을 대체하는 친환경 제철공법인 파이넥스(FINEX) 2기 등을, 광양제철소는 고로 5기와 PCI 설비 등을 갖추고 있다.
이론/모형
- 롯데월드타워는 국내최초의 500m 이상급 초고층빌딩으로서 건축설계는 KPF와 범건축, 구조 설계는 LERA와 창민우구조가 수행하였다. 구조설계에 적용한 기준은 KBC2009(Korean Building Code 2009)를 비롯하여 미국의 ASCE7-05(American Society of Civil Engineers7-05) 등을 적용하였고 바닥구조시스템은 사무실과 오피스텔은 철골보시스템, 호텔층은 RC무량판을 사용하였으며 횡력저항시스템으로는 RC코어벽체에 철골 아웃리거 트러스, 벨트트러스 및 RC 메가기둥을 사용한 하이브리드(Hybrid) 구조시스템을 채택하였다. 고강도 강재 적용 대상 부재로는 횡강성에 영향을 안미치는 아웃리거 수평부재, 벨트트러스, 호텔층 외곽부 기둥을 대상으로 선정하였으며 중력하중모델, 횡력저항모델, 연쇄붕괴 모델 각각에 대하여 대안설계시 변화된 응력비, 고유진동수 그리고 사용성을 기준으로 해석 및 평가를 수행하였다.
성능/효과
- 강재를 강관형태로 성형을 할 경우, 모재의 강도는 가공경화로 인해 강도와 항복비가 증가하게 된다. 강관을 제작한 후 강관에서 시편을 채취하여 성능을 검증한 결과, 0.85~0.9정도의 항복비를 갖는 것으로 평가되었다. 강관 조관 후 모재의 기계적 성질 변화에 대한 추가 데이터를 구축하여 HSA800 강재의 강관 조관 후 성능에 대한 규정이 필요할 것으로 사료된다.
- 포스코건설과 RIST에서는 국내 최초로 초고강도 800MPa 강관과 100MPa 콘크리트를 적용한 CFT 구조에 대해 내화피복 없이 2시간 동안 화재에 견디는 무내화 피복 CFT기둥 인증 실험을 수행하였다(그림 11 참조). 그 결과 3시간 재하가열실험을 성공적으로 이뤄내며, 한국 건설기술연구원의 내화성능 평가 인증기준인 1,000℃이상 의 고온과 300톤 이상의 하중을 3시간 동안 동시에 견뎌내어 기술력을 인증 받았다. 이와 같은 인증사례를 시작으로 CFT기둥의 내화성능 일반화, 개별 인증사례는 지속적으로 늘어날 전망이다.
- 초고층 빌딩을 건설하는데 많은 비용이 들지만 초고층빌딩 하나로 도시전체가 단번에 국제적인 주목을 받을 수 있으며 건설 산업에 있어 초 부가가치를 생성할 수 있기 때문에 고층빌딩은 세계 각국의 도시에서 눈에 띄게 많이 볼 수 있게 됐다. 더불어 완공 후 국가와 도시의 랜드마크로써 경제에 기여하는 동시에 쾌적하고 효율적인 공간 제공 또한 가능하다.
- HSA800의 개발의 가장 큰 수확은 우리나라에서 향후 100년 이상 사용할 수 있는 초고강도 소재를 직접 만들었다는 것이다. 또한 사용자는 내진성능 및 용접성능이 우수한 HSA800 의 개발로 기둥 등 주요 부재의 단면이 줄어들어 더 넓은 공간을 사용할 수 있게 되었다. 시공자의 입장에서도 구조체의 무게가 감소하고 한 번에 들어 올릴 수 있는 부재의 길이가 증가하기 때문에 건축물의 공사 기간을 단축할 수 있다.
- HSA800 강재는 기존 일반강도 강재 대비 물량을 획기적으로 저감할 수 있다. 실례로 초고층건물의 횡력저항 구조시스템으로 적용되는 아웃리거 부재를 대상으로 대안설계를 수행한 결과 기존의 고강도 강재 SM570TMC 대비 물량이 30% 절감됐다(그림 8 참조).
- 용접부의 성능검증과 더불어 실제 부재의 제작 가능성 여부를 검증하기 위하여 시범적용 현장인 서강대 인공광합성 센터에 적용되는 기둥부재를 대상으로 제작성 평가를 수행하였다. 실제 철구사에서 부재를 제작하는 절차대로 절단, 조립, 용접순서로 제작이 완료되었으며, 고강도 강재 임에도 불구하고, 절단 및 용접성이 상당히 우수한 것으로 평가되었다. 또한 초고층의 횡력저항 구조시스템인 아웃리 거(Outrigger, 초고층건물에서 풍하중과 지진하중에 효율적으로 저항하는 횡력저항 시스템으로써 횡력에 의한 전도모멘트를 코어와 외곽기둥이 함께 지지하는 시스템), 메가트 러스(Mega truss, 부재가 3각형을 단위로 하여 짜여지는 구조 형식으로 부재의 절점은 핀 접합으로서 구성되며 각 부재에는 축방향력만 작용한다), 다이어그리드(Diagrid, 외벽 면에 "X"자 형태의 부재를 설치한 구조시스템을 말하며, 네 벽면이 마치 트러스 형태로 보강된 박스의 역할을 하게 되어 횡력에 대해 보다 효율적으로 저항할 수 있는 구조시스템이다) 등의 구조에 단면의 효율성으로 인해 강관구조가 적용될 가능성이 높다.
- 고강도 강재 적용 대상 부재로는 횡강성에 영향을 안미치는 아웃리거 수평부재, 벨트트러스, 호텔층 외곽부 기둥을 대상으로 선정하였으며 중력하중모델, 횡력저항모델, 연쇄붕괴 모델 각각에 대하여 대안설계시 변화된 응력비, 고유진동수 그리고 사용성을 기준으로 해석 및 평가를 수행하였다. 연구결과 기존설계대비 HSA800 대안설계시 약 1100톤(28%) 가량 절감 가능하며 HSA800 적용시 줄어든 부재 두께로 인해 용접물량 감소 및 양중량 저하로 인한 경제성과 시공성을 확보할 수 있었다. 이렇듯 롯데월드 타워는 설계와 시공 단계에서 국내외 최신 건설 기술을 총동원하는 초대형 프로젝트로 건설에 필요한 철강재 또한 내진성, 내풍압성, 내화성, 후판 용접성 등 고성능이 요구됐다.
- 요구 성능 검증 결과 초고강도 강재로 이루어진 부재 및 접합부 성능은 건축구조설계기준에서 정하고 있는 값을 상회하는 것으로 판명되어 초고층 건물에 안정적으로 적용이 가능한 것으로 평가되었다.
- 이러한 고강도 재료를 적용한 합성구조로 철골철근콘크리트(SRC: Steel and Reinforced Concrete) 기둥과 콘크리트충전강관 기둥(CFT: Concrete- Filled Steel Tube Column)이 주로 사용되고 있다. 이중 콘크리트 충전강관(CFT) 구조는 외부 강 관에 의한 구속효과로 콘크리트의 극한압축변형률을 증가시키고, 충전 콘크리트로 인해 강관의 좌굴강도가 증가하기 때문에 600MPa 이상의 고강도 강재를 사용하는 경우에도 강재의 강도를 충분히 활용 가능하여 우수한 구조성능을 나타내는 것을 실험적으로 확인하였다.
- 이를 통해 강재의 항복비에 대한 산포도를 최소화함으로써 최소 항복강도로 설계한 구조물의 붕괴 메커니즘을 의도대로 발생할 확률을 높일 수 있다. 표 1에 나타난 바와 같이 HSA800은 규정하고 있는 성능범위 내에 모든 실험결과들이 분포되어 있으며, World Top Class의 성능을 발현하는 고성능 강재로 평가되었다.
후속연구
- HSA800 강재의 상용화를 위하여 건축구조용 고성능 압연강재(KSD 5994)를 새롭게 제정하여 고시하였고, 건축구 조설계기준에도 반영될 예정이다.
- 9정도의 항복비를 갖는 것으로 평가되었다. 강관 조관 후 모재의 기계적 성질 변화에 대한 추가 데이터를 구축하여 HSA800 강재의 강관 조관 후 성능에 대한 규정이 필요할 것으로 사료된다. HSA800 강재를 적용 하여 제작한 고강도 강관의 품질에 대한 신뢰성을 확보하고자 강관 제작 과정과 강관 용접부의 성능검증 결과를 바탕으로 신뢰성 인증을 획득하였다.
- 여기에 국내 철강 산업의 경쟁력을 향상시킴과 동시에 고갈되는 천연자원의 장기간 사용할 수 있다는 장점도 있다. 개발된 고성능 강재는 미래 도시의 스카이 라인을 바꾸고 다양한 형태의 초고층건물이 경제적으로 건설될 수 있는 데 크게 기여할 것이다.
- 한편, 국내에서는 포스코(POSCO)를 중심으로 고강도 강재에 대한 연구와 생산이 활발해지면서 일반강 대비 강도증가 효과가 우수한 고강도 강재의 적용이 증가하고 있지만 합성구조에 대한 설계기준 강도는 SM570TMC(Fy = 440MPa)를 반영한 440MPa로 설계기준(KBCS-2009)에 반영되어 있다. 따라서 강도 상한 규정은 국내에서 선도적으로 진행되고 있는 고강도 강재와 콘크리트의 실험결과 그리고 이미 현장에 적용되고 있는 상황을 참고하여 완화되는 방향으로 개정될 필요가 있으며, 앞으로 고시될 KBCS-2014에서는 강재 650MPa까지 허용될 것으로 전망되고 있다.
- 다이어그리드는 28m 모듈의 마름모 형상으로 건물의 외주부에 위치하여 횡하중에 대해 소요의 강성을 확보하고, 메가브레이스는 56m 단위로 X형태로 설치하여 횡하중에 대한 큰 축력을 기초까지 원활히 전달하는 역할을 한다. 청라시티타워에서 가장 중요한 횡력저항 구조시스템인 다이어그리드와 메가 브레이스에 HSA800 강재가 적용될 예정이다(그림 12 참조). HSA800은 초고층빌딩뿐만 아니라 장스팬 구조물에도 적용이 확대되고 있다.
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